Studio di fattibilità di un sistema radar utilizzando un

UNIVERSITÁ DEGLI STUDI DI ROMA
“TOR VERGATA”
FACOLTÁ DI INGEGNERIA
Corso di laurea in Ingegneria delle Telecomunicazioni
Tesi di Laurea Magistrale
STUDIO DI FATTIBILITÀ DI UN SISTEMA RADAR UTILIZZANDO UN
ILLUMINATORE A PHASED ARRAY
Laureando:
Annalisa De Franco
Relatore:
Correlatori:
Prof. Gaspare Galati
Ing. Antonio Di Vito
Ing. Gabriele Pavan
Anno Accademico 2010/2011
INTRODUZIONE
1. INTRODUZIONE
Il presente lavoro di tesi si inserisce nell’ambito della Difesa Militare, argomento estremamente
attuale e di interesse crescente nello scenario odierno.
Alla base di tutta l’analisi si colloca un Jammer progettato dall’Elettronica di Roma. Si tratta di un
disturbatore attivo a phased array il cui funzionamento consiste nella trasmissione di energia
elettromagnetica verso il radar vittima, in modo da ridurre od annientare le capacità di rivelazione
dell’eco.
L’utilizzo di un dispositivo di questo tipo è inquadrato quindi in uno scenario in cui è necessario
non solo rilevare e localizzare le possibili minacce, ma anche contrastarle, bloccandone o
riducendone le capacità offensive.
Tuttavia, in un normale contesto operativo, il tempo in cui il Jammer è veramente funzionante è una
piccola percentuale di quello complessivo; pertanto si potrebbe pensare di sfruttare i tempi morti
per svolgere altre funzioni.
È proprio a partire da questa considerazione che deriva tutta l’analisi riportata nella trattazione.
L’obiettivo è quello di utilizzare il Jammer, che nasce appunto come dispositivo di Active ECM
(Electronic Counter Measure), anche per la sorveglianza e l’inseguimento, integrandolo in un
sistema più ampio. Così facendo si vuole ottenere un sistema di concezione nuova che, mediante
tecniche radar, sia in grado di combinare le diverse esigenze di sorveglianza, inseguimento e
disturbo, sfruttando come sezione trasmittente un elemento attualmente esistente, il Jammer, e come
sezione ricevente una o più stazioni distribuite nello spazio.
È ovvio che, vista la varietà degli scenari operativi attualmente esistenti, un sistema di questo tipo
può essere configurato e implementato in svariati modi. Allora, per rendere l’analisi il meno astratta
possibile, sarà definito un ambiente operativo reale a partire dal quale fare le dovute valutazioni.
Innanzitutto, nonostante il Jammer venga collocato sia su mare, sia su aria che a terra, nella presente
tesi verrà considerata solo la collocazione su mare, quindi su una piattaforma navale.
Una volta definito lo scenario operativo verranno proposte tre architetture di implementazione:
monostatica, in cui il Jammer viene utilizzato sia in trasmissione che in ricezione; quasi
1
1
INTRODUZIONE
monostatica, in cui come sezione ricevente si utilizza un sottosistema separato; multistatica, per il
quale il segnale di eco prodotto dal bersaglio è ricevuto da un insieme di antenne distribuite
nell’ambiente.
In particolare si cercherà di dare una valutazione prestazionale delle diverse configurazioni,
evidenziando vantaggi e svantaggi di ciascuna e completando ulteriormente lo studio con
simulazioni del sistema in applicazioni tipiche e con un’analisi benefici-complessità.
Qualora si rilevasse la reale convenienza di una o più soluzioni, i risultati della presente tesi
potranno dare il via a una fase successiva di studio più approfondito. Se così facendo saranno
evidenziati vantaggi concreti, l’analisi al momento solo teorica potrebbe poi portare alla
realizzazione di un reale progetto esecutivo.
In particolare il documento sarà organizzato come segue.
Il Capitolo 2 fornisce una panoramica generale sui sistemi radar analizzando lo stato dell’arte e
mettendo in evidenza l’importanza e le potenzialità di tali sistemi. Partendo da una breve carrellata
storica sulla nascita e lo sviluppo della tecnologia radar, il capitolo prosegue descrivendo
architetture e applicazioni esistenti e quelle in via di sviluppo. Infine, dimostrata l’importanza del
radar in ambito militare, si conclude con la descrizione dei Sistemi d’Arma e della guerra
elettronica.
Il Capitolo 3 definisce i concetti generali di un sistema radar, quali principio e modalità di
funzionamento, esaminando gli strumenti di analisi più importanti (equazione radar e funzione di
ambiguità) e descrivendo le possibili architetture di implementazione (monostatica, bistatica,
multistatica). Conclude il capitolo l’analisi dell’accuratezza delle misure, argomento a più ampio
spettro ma che poi viene contestualizzato e applicato ai sistemi radar.
Il Capitolo 4 descrive l’illuminatore considerato, cioè il Jammer, mettendo in luce la differenza tra
un suo utilizzo come sistema ECM e come trasmettitore radar. Dopo una prima descrizione da un
punto di vista geometrico (forma e dimensioni) l’attenzione è posta sulle caratteristiche di
radiazione analizzando gli elementi radianti, il diagramma di radiazione, i limiti legati al
puntamento e ai lobi secondari. Infine vengono valutate le caratteristiche dell’antenna in termini di
guadagno e ERP.
Il Capitolo 5 presenta le principali forme d’onda utilizzate in ambito radar (impulso, chirp, cwnoise), mettendo a confronto le diverse funzioni di ambiguità e evidenziando vantaggi e svantaggi
2
1
INTRODUZIONE
di ciascuna. In particolare buona parte del capitolo si concentra sulla descrizione del Noise Radar,
affiancando concetti teorici dimostrati analiticamente a risultati ottenuti attraverso simulazioni.
Il Capitolo 6 analizza lo scenario operativo e propone le possibili architetture di implementazione.
Come prima cosa vengono fatte considerazioni non solo sulla collocazione del sistema ma anche sul
tipo di minacce da contrastare. Successivamente, avendo come obiettivo quello di progettare un
sistema di rivelazione e localizzazione, vengono analizzate tre differenti configurazioni
(monostatica, quasi monostatica e multistatica), considerando sempre il Jammer in trasmissione e
prevedendo una o più stazioni in ricezione. L’analisi in particolare viene fatta concentrando
l’attenzione sui parametri di base quali copertura, risoluzione, accuratezza, evidenziando vantaggi e
svantaggi di ciascuna configurazione e includendo anche valutazioni indicative su complessità e
costi. Per il caso multistatico si approfondisce ulteriormente studiando l’errore di posizione.
Il Capitolo 7, infine, racchiude le conclusioni dell’analisi effettuata precedentemente e presenta i
possibili sviluppi futuri.
3
1
SOMMARIO
1.
INTRODUZIONE .......................................................................................................................................... 1
2.
SCENARIO TECNOLOGICO .......................................................................................................................... 4
3.
2.1
TECNOLOGIA RADAR: NASCITA E SVILUPPO ..................................................................................... 4
2.2
ARCHITETTURE E SISTEMI ESISTENTI ................................................................................................. 6
2.3
APPLICAZIONI .................................................................................................................................. 10
2.4
SISTEMI D'ARMA.............................................................................................................................. 13
2.5
CONTROMISURE ELETTRONICHE ..................................................................................................... 17
CONCETTI DI BASE DI UN SISTEMA RADAR ............................................................................................. 21
3.1
3.1.1
RADAR A IMPULSI .................................................................................................................... 23
3.1.2
RADAR A ONDA CONTINUA ..................................................................................................... 26
3.2
EQUAZIONE RADAR ......................................................................................................................... 28
3.2.1
INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI ................................................................................................ 31
3.2.2
EQUAZIONE DEL RADAR DI SORVEGLIANZA ............................................................................ 32
3.3
4.
GENERALITÀ E PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO ............................................................................. 21
ARCHITETTURE................................................................................................................................. 34
3.3.1
RADAR MONOSTATICO ............................................................................................................ 34
3.3.2
RADAR BISTATICO .................................................................................................................... 35
3.3.3
RADAR MULTISTATICO............................................................................................................. 40
3.4
RADAR CROSS SECTION ................................................................................................................... 44
3.5
FUNZIONE DI AMBIGUITÀ................................................................................................................ 48
3.6
ACCURATEZZA DELLE MISURE ......................................................................................................... 52
3.6.1
STIMATORI E CARATTERISTICHE .............................................................................................. 52
3.6.2
DILUIZIONE DI PRECISIONE ...................................................................................................... 54
3.6.3
LIMITE DI CRAMÈR RAO ........................................................................................................... 62
3.6.4
CRLB PER UN SISTEMA MULTISTATICO.................................................................................... 63
DESCRIZIONE DELL’ILLUMINATORE ......................................................................................................... 69
4.1
FORMA E DIMENSIONI..................................................................................................................... 71
4.2
ELEMENTO RADIANTE ..................................................................................................................... 72
4.3
DIAGRAMMA DI RADIAZIONE E PUNTAMENTO MASSIMO ............................................................. 76
4.4
BEAMWIDTH A METÀ POTENZA ...................................................................................................... 86
4.5
LOBI SECONDARI E PESAGGIO IN RICEZIONE .................................................................................. 87
iii
4.6
5.
GUADAGNO E ERP ........................................................................................................................... 90
ANALISI DELLE FORME D’ONDA............................................................................................................... 92
5.1
NOISE RADAR ................................................................................................................................... 92
5.1.1
LIVELLO DEI LOBI LATERALI IN RANGE ..................................................................................... 94
5.1.2
BERSAGLI IN MOVIMENTO ...................................................................................................... 96
5.1.3
FORMA D’ONDA TRASMESSA .................................................................................................. 97
5.1.4
VARIANZA .............................................................................................................................. 102
5.1.5
FUNZIONE DI AMBIGUITÀ...................................................................................................... 103
5.1.6
SIMULAZIONI ......................................................................................................................... 109
5.2
SEGNALE CHIRP.............................................................................................................................. 120
5.2.1
6.
7.
FUNZIONE DI AMBIGUITÀ...................................................................................................... 122
5.3
FUNZIONE DI AMBIGUITÀ DI UN IMPULSO A FREQUENZA COSTANTE ......................................... 127
5.4
SCELTA DELLE FORME D’ONDA ..................................................................................................... 130
SCENARIO OPERATIVO E ARCHITETTURE DI IMPLEMENTAZIONE ......................................................... 136
6.1
DESCRIZIONE DELLO SCENARIO OPERATIVO ................................................................................. 136
6.2
ANALISI DELLE ARCHITETTURE DI IMPLEMENTAZIONE ................................................................. 142
6.2.1
SISTEMA MONOSTATICO ....................................................................................................... 143
6.2.2
SISTEMA QUASI MONOSTATICO ............................................................................................ 155
6.2.3
SISTEMA MULTISTATICO ........................................................................................................ 172
CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI ......................................................................................................... 196
A. APPENDICE ................................................................................................................................................ 200
A.1 ARRAY DI ANTENNE ............................................................................................................................. 200
A.1.1 ARRAY LINEARI ............................................................................................................................. 202
A.1.2 ARRAY PLANARI ............................................................................................................................ 206
A.1.3 ARRAY A GRIGLIA TRIANGOLARE................................................................................................. 208
A.1.4 PARAMETRI DELL’ARRAY .............................................................................................................. 211
A.2 PESAGGIO IN RICEZIONE ..................................................................................................................... 213
A.3 COLORAZIONE DI SEQUENZE MEDIANTE FILTRO FIR .......................................................................... 216
A.4 VARIANZA DELLA FUNZIONE DI AUTOCORRELAZIONE (NOISE RADAR) .............................................. 218
A.5 STIMA AI MINIMI QUADRATI .............................................................................................................. 222
BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................................................ 225
iv
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230
Un ringraziamento va al Prof. Gaspare Galati,
il cui contributo fondamentale ha permesso lo svolgimento
di tutta la tesi. Il suo entusiasmo e la sua piena disponibilità
a chiarimenti e spiegazioni hanno reso possibile tutto il lavoro
descritto in queste pagine contribuendo a realizzare un’attività
altamente formativa per il mio futuro professionale.
Un ringraziamento va all’Elettronica e all’Ing. Antonio Di Vito,
per la collaborazione fornita nello sviluppo di questa tesi
dal carattere innovativo. Grazie all’esperienza e al know-how
posseduti dall’azienda sono venuta a contatto con tematiche
assolutamente attuali e utili per la mia carriera futura.
Un ringraziamento va all’Ing. Gabriele Pavan,
che mi ha seguito in questo cammino con pazienza e gentilezza,
mostrandosi sempre pienamente disponibile e pronto a risolvere
i miei dubbi e perplessità. La mia stima per lui è dovuta, oltre che
alla sua profonda esperienza e professionalità, alla grande umanità
con la quale mi ha seguito durante tutto lo svolgimento della tesi.
Un ringraziamento va poi a tutto lo “Staff” di RadarLab,
Sergio Pandiscia e Emilio Piracci per la disponibilità e il supporto tecnico.
Un grazie va anche a Mauro Leonardi per l’interesse mostrato
e l’aiuto professionale fornito per completare alcune fasi del lavoro di tesi.
Ringrazio personalmente Angela Mezzetti,
la cui saggezza e sensibilità
mi hanno fornito grandi insegnamenti di cui farò tesoro in tutta
la mia vita, sia professionale che non.
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