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Radar 2D, 3D o 4D?

Figura 1: Schema di un tipico radar 2D, un diagramma di Cosecans² rotante.

Figura 1: Schema di un tipico radar 2D, un fascio di tipo cosecante al quadrato rotante.

Radar 2D, 3D o 4D?

Radar 2D

Un radar di ricognizione deve scansionare uno spazio di una certa ampiezza intorno al radar alla ricerca di segnali di eco provenienti da aerei. Il suo diagrama d’antenna è adattato al compito da svolgere. Nella maggior parte dei casi, viene utilizzato uno diagrama a ventaglio rotante o uno fascio di tipo cosecante al quadrato rotante. Questa forma di scansione spaziale è chiamata radar 2D. Con questo tipo di radar è possibile misurare solo due coordinate per determinare la posizione. Due velivoli che volano uno sopra l’altro possono essere rilevati solo come un singolo bersaglio (ma più grande) con questo radar.

Per la terza coordinata, l’informazione sull’altitudine (come angolo di elevazione o come altitudine calcolata), all’inizio della tecnologia radar (intorno alla Seconda Guerra Mondiale e anche nel dopoguerra) due radar dovevano lavorare insieme. Un radar funzionava come radar omnidirezionale e il secondo radar era allora specializzato come cosiddetto radar per misurare l’altitudine. Entrambi i tipi di radar, quello a ricerca circolare e quello a ricerca di altezza, potevano misurare solo due coordinate ciascuno, quindi in entrambi i casi si trattava di radar 2D.

Nel caso delle apparecchiature radar utilizzate in ambito militare, il fattore costo gioca un ruolo piuttosto secondario. Per i radar di controllo del traffico aereo, invece, il radar non deve essere troppo costoso. Per questo motivo, per la ricognizione dello spazio aereo vengono solitamente utilizzati solo radar 2D. L’altitudine di volo viene fornita dal radar secondario.

Figura 2: Schema di una tipica unità radar 3D, una combinazione di rotazione elettronica veloce di un lobo matita e di rotazione meccanica.

Figura 2: Schema di una tipica unità radar 3D, una combinazione di rotazione elettronica veloce di un lobo matita e di rotazione meccanica.

Radar 3D

Quando le misure di tutte e tre le coordinate spaziali vengono effettuate all’interno di un’unica unità radar, si parla di radar 3D.

Una forma speciale di radar 3D è il radar meteorologico. Scansiona lo spazio con uno schema a spirale con un’antenna molto stretta in verticale e in orizzontale. Tuttavia, per un passaggio completo, con rotazione e rotazione dell’antenna in tutte le direzioni, sono necessari fino a 15 minuti. Questo tempo è fuori questione per un radar di ricognizione aereo, poiché gli aerei molto veloci possono coprire una distanza enorme in questi 15 minuti. Un aereo che viaggia alla velocità del suono percorre quasi 300 km in 15 minuti!

Il radar 3D per la ricognizione aerea richiedeva inizialmente un grande sforzo tecnico. Dovevano esistere diversi canali di ricezione in parallelo e l’antenna doveva fornire diversi schemi di ricezione. Un radar di questo tipo era, ad esempio, il Medium Power Radar (MPR), che oggi non è più in servizio. La sua enorme antenna parabolica aveva 36 radiatori a cono e formava un totale di 12 diversi schemi di ricezione stretti, che erano allineati uno sopra l’altro a diversi angoli di elevazione. Dalle informazioni su quale dei 12 canali di ricezione veniva elaborato il segnale di eco e in quale direzione puntavano i loro diagrammi, era possibile interpolare un angolo di elevazione esatto e calcolare l’altitudine del bersaglio in base alla distanza misurata. Nel caso della trasmissione, era necessario inviare una potenza di trasmissione estremamente elevata in tutte le 12 direzioni contemporaneamente. Pertanto, entrambi gli stadi di uscita del trasmettitore erano costituiti da klystron ad alta potenza pulsata che fornivano una potenza d’impulso fino a 20 megawatt.

I vecchi radar 3D con antenna phased array planare o solo lineare non trasmettono in tutte le direzioni per essere osservati simultaneamente. Queste antenne possono scansionare solo spazi all’interno di un settore limitato. In questo caso ci sono due possibilità: o l’antenna ruota con un angolo laterale e scansiona elettronicamente solo l’angolo di elevazione, oppure quattro antenne sono distribuite staticamente intorno a un vettore, ognuna delle quali copre solo 90°, ma consente un totale di 360° di ricognizione. In questo caso, anche quando trasmette, l’antenna trasmette solo in una certa direzione e poi attende il segnale di eco da questa direzione.

L’antenna rotante presenta uno svantaggio decisivo. Poiché i singoli angoli di elevazione vengono scansionati uno dopo l’altro nel tempo, l’antenna non deve ruotare troppo velocemente, in modo che il limitato budget di tempo non causi vuoti nella ricognizione. La versione con antenne statiche, invece, ha il vantaggio temporale che praticamente quattro radar scansionano lo spazio contemporaneamente e sono soggetti a un’unica elaborazione comune dei dati radar. In questo caso, il sistema radar può essere utilizzato in modo molto più flessibile e può assumere diversi compiti come un radar multifunzione. I radar moderni sono quindi sempre radar multifunzione.

Solo con la possibilità della formazione digitale del fascio e la conseguente elaborazione parallela di tutti i canali di ricezione questo problema temporale sarà completamente superato. Tuttavia, come nel caso dell’MPR, l’intera area da scansionare deve essere illuminata con l’energia trasmessa al momento della trasmissione. Con un’unica antenna a nido di corvo molto speciale, un brevetto dell’Istituto Fraunhofer per la fisica delle alte frequenze e la tecnologia radar (FHR), è stato possibile monitorare simultaneamente l’intero emisfero intorno al sito radar.

Esiste un radar 4D?

La quarta dimensione è talvolta definita fisicamente come tempo. Applicata alle coordinate del bersaglio di un radar, sarebbe la frequenza Doppler. Tuttavia, la frequenza Doppler viene misurata anche dai classici radar 2D senza che questi si trasformino in radar 3D. Poiché un radar 3D misura la frequenza Doppler come quarto parametro oltre all’angolo laterale, all’angolo di elevazione e alla distanza obliqua (e ogni radar di ricognizione moderno dovrebbe essere in grado di farlo), si suppone improvvisamente che sia un radar 4D?

Quindi il radar 4D è solo una parola d’ordine per promuovere le vendite che non ha nulla a che fare con la quarta dimensione.