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Radar a diversità di frequenza

Interruttore
Duplexer
Selettore di
frequenza
Ricevitore
f₂
Ricevitore
f₁
Linea di
ritardo
Aggiunta
Aggiunta
Moltipli-
cazione
Trasmet-
titore f₁
Trasmet-
titore f₂
Modulatore
Modulatore
Generatore di
sincronizzazione

Figura 1: principio di funzionamento del radar a diversità di frequenza

Interruttore
Duplexer
Selettore di
frequenza
Ricevitore
f₂
Ricevitore
f₁
Linea di
ritardo
Aggiunta
Aggiunta
Moltipli-
cazione
Trasmet-
titore f₁
Trasmet-
titore f₂
Modulatore
Modulatore
Generatore di
sincronizzazione

Figura 1: principio di funzionamento del radar a diversità di frequenza

Radar a diversità di frequenza

Per risolvere parzialmente il problema delle dimensioni fluttuanti del bersaglio, molti radar utilizzano due (o più) frequenze di illuminazione. La diversità di frequenza è comunemente ottenuta utilizzando due trasmettitori che operano in tandem per illuminare il bersaglio con due diversi segnali di frequenza, come mostrato nella figura sottostante.

I segnali riflessi possono essere elaborati separatamente al ricevitore per assicurare la coerenza. Oltre al guadagno di 3 dB derivante dall'uso di due trasmettitori in parallelo, il funzionamento su due frequenze separate migliora le prestazioni del radar (tipicamente di circa 2,8 dB).

Grazie alla trasmissione multifrequenza, è possibile estendere il campo di rilevamento in modo significativo, con probabilità di rilevamento e tasso di falso allarme costanti. Vale a dire che se si considerano due apparecchi radar che beneficiano della stessa probabilità di rilevamento e di un identico tasso di falsi allarmi, il sistema che ha la capacità di emettere su diverse frequenze avrà la portata massima più lunga. La base fisica di questo fenomeno è la „lisciatura” delle fluttuazioni complesse nella sezione trasversale radar degli echi. Poiché i valori estremi (minimi e massimi) non appaiono allo stesso tempo sulle diverse frequenze trasmesse (cioè in una diversa „posizione” in ogni modello irradiato), le fluttuazioni di fase opposte si annullano a vicenda.

Quando il segnale restituito sulla prima frequenza raggiunge un massimo, quello sull'altra frequenza è di solito al minimo. La somma dei due segnali non degrada il valore medio dell'ampiezza di ciascun segnale; fornisce un segnale „levigato”, con variazioni di ampiezza ridotte. L'elaborazione indipendente di ogni frequenza all'estremità ricevente permette, secondo lo stesso principio, di migliorare il rapporto „segnale-rumore”. Se il livello minimo di energia riflessa per rilevare un bersaglio è raggiunto (e superato) solo su una delle frequenze, la correlazione dei due segnali ricevuti permetterà di convalidare la presenza del bersaglio, mentre il livello medio di rumore, limitato dalle cancellazioni di spostamento di fase, non aumenterà nelle stesse proporzioni del segnale utile. Il campo di rilevamento è quindi aumentato. Lo svantaggio di questa tecnica è che, da un punto di vista militare, i due segnali generano spettri diversi e quindi aumentano il rischio di rilevamento del radar da parte di apparecchiature di intercettazione nemiche.

L'emissione multifrequenza è utilizzata dai radar attraverso l'uso di una delle seguenti tecniche:

  1. Emissione simultanea di più impulsi di frequenze diverse, che può essere ottenuta nella sua forma più semplice con l'uso di diversi trasmettitori (ciascuno con il suo ricevitore associato) che operano in concerto ma su frequenze diverse
     
  2. La trasmissione di una serie di segnali successivi, ognuno con la propria frequenza. La frequenza portante del segnale trasmesso può quindi variare:
    • da un impulso all'altro (per esempio l'agilità di frequenza),
    • all'interno di un impulso composto da „sotto-impulsi” incollati tra loro (per esempio, diversità di frequenza),
    • da un gruppo di impulsi ad un altro (il che è possibile solo ad alti tassi di ripetizione degli impulsi).
    Si usano anche combinazioni di diversi metodi.

Per esempio, il radar di controllo del traffico aereo ASR-910 genera un segnale multifrequenza sotto forma di due impulsi (uno su ogni frequenza) che si susseguono in un tempo molto breve (diversità di frequenza). Il radar di difesa aerea RRP-117 genera anche due frequenze diverse e utilizza la compressione degli impulsi. (Tuttavia, poiché gli spettri delle frequenze trasmesse si sovrappongono nella compressione degli impulsi, altre regole devono essere prese in considerazione).

La trasmissione successiva di più segnali ha i seguenti vantaggi rispetto alla trasmissione simultanea:

Un vantaggio importante della trasmissione simultanea multi-frequenza (diversità) è la sua alta resistenza alle interferenze. Questo è dovuto all'elaborazione "individuale" di ogni segnale (cioè ogni frequenza) su un canale di ricezione dedicato. L'aggiunta lineare delle componenti del segnale aumenta la probabilità di rilevamento del bersaglio e, in misura minore, la resistenza alle interferenze. La soluzione di moltiplicazione dell'ampiezza permette un aumento della capacità di anti-jamming piuttosto che un aumento della probabilità di rilevamento.

La ragione più comune data per giustificare la necessità di lavorare su due frequenze diverse con due trasmettitori (caso dell'ASR-910) è la ridondanza („Nel caso peggiore, quando uno dei miei trasmettitori si guasta, ho ancora l'altro!”). La portata massima di rilevamento è quindi ridotta al 70%[1] della portata massima del sistema quando entrambi i trasmettitori sono in funzione. Il fenomeno è spesso notato immediatamente dal controllore del traffico aereo, anche se in alcuni casi la sua origine è di natura diversa…

  1. Quarta radice delle perdite di 3 dB (metà della potenza trasmessa) più 2 a 2,8 dB di perdite supplementari dovute a problemi di fluttuazione dell'obiettivo.
Interruttore
Duplexer
Selettore di
frequenza
Ricevitore
f₂
Ricevitore
f₁
Linea di
ritardo
Aggiunta
Aggiunta
Moltipli-
cazione
Trasmet-
titore f₁
Trasmet-
titore f₂
Modulatore
Modulatore
Generatore di
sincronizzazione

Figura 1: principio di funzionamento del radar a diversità di frequenza

Descrizione del funzionamento dei blocchi nel diagramma

Generatore di sincronizzazione

Questo generatore fornisce il segnale che sincronizza la trasmissione degli impulsi, il display e altri circuiti associati.

Modulatore

Il modulatore genera, da una fonte di tensione molto alta, l'impulso che ecciterà il trasmettitore per la durata desiderata.

Trasmettitore

Il trasmettitore radar genera il segnale a microonde come un breve impulso ad alta potenza che viene irradiato nell'aria dall'antenna.

f1
f2
Precarica
per f1
Precarica
per f2

Figura 2: Interruttore

Interruttore
f1
f2
Precarica
per f1
Precarica
per f2

Figura 2: Interruttore

Interruttore

L'interruttore è in effetti un interruttore - selettore che permette di gestire la circolazione dei segnali a microonde. Quando è „passivo”, i segnali ricevuti sui suoi ingressi si trovano simultaneamente sulla sua unica uscita. Quando è „attivo”, per evitare la congestione sulla singola uscita, i segnali sono spostati nel tempo l'uno rispetto all'altro grazie a „porte temporali” (controllate per mezzo di impulsi come mostrato nel diagramma).

Poiché le permutazioni tra frequenze molto alte devono essere fatte molto rapidamente, l'interruttore utilizza la stessa tecnologia elettronica del duplexer.

Duplexer

Il duplexer collega l'antenna alternativamente al trasmettitore e al ricevitore, rendendo possibile l'uso di una sola antenna. Questa commutazione è necessaria per evitare che gli impulsi ad alta potenza trasmessi dal trasmettitore danneggino o distruggano il circuito del ricevitore (calibrato per elaborare segnali a bassissima potenza).

Antenna

L'antenna diffonde l'energia del trasmettitore nello spazio in un determinato volume e con l'efficienza desiderata. Il processo è lo stesso della ricezione, dove l'antenna raccoglie l'energia diffusa in un dato volume di spazio e con l'efficienza desiderata.

Selettore di frequenza

Il selettore di frequenza è un filtro adattato ad ogni frequenza trasmessa. Distribuisce gli echi ricevuti in ogni ricevitore secondo la loro frequenza.

Ricevitori

I ricevitori amplificano e demodulano i segnali a microonde ricevuti. Alla sua uscita, un ricevitore fornisce segnali video.

Linea di ritardo
f2  f1
oscilloscopio
tempo di ritardo

Figura 3: Linea di ritardo

f2  f1
oscilloscopio
tempo di ritardo

Figura 3: Linea di ritardo

In trasmissione, l'impulso f2 segue l'impulso f1 dopo un certo ritardo. Per annullare questo ritardo sulla ricezione (l'impulso f2 non andrà più veloce per recuperare, anche se lo chiediamo!), l'impulso f1 deve a sua volta essere ritardato esattamente della stessa quantità. L'elaborazione del segnale può quindi essere applicata a entrambi i segnali sincroni simultaneamente. Notate che il primo impulso trasmesso è rappresentato dal primo impulso visualizzato sull'oscilloscopio, cioè quello a sinistra dello schermo.

Elaborazione del segnale

Quando il radar utilizza diverse frequenze, ogni segnale viene elaborato dal proprio canale di ricezione (alla propria frequenza). I segnali sono poi combinati e tagliati ad un valore di soglia. Vengono utilizzati diversi tipi di elaborazione:

L'uso di una di queste tecniche permette di ottenere il trattamento più efficace. Tuttavia, è generalmente impossibile sapere quale viene usato per un dato sistema, poiché queste informazioni sono considerate altamente confidenziali.

Indicatore

L'indicatore dovrebbe fornire all'utente una rappresentazione grafica permanente e facilmente interpretabile della posizione relativa dei bersagli rilevati dal radar.