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Tematiche

Progetto PNRA 2004-11.5


Tecnologie per la Glaciologia in Antartide, progettazione e realizzazione di uno Snowradar
Inizio:
2004
Fine:
Dicembre 2009
Sito Web:
http://www.pnra.it

Contesto scientifico

Lo studio approfondito delle variazioni della velocità di accumulo del ghiaccio è di fondamentale importanza nella determinazione del bilancio di massa della calotta Antartica. Dalle misurazioni effettuate nelle campagne passate si è notata l’ampia variabilità di questa velocità all’interno del continente Antartico rendendone necessaria una misura più accurata su larga scala.
La misura della velocità di accumulo del ghiaccio può essere ottenuta attraverso la conoscenza della profondità degli orizzonti isocroni noti. Inoltre la possibilità di seguire questi orizzonti attraverso ampie regioni dell’Antartide permetterà la creazione di mappe accurate dell’accumulo.
Il RADAR dovrà quindi investigare i primi duecento metri nel ghiaccio permettendo la discriminazione degli strati interni con una alta risoluzione (minore di 1m).
Per far questo occorre realizzare un Phase - Code RADAR nel quale l’impulso trasmesso viene codificato con un codice numerico bifase. Questo codice è ricercato nell’impulso ricevuto con una operazione di correlazione. Anche se la larghezza di banda del segnale diviene più ampia a causa della decodifica, questo aggiungerà al sistema un guadagno di processo che permetterà di raggiungere alte risoluzioni verticali con bassi rapporti segnale rumore anche con potenze trasmesse relativamente basse.
Il segnale ricevuto in antenna, dopo una doppia conversione in frequenza, viene separato nelle componenti in fase (I) ed in quadratura (Q). I due segnali I e Q vengono digitalizzati da un convertitore A/D a doppio canale e dal dominio del tempo, vengono trasformati nel dominio della frequenza per le operazioni di filtraggio, correlazione con il codice numerico trasmesso e integrazione in coerenza di fase. La traccia acquisita infine ritorna nel dominio del tempo con una trasformata di Fourier inversa e viene memorizzata su di un supporto rigido. Queste operazioni vengono eseguite in tempo reale (10 tracce al secondo) utilizzando un DSP opportunamente programmato.

Descrizione della ricerca

La ricerca si propone la progettazione e la realizzazione di un RADAR ad alta risoluzione per indagini superficiali nel ghiaccio. Alcune parti di questo RADAR saranno completamente sviluppate dalle unità operative del progetto, come: la catena trasmittente, i circuiti di controllo, il ricevitore. I punti fondamentali sono:

  • la progettazione e realizzazione di generatore di portante bifase con una frequenza di ripetizione e una larghezza di impulso programmabile. La frequenza della portante sarà in banda VHF - UHF (100 MHz - 400 MHz).
  • Il generatore del segnale continuo RF nel quale sarà codificato il codice, sarà basato su un dispositivo sintetizzatore PLL, con un divisore programmabile nella retroazione che permetterà di variare la frequenza della portante. Il riferimento del PLL sarà un oscillatore al quarzo ad alta stabilità che sarà l’oscillatore principale di tutto il RADAR.
  • La progettazione realizzazione di un ricevitore eterodina a doppia conversione, con controllo esterno di interdizione e una banda passante di circa 100 MHz. L’oscillatore locale, il codice e il "clock" del convertitore A/D, saranno derivati dall’oscillatore principale in modo da mantenere la coerenza di fase del segnale. Le due componenti demodulate in quadratura I e Q saranno compresse logaritmicamente prima della conversione digitale in modo da ottenere la necessaria dinamica. Il tempo di apertura del ricevitore sarà approssimativamente 2.5us che corrisponde ad una profondità di circa 200 m nel ghiaccio.

Un particolare studio sarà rivolto alla progettazione e costruzione delle antenne a larga banda (log-periodiche con guadagno maggiore di 6 dBi) da montare sotto le ali dell’aereo, che necessiteranno di un alloggiamento rigido adeguato in modo da aumentare l’aerodinamicità e renderle resistenti alle sollecitazioni meccaniche.
Il sistema di acquisizione a 8/16 bit avrà una frequenza di campionamento alla stessa frequenza della IF finale in modo da permettere la ricostruzione dei cambiamenti di fase generati dal codice numerico. L’elaborazione delle tracce acquisite saranno realizzate con una scheda DSP installata nel computer del RADAR direttamente connessa all’acquisitore.
Inoltre la macchina sarà completamente gestita tramite un PC con un software di controllo, visualizzazione e memorizzazione delle tracce acquisite.
Un GPS verrà utilizzato per ottenere informazioni sul tempo e posizione per ogni traccia acquisita.

Obiettivi

  1. Lo studio e la progettazione di un radar aerotrasportato a codifica di fase. Il radar opererà nel campo di frequenza VHF-UHF e sfrutterà le più avanzate tecniche di elaborazione "on-line" del segnale d’eco.
  2. Studio e progettazione meccanica ed elettrica delle antenne da installare sotto le ali di un aereo per arrivare a una certificazione dopo le fasi di test.
  3. Realizzazione e collaudo del prototipo e ingegnerizzazione del sistema costituito da antenne linee radar e parti meccaniche di supporto.
  4. Test finale dell’intero sistema al fine di ottenere una certificazione al volo.
  5. Esecuzione di una prima campagna di misura.

Le esperienze maturate dal gruppo saranno focalizzate anche nella preparazione di giovani talenti nazionali ed internazionali (necessari al completamento del progetto).

Metodologia di ricerca

Le principali funzioni del prototipo del radar ad impulsi VHF-UHF, in una prima fase di lavoro, verranno simulate attraverso elaborazioni eseguite con il computer. In particolare saranno studiati tutti gli algoritmi matematici che dovranno essere poi implementati sullo stesso sistema. Infatti, tutte le operazione di elaborazione "on-line" del segnale saranno eseguite in simulazione sia in linguaggio evoluto C++, sia in linguaggio Assembler. Con lo stesso criterio saranno simulati tutti i circuiti elettronici usando pacchetti software appropiati. Per la realizzazione del prototipo ci avvaliamo delle strutture disponibili nei laboratori di elettronica dell’ INGV e delle risorse professionali dei componenti dell’U.O.. Seguirà infine una fase di ingegnerizzazione usando la componentistica e le più avanzate tecniche realizzative. Specifiche avanzate tecniche RF saranno applicate per ottenere il migliore rapporto segnale rumore, basse interferenze e alti guadagni in un sistema a larga banda.
La fase di assemblaggio sarà effettuata accuratamente, rispettando le specifiche richieste per eliminare i disturbi RF. Particolare attenzione sarà rivolta all’eliminazione dei disturbi alle comunicazioni dell’aereo. Il collaudo sarà eseguito in laboratorio per passare poi a una fase di test in volo.
Necessariamente, data l’assoluta novità del sistema radar proposto rispetto ai RES "Radio Echo Sounding" e GPR "Ground Penetrating RADAR", dovranno essere sviluppate nuove metodologie, sia per l’acquisizione dei dati durante i rilevamenti da aereo, sia per l’elaborazione delle tracce radar nel post processing del segnale.

 


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