- Notizie storiche: Il funzionamento del radar si basa sulle leggi della riflessione della radiazione elettromagnetica, ovvero sulle equazioni che regolano il comportamento delle onde, enunciate nel 1864 da James Clerk Maxwell e confermate nel 1886 dagli esperimenti di Heinrich Hertz. Fu l'ingegnere tedesco Christian Hülsmeyer il primo a proporre l'uso degli echi radio per evitare collisioni nella navigazione marittima, mettendo a punto un radiolocalizzatore che brevettò nel 1904; in seguito, un dispositivo basato sul principio della localizzazione a mezzo di onde corte venne suggerito da Guglielmo Marconi nel 1922. Il primo esperimento riuscito di radiorilevamento a distanza venne effettuato due anni dopo, nel 1924, quando Edward Victor Appleton usò echi radio per determinare l'altitudine della ionosfera, lo strato ionizzato dell'alta atmosfera che riflette le radioonde più lunghe. L'anno seguente gli statunitensi Gregory Breit e Merle Antony Tuve misurarono, indipendentemente l'uno dall'altro, l'altitudine della ionosfera, e ottennero gli stessi valori sfruttando la tecnica a impulsi radio che successivamente sarebbe stata adottata nella maggior parte dei sistemi radar.
-Il primo sistema radar vero e proprio fu realizzato nel 1935 dal fisico britannico Robert Watson-Watt, del Dipartimento Radio del National physical laboratory. al quale era stato dato incarico di mettere a punto un sistema di localizzazione degli aerei nemici. Il sistema, basato su impulsi radio, venne subito adottato e fu il primo sistema di difesa antiaerea britannico. All'incirca nello stesso periodo, anche presso il Naval research laboratory degli Stati Uniti si procedeva a studi su sistemi di rivelazione aerea a mezzo di onde radio. Nel 1939, due scienziati britannici, il fisico Henry Boot e il biofisico John T. Randall, furono artefici del più importante progresso raggiunto nella tecnologia del radar durante la seconda guerra mondiale, con l'invenzione del tubo elettronico detto "magnetron a cavità risonante". Il dispositivo, capace di generare potentissimi impulsi radio ad alta frequenza, permise lo sviluppo del radar a microonde, che opera con onde di lunghezza d'onda inferiore a 1 cm, prodotte da strumenti laser. Il radar a microonde, chiamato anche "lidar" (Light Detection And Ranging, rivelazione e misurazione di distanza per mezzo di luce), è oggi usato per le comunicazioni e per la misurazione dell'inquinamento atmosferico.
Gli avanzati sistemi radar realizzati dai britannici negli anni Trenta svolsero un ruolo fondamentale nel corso della seconda guerra mondiale, in particolare nella battaglia d'Inghilterra, protrattasi dall'agosto all'ottobre del 1940. A tale epoca, gli inglesi avevano già dotato sia le loro navi che le coste dell'isola di numerosi sistemi radar antiaerei, che impedirono all'aviazione di Adolf Hitler di conquistare il controllo dei cieli inglesi. I belligeranti ricorsero spesso anche al sabotaggio dei sistemi radar nemici, attraverso interferenze appositamente prodotte. Il cosiddetto jamming del radar nemico veniva provocato essenzialmente per due vie: per via elettronica, ovvero attraverso la trasmissione su frequenze che interferivano con i ricevitori del nemico, o per via meccanica, attraverso la dispersione di oggetti (ad esempio foglietti d'alluminio) che producevano echi interferendo con la localizzazione dei bersagli strategici.
Schema e funzionamento di un radar:
Un apparecchio radar è formato da un trasmettitore, un'antenna, un ricevitore e un indicatore. Il trasmettitore invia le radioonde per mezzo di un'antenna direzionale, che le concentra in un fascio puntato nella direzione desiderata. Quando il fascio colpisce un oggetto, viene riflesso sotto forma di eco; il fascio riflesso ripercorre il cammino di andata in direzione del trasmettitore e viene rivelato dall'antenna del ricevitore. Mediante un procedimento di amplificazione ed elaborazione computerizzata dell'eco, il ricevitore radar produce infine un segnale visivo su uno schermo. Detto t il tempo misurato tra l'istante di emissione del segnale e la ricezione dell'eco e v la velocità di propagazione delle onde (come tutte le componenti dello spettro elettromagnetico, la velocità delle radioonde nel vuoto è di circa 300.000 km/s), la distanza d tra l'oggetto e la stazione radar è d = vt/2.
Trasmettitori (i più moderni sono detti "magnetron"):
Un trasmettitore radar deve essere in grado di emettere fasci di notevole
intensità, affinché gli effetti di assorbimento che hanno
luogo durante la propagazione e al momento della riflessione non riducano
l'intensità del segnale a livelli non rivelabile. In generale,
l'intensità dell'eco può scendere a un miliardesimo di miliardesimo
di quella del segnale trasmesso. Il rilevamento di un'eco così
tenue, in presenza del fortissimo segnale di ricerca, pone un problema
tecnico solitamente risolto con il sistema a impulsi. Il trasmettitore
emette le radioonde a impulsi della durata variabile fra 0,1 e 5 microsecondi
(quindi il radar emette segnali in forma impulsiva), intervallati da periodi
di alcune centinaia o migliaia di microsecondi di "silenzio".
Per evitare interferenze tra il segnale trasmesso e l'eco, durante l'emissione
dell'impulso viene isolato il ricevitore e, tra un impulso e l'altro,
viene scollegato il trasmettitore (vedi poi Duty
Cycle).
Esistono però anche radar a onde persistenti, che trasmettono un
segnale continuo, non a impulsi. Il radar Doppler, ad esempio, è
un radar a onde persistenti che sfrutta l'effetto Doppler per misurare
la velocità di oggetti in movimento. Dal trasmettitore partono
radioonde di frequenza nota, che l'oggetto in movimento riflette a frequenza
diversa. Dal confronto tra la frequenza dell'eco e quella del segnale
trasmesso, è possibile risalire alla velocità del corpo
rispetto alla stazione di rilevamento. Per rilevare solo gli oggetti in
movimento, il ricevitore radar viene regolato in modo da respingere gli
echi che hanno la medesima frequenza del trasmettitore e amplificare quelli
di frequenza diversa. Apparecchi di questo tipo consentono, ad esempio,
di individuare veicoli in movimento nell'oscurità, e scopo sono
impiegati dalla polizia stradale per misurare la velocità delle
autovetture.
I radar a modulazione di frequenza (FM), più precisi di quelli
a impulsi ma di portata minore (la portata indica la distanza massima
a cui il radar è in grado di rilevare un corpo), trasmettono un
segnale continuo di frequenza uniformemente variabile. Nel lasso di tempo
necessario perché un segnale venga trasmesso, riflesso e ricevuto,
la frequenza di trasmissione cambia. La differenza tra la frequenza dell'eco
e quella del trasmettitore nell'istante della ricezione viene poi misurata
e convertita nella distanza fra oggetto e trasmettitore.
Un particolare tipo di trasmettitore: il magnetron
Il magnetron è il classico oscillatore per microonde usato in campo radaristico. Può generare impulsi di onde elettromagnetiche della potenza istantanea di alcuni megawatt nel campo di frequenza dei gigahertz. E’ costituito da un grosso cilindro in metallo forato, come indicato in figura, con un catodo al centro e un anodo che comprende tutta la struttura esterna. Tra anodo e catodo si applicano impulsi di forma rettangolare di alta tensione che determinano l’emissione di elettroni che dal catodo tendono ad avvicinarsi all’anodo e che la presenza di un intenso campo magnetico assiale costringe a percorrere traiettorie circolari all’interno dei numerosi fori cilindrici della struttura i quali sono opportunamente predisposti in modo da costituire dei risuonatori per microonde.
Duty Cycle
Vista la natura impulsiva del segnale il valore medio della potenza erogata nell’unità di tempo scende moltissimo rispetto ai valori di picco.
Ad esempio: t = 1 msec; (Durata dell’impulso)
T = 1 msec; (Periodo di ripetizione)
Per cui il Duty Cycle è:
La potenza media Pm è uguale alla potenza di picco Pp per il D.C.:
La potenza di picco di emissione di un radar può essere molto
forte, da 100 KW a 1000 KW ma quella media è molto inferiore, da
100 W a 1000 W.
Le antenne dei radar sono costituite generalmente da ampie superfici
paraboliche che possono ruotare in direzione della porzione di cielo o
di mare da esplorare. Una caratteristica necessaria al buon funzionamento
di un'antenna radar è la direzionalità, vale a dire la capacità
di emettere fasci stretti e molto ben collimati. La larghezza del fascio
prodotto è direttamente proporzionale alla lunghezza d'onda della
radiazione e inversamente proporzionale all'ampiezza dell'antenna, il
che implica che le antenne migliori sono quelle di grandi dimensioni.
Nelle unità radar mobili, l'impossibilità di adoperare antenne
di grandi dimensioni favorisce l'adozione dei radar a microonde, che sono
caratterizzati tra l'altro da una minore suscettibilità al rumore
e da una migliore risoluzione. Il movimento del fascio radar si ottiene
con un movimento periodico dell'antenna, detto scansione; la forma più
semplice di scansione comporta la rotazione lenta e continua dell'antenna.
I sistemi radar di terra usati per la rivelazione di velivoli aerei spesso
dispongono di due apparecchi radar distinti: uno effettua una scansione
orizzontale per individuare l'aereo e determinarne l'azimut, mentre l'altro
compie una scansione verticale per determinare l'angolo di elevazione.
Un ricevitore ideale deve poter amplificare e misurare segnali estremamente deboli ad altissima frequenza (dell'ordine dei 1000 MHz). Dal momento che non è stato ancora inventato un amplificatore mobile che possa svolgere in modo soddisfacente questa funzione, prima di essere amplificato, il segnale captato dall'antenna viene convertito a una frequenza minore, di circa 30 MHz. L'altissima frequenza del segnale radar richiede inoltre un oscillatore e un miscelatore molto più precisi di quelli usati nei comuni radioricevitori: per questo sono stati ideati circuiti speciali, che impiegano come oscillatori potentissimi tubi a microonde chiamati klystron. Il segnale così amplificato viene quindi inviato a un computer.
Elaborazione computerizzata del segnale:
La maggior parte dei radar moderni impiega un convertitore analogico-digitale per trasformare in forma binaria (vale a dire in combinazioni 1 e 0, comprensibili al sistema di elaborazione dei computer) i segnali analogici ricevuti. Prima della conversione, il segnale viene "filtrato", in modo da rimuovere il rumore e le componenti relative a oggetti indesiderati, e in modo da evidenziare i bersagli mobili; quindi viene separato in componenti di diversa frequenza, per mezzo di un trasformatore di frequenza. L'oggetto viene localizzato combinando i segnali provenienti da impulsi multipli.
Applicazioni:
Uno degli impieghi principali del radar è nel controllo del traffico
aereo, in cui consente di guidare i velivoli in fase di atterraggio e
di rilevare la rotta di quelli in volo.
Un altro uso importante dei sistemi radar è il monitoraggio dell'inquinamento
atmosferico, che rende possibile identificare diverse sostanze chimiche
e misurarne la concentrazione.
Altri dispositivi radar sono impiegati per il controllo del traffico e,
come già accennato, per misurare la velocità dei veicoli.
Un'esempio ne è l'autovelox della polizia stradale, il quale è
un altro tipo di radar a modulazione di frequenza funzionante sul principio
dell’effetto Doppler, particolarmente attrezzato per le misure di
velocità degli autoveicoli. In questo tipo di radar, ad onda continua,
la velocità dell’autoveicolo si ricava dalla differenza di
frequenza tra l’onda incidente e l’onda riflessa:
