Radar
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Impieghi militari del radar
Il r. rimane uno degli strumenti principali utilizzati in ambito militare per la sorveglianza, la scoperta e l'ingaggio di bersagli nemici. Lo sviluppo tecnologico ha determinato un'ulteriore crescita delle prestazioni dei sistemi r., sia per l'affinamento delle tecnologie costruttive, sia per il potenziamento esponenziale delle capacità di calcolo dei computer associati ai r., che sono quindi in grado di estrarre una grande quantità di informazioni dai segnali di ritorno.
Nel settore della difesa aerea, i r. militari di sorveglianza hanno mutuato tutte le migliori caratteristiche dei r. primari di controllo del traffico aereo civile, quali, per es., l'altissima affidabilità e l'automazione, che ne consentono un impiego continuativo seppure in assenza di personale in loco.
Peraltro i limiti fisici determinati dalla collocazione a terra dei r. di sorveglianza sta spingendo sempre più verso l'utilizzo di r. aerotrasportati, oppure montati su piattaforme ad ala rotante. Si realizzano in tal modo i r. da allarme precoce, giacché con questi è possibile scoprire bersagli in volo a bassa quota anche oltre l'orizzonte.
Dopo l'adozione del sistema AWACS (Airborne Warning and Control System) da parte di Stati Uniti, NATO (North Atlantic Treaty Organisation), Arabia Saudita, Regno Unito e Francia, altri Paesi hanno acquisito r. da allarme precoce aerotrasportati, in genere con caratteristiche meno spinte e montati su velivoli di minori dimensioni, quali i Boeing 737 o gli ERJ-145 (Embraer's Regional Jet).
L'Italia ha adottato il sistema EH-101/HEW (European Helicopter/Heliborne Early Warning), basato su un elicottero EH-101 dotato di un sofisticato r. da allarme precoce, tipo HEW 784, per l'impiego da bordo delle Unità maggiori della Marina militare.
I velivoli e gli elicotteri da sorveglianza marittima più moderni adottano ormai in forma generalizzata r. ad apertura sintetica (SAR) e ad apertura sintetica-inversa (ISAR). Nel primo caso, lo spostamento del vettore che trasporta il r., associato a una particolare tecnica di elaborazione del segnale, fa sì che l'antenna del r. acquisti una sua dimensione virtuale (apertura sintetica) enormemente più grande di quella effettiva. Ciò permette un'ampiezza dell'area sorvegliata e una capacità di scoperta decisamente superiore. Anche i satelliti di telerilevamento e quelli di sorveglianza utilizzano in genere r. ad apertura sintetica.
Nel caso di modalità di funzionamento ISAR, è lo spostamento del bersaglio a essere elaborato opportunamente dai computer che sono associati al radar. Tutto questo permette un'elevatissima capacità di discriminazione dei bersagli, anche di quelli non cooperativi, fino alla loro identificazione per confronto con un database delle segnature r. di bersagli che sono stati già identificati.
Un altro parametro di distinzione nel funzionamento dei sistemi r. è quello relativo alla scansione. Questa è stata tradizionalmente di tipo meccanico; in altri termini, il trasmettitore viene meccanicamente orientato verso il bersaglio o l'area da coprire, in modo da concentrare la giusta quantità di energia elettromagnetica nella opportuna direzione. I r. più recenti utilizzano invece la cosiddetta scansione elettronica, ovvero la possibilità di indirizzare l'emissione elettromagnetica mediante un'opportuna modulazione dell'energia fornita all'elemento di trasmissione, cioè l'antenna.
La scansione elettronica offre numerosi vantaggi: eliminazione degli errori e dei guasti associati con lo spostamento meccanico dell'antenna; posizionamento pressoché immediato del fascio r. nella direzione voluta; netto incremento della flessibilità di utilizzo del sistema, che può svolgere diverse funzioni allo stesso tempo, quali la sorveglianza, il tracciamento e l'illuminazione del bersaglio.
In termini costruttivi, si stanno diffondendo i r. cosiddetti a schiera fasata (phased array). Si tratta di sistemi la cui antenna è composta da un'ampia schiera di dipoli, in pratica un gran numero di semplici, piccole antenne autonome. Queste potranno svolgere la funzione di ricezione (phased array passivi) oppure anche quella di trasmissione (phased array attivi).
La scansione elettronica associata alle antenne phased array offre enormi potenzialità di ricerca, scoperta e inseguimento multiplo dei bersagli. Un esempio particolarmente significativo di r. phased array è rappresentato dal sistema statunitense AN/SPY-1, associato al sistema di combattimento AEGIS (Advanced Electronic Guidance Information System) e installato in origine sugli incrociatori lanciamissili della marina militare statunitense, classe Ticonderoga (CG-47 e seguenti). Lo AN/SPY-1 è stato progressivamente migliorato, venendo installato nella versione 1D sui cacciatorpediniere classe Burke (DDG-51 e seguenti), nonché nella versione più leggera 1F sulle fregate spagnole classe F-100.
La prima caratteristica dello SPY-1 è la presenza di quattro antenne piane phased array, che sono montate in posizione fissa intorno alle sovrastrutture dell'unità navale. In tal modo, ciascuna antenna deve coprire solamente 90° di azimut. Il r. riesce pertanto a sorvegliare costantemente tutti i 360° di orizzonte attorno all'unità navale, senza alcuna interruzione dovuta alla periodica rotazione dell'antenna, come sui r. di precedente generazione.
Fra le caratteristiche più importanti dal punto di vista operativo, lo SPY-1 si caratterizza per la capacità di passare in tempi molto brevi dall'assenza di emissioni (r. spento) alla trasmissione alla massima potenza. Grazie al possente sistema di combattimento AEGIS, può svolgere contemporaneamente la sorveglianza anche a lunga distanza, la scoperta e il tracciamento di numerosi bersagli, nonché la guida dei missili antiaerei. In virtù dell'elevata potenza e flessibilità di impiego, lo SPY-1 è stato progressivamente adattato sia al ruolo di sensore di scoperta per la difesa contro missili balistici, per la quale è stato associato a un nuovo tipo di missile, sia a sensore idoneo alla scoperta aerea in ambiente litoraneo.
Fra le realizzazioni europee, si sta affermando il r. di origine italiana EMPAR (European Multifunction Phased Array Radar), di tipo phased array con antenna rotante. Sistema pienamente multifunzione, l'EMPAR costituisce il sensore principale delle unità navali italiane e francesi tipo Orizzonte, sulle quali assicura le funzioni di ricerca e sorveglianza tridimensionale a medio e corto raggio, il tracciamento contemporaneo di un elevato numero di bersagli e l'assistenza all'ingaggio condotto dai missili antiaerei e antimissile, mediante opportune trasmissioni di segnali di guida. L'EMPAR risulta particolarmente efficiente, malgrado le dimensioni nettamente inferiori rispetto allo SPY-1, giacché è in grado di ottimizzare la gestione dell'energia e del tempo disponibile, assegnando a ciascuna funzione (ricerca, tracciamento ecc.) la giusta quantità di risorse, in funzione delle priorità del momento.
Ai sistemi SPY-1 e EMPAR sono associate normalmente due tipologie differenti di missile antiaereo e antimissile. Il r. statunitense utilizza i missili della famiglia Standard SM-2, caratterizzati da un sistema di guida misto di tipo inerziale e semiattivo. In pratica, una volta identificato un bersaglio e tracciata la sua traiettoria grazie al r. SPY-1, il sistema di combattimento AEGIS trasmette le informazioni per l'intercettazione a uno o più missili tipo SM-2. Questi vengono lanciati in verticale, poi si dirigono autonomamente verso il punto previsto di impatto con il bersaglio. Durante il volo, la loro traiettoria può essere aggiornata mediante opportune trasmissioni attuate dallo SPY-1 (up-link). Infine, il r. della nave illumina il bersaglio con un proprio fascio elettromagnetico e il riflesso di quest'ultimo viene captato dal sensore del missile, che vi si dirigerà contro. Questa procedura riduce l'esigenza di illuminazione del bersaglio a pochi secondi, permettendo al r. SPY-1 di ingaggiare in sequenza molti bersagli, proprio grazie alla rapidissima capacità di spostare il puntamento delle proprie emissioni. Nel caso dell'EMPAR, inserito nel sistema PAAMS (Principal Anti-Air Missile System), i missili normalmente utilizzati sono del tipo ASTER 15 e ASTER 30. Questi seguono una sequenza d'ingaggio simile a quella degli SM-2, ma sono dotati di un proprio sensore r. attivo, capace di guidarli autonomamente fino all'impatto, sempre che il puntamento iniziale e gli aggiornamenti durante il volo tramite segnali di up-link generati dall'EMPAR abbiano portato il missile a distanza ravvicinata dal bersaglio. Questa soluzione incrementa ulteriormente il numero di bersagli che possono essere ingaggiati contemporaneamente, giacché il r. della nave non dovrà illuminare i bersagli per fornire la guida ai missili, ma dovrà solamente garantire loro una corretta traiettoria di avvicinamento.
Naturalmente non è solo il settore della difesa aeronavale ad aver beneficiato dei sensibili miglioramenti nelle prestazioni dei moderni radar. I più recenti velivoli da combattimento dispongono di sofisticati r. multifunzione, capaci di permettere loro sia la scoperta e l'ingaggio di bersagli aerei, sia la mappatura del terreno, la scoperta e l'ingaggio di bersagli terrestri e navali. Il caccia europeo EF-2000 Typhoon utilizza il sensore r. ECR-90 Captor, inizialmente ottimizzato per le funzioni aria-aria. Dotato di sistema di scansione meccanica, lo ECR-90 vanta un elevato raggio di scoperta e la possibilità di inseguire contemporaneamente una molteplicità di bersagli aerei, sia a lungo sia a breve raggio. Il caccia francese Rafale utilizza invece il r. RBE2 a scansione elettronica, ottimizzato sin dall'origine per svolgere indifferentemente le missioni aria-aria e quelle aria-suolo. I due velivoli europei potrebbero ricevere in futuro un r. comune, frutto di un programma di sviluppo destinato alla realizzazione di un sistema con antenna a scansione elettronica del tipo phased array attiva.
Nel caso dei nuovi velivoli statunitensi, l'F/A-22 Raptor utilizza il r. AN/APG-77 mentre l'F-35, in fase di sviluppo, impiegherà lo AN/APG-81. In entrambi i casi si tratta di r. estremamente sofisticati, a scansione elettronica e con antenna phased array attiva.
Nel settore terrestre, per es., sono sempre più diffusi i r. per il tiro controfuoco, ovvero quelli in grado di individuare in pochi istanti la traiettoria dei proiettili di artiglieria in volo, ricavarne il punto di partenza e dirigere pertanto il fuoco di controbatteria.
Nella sorveglianza del campo di battaglia, i r. sono impiegati sia da postazioni terrestri, in genere mobili e di piccole dimensioni, sia montati su aeromobili ad ala fissa e rotante. I primi sono utili per scoprire, anche in condizioni meteo avverse, la presenza di veicoli o truppe nemiche, prima che queste arrivino a distanza di ingaggio.
I r. aerotrasportati, inseriti in sistemi detti airborne ground surveillance, possono sorvegliare grandi estensioni di territorio, scoprendo i bersagli in movimento (funzione moving target indicator), in modo da segnalare preventivamente l'effettuazione di manovre complesse da parte del nemico. Dopo il successo dei primi esperimenti eseguiti con i prototipi del sistema AGS tipo E-8, durante la guerra del Golfo Persico del 1991, altri Paesi hanno deciso di sviluppare queste capacità e la NATO ha in corso un proprio programma AGS, che utilizzerà sensori installati su aeromobili commerciali e velivoli non pilotati a grande autonomia.
Naturalmente la scoperta di bersagli a terra presenta peculiari difficoltà tecniche, determinate in primo luogo dal riflesso del terreno che può facilmente mascherare la presenza dei bersagli.
Nondimeno, mediante l'utilizzo di appropriate frequenze di trasmissione e di sofisticate elaborazioni dei segnali ricevuti, alcuni r. possono scoprire bersagli posti anche sotto il livello del suolo (ground penetrating radar), quali bunker o depositi segreti, oppure nascosti in aree boschive (foliage penetrating radar).
Tuttavia, ogni modalità di funzionamento è soggetta ad apposite contromisure, di tipo sia passivo sia attivo. I r. possono essere resi meno efficienti mediante il ricorso ad apposite sagomature dei sistemi che si vuole rendere furtivi (stealth). In altri termini, se il bersaglio illuminato dalle onde elettromagnetiche del r. riflette i segnali in direzioni diverse da quelle di provenienza, la sua sezione trasversale (radar cross section), ovvero le dimensioni virtuali del segnale di ritorno, sarà drasticamente attenuata, e con essa la distanza e la probabilità della sua scoperta. Anche appositi materiali oppure vernici di rivestimento possono contribuire a ridurre la radar cross section, assorbendo una parte delle radiazioni elettromagnetiche incidenti, oppure facendone rimbalzare alcune con un ritardo che è pari alla metà della loro frequenza.
Il campo delle misure attive è più vasto e comprende misure di soft-kill e di hard-kill. Nel primo caso, i bersagli possono emettere dei segnali elettromagnetici capaci di saturare le capacità di ricezione dei r. di scoperta e di inseguimento. Tale tecnica, detta di jamming, può essere eseguita su un gran numero di frequenze contemporaneamente, in modo tale da generare un rumore elettromagnetico di fondo che può mascherare la presenza dei bersagli (noise jamming), oppure su frequenze specifiche, analoghe a quelle utilizzate dai r. (spot jamming). In questo caso, i r. più sofisticati possono tuttavia utilizzare proprio le trasmissioni dei dispositivi jammers per dirigere le proprie armi (home on jam).
Più sofisticata è l'azione cosiddetta di inganno (deception), cioè la trasmissione di segnali elettromagnetici capaci di alterare nel tempo e nello spazio il tracciamento dei bersagli da parte del radar. Si tende in tal caso non già a nascondere l'esistenza di un bersaglio, ma a deviare progressivamente le armi a esse dirette fino a portarle al di fuori dell'area di pericolosità.
Le misure di hard-kill antiradar consistono nella soppressione o distruzione dei r. nemici. Si parla di soppressione quando questi devono essere spenti, pena la loro distruzione, per il tempo necessario allo svolgimento della missione dell'attaccante. Sia la soppressione sia la distruzione si attuano in primo luogo mediante l'utilizzo di appositi sistemi antiradar, in genere missili capaci di dirigersi autonomamente sulle emissioni elettromagnetiche corrispondenti, per posizione, frequenza ecc., a quelle degli apparati nemici. A loro volta, i r. possono adottare modalità di funzionamento dette low probability of intercept (LPI), ovvero capaci di ridurre significativamente sia la distanza sia la probabilità di scoperta delle loro emissioni.
Nel caso di unità navali o velivoli con significative caratteristiche di furtività, l'adozione di r. LPI permette di svolgere la missione di sorveglianza con il r., senza perciò compromettere la sicurezza del vettore.
Radar meteorologici
Uno degli strumenti operativi più utili nel monitoraggio e nelle previsioni meteorologiche a brevissima scadenza (nowcasting) è costituito dal r. meteorologico.
Il r. meteo si basa ovviamente sull'emissione di un fascio di onde elettromagnetiche di determinata frequenza e sulla successiva analisi degli echi ricevuti: il prodotto principale è una mappa di riflettività, ovvero un diagramma che mostra le aree più riflettive, che possono essere costituite dalle particelle di acqua, ghiaccio o neve che costituiscono le nubi.
Il r. meteo si presta ormai a molteplici applicazioni operative, che dipendono sia dalle caratteristiche tecniche degli apparati (per es., i r. Doppler) sia dalle applicazioni sviluppate: monitoraggio in tempo reale di intensità di precipitazione, intensità del vento, presenza di grandine entro un determinato raggio; previsioni a brevissimo termine (fino a 2-3 ore), anche tramite estrapolazioni ragionate, di fenomeni temporaleschi associati a precipitazioni intense, grandine ecc.; migliore stima areale delle precipitazioni effettivamente cadute sul territorio, utilizzando in modo congiunto r. e rete di monitoraggio al suolo (stima che può essere utilizzata anche per fornire i dati di base ai modelli idrologici).
L'utilizzo di un solo r. comporta una serie di problematiche che ne limitano l'efficacia operativa. Tali problematiche sono in parte di natura tecnica e in parte di natura geografica e possono essere riassunte in quattro tipologie principali: attenuazione del fascio r. in presenza di precipitazioni particolarmente intense (ciò significa che il fascio r., nell'attraversare zone di precipitazione intensa, quali una cella temporalesca, viene smorzato e, di conseguenza, le precipitazioni presenti dietro all'ostacolo sono rilevate in forma molto indebolita, degradando la stima quantitativa della precipitazione stessa); analogamente in presenza di un ostacolo geografico, quale, per es., una montagna, il fascio r. viene bloccato, completamente o in parte, alle quote più basse impedendo una stima corretta della precipitazione dietro all'ostacolo (fenomeni conosciuti come shielding o blocking del fascio r.); parallelamente il fascio r. viene riflesso, oltre che dalla precipitazione incontrata lungo il percorso, anche dagli ostacoli artificiali quali edifici, rilievi e, in determinate condizioni atmosferiche, dal suolo stesso, generando echi di precipitazione falsi che vanno opportunamente interpretati e rimossi (fenomeni conosciuti come clutter e propagazione anomala del fascio); la presenza della curvatura terrestre limita il raggio utile del fascio r. in quanto, dopo un centinaio di chilometri, il fascio, che si propaga in maniera quasi rettilinea, si trova a una altezza dal suolo di qualche chilometro. In tale caso non vengono ben monitorati tutti i fenomeni di precipitazione che avvengono nello strato atmosferico prossimo al suolo.
Alle problematiche indicate si può ovviare solamente in parte, nel caso di un solo r., mediante l'utilizzo di raffinati algoritmi di calcolo e di procedure di interpolazione. Queste procedure permettono però un utilizzo qualitativo dei dati e non invece una precisa stima quantitativa delle precipitazioni.
Una soluzione molto più efficace proviene invece dall'impiego combinato di più r., dislocati in maniera opportuna. È evidente che, per es., i problemi connessi alla presenza di un ostacolo, sia esso geografico sia che si tratti di una cella di precipitazione intensa, vengono risolti combinando i dati provenienti dai r. con la migliore visibilità; analogamente l'effetto della curvatura terrestre viene attenuato mettendo insieme le varie portate utili dei singoli radar.
Inoltre la possibilità di ottenere una misura con più r. Doppler permette la ricostruzione completa del campo di vento, sia come intensità sia come direzione e verso, impossibile da fare con un singolo r. a meno di introdurre drastiche approssimazioni.
In Italia, recentemente e in linea con appositi provvedimenti normativi (direttiva p.c.m. 27 febbr. 2004), il Dipartimento della protezione civile ha promosso e finanziato un piano r. volto a integrare la rete del Servizio meteorologico dell'Aeronautica militare tramite l'acquisizione e l'installazione di una rete r. da parte delle Regioni, in modo tale da poter coprire l'intero territorio nazionale, anche mediante tecniche di mosaicatura le quali consentono di integrare le immagini di più radar.
A sua volta la rete nazionale è inserita in una rete europea, coordinata da Network of European Meteorological Services (EUMETNET), tramite un Programma di sviluppo OPERA (Operational Programme for the Exchange of weather Radar information). A esso aderiscono tutti i Paesi dell'Unione Europea e l'Italia vi è rappresentata dal Servizio Meteorologico dell'Aeronautica militare (v. Fig. 1).
La ricerca e la sperimentazione nei settori della meteorologia aeronautica-aeroportuale e del monitoraggio ambientale hanno dedicato particolare attenzione ai RWP (Radar Wind Profiler), sistemi altamente specializzati all'indagine a elevata risoluzione dell'andamento del campo di vento con la quota.
L'analisi dei dati, infatti, consente di misurare con grande precisione il vettore vento sulla propria verticale e di calcolarne la variazione, in termini di direzione e intensità, per distanze prefissate. La conseguente individuazione di valori particolarmente significativi di queste variazioni permette di condurre, in una dimensione spaziale, quella verticale, un'azione analoga a quella che fa un anemometro, nella dimensione temporale, quando rileva raffiche di vento. Queste informazioni sono particolarmente richieste nei settori della meteorologia aeronautica-aeroportuale e del monitoraggio ambientale. A livello aeroportuale, infatti, è ben nota la pericolosità, particolarmente in fase di atterraggio, della improvvisa e rapida variazione del vento con la quota (wind shear) per la potenziale perdita di portanza dell'aereo che essa può comportare. Così come, nel monitoraggio ambientale, è fondamentale conoscere la struttura tridimensionale del vento nei bassi strati se si vogliono simulare correttamente i fenomeni di diffusione e di dispersione degli inquinanti.