MINISAR - Sistemi di osservazione tridimensionale in qualsiasi condizione di tempo per la gestione dei disastri naturali e la difesa del territorio:

Sviluppo del progetto


(>>>Le immagini si riferiscono alle fasi di montaggio del sistema radar e delle antenne a bordo dell'aereo P92 TECNAM>>>)

Il progetto miniSAR è terminato con una serie di missioni di sperimentazione che hanno comportato alcuni voli di test del sistema radar, effettuati sulla piana di Caiazzo in provincia di Caserta. (vai alla pagina  "risultati finali dei test di miniSAR").


Di seguito si fornisce una descrizione del funzionamento del sistema, della sua architettura generale, delle specifiche e prestazioni.

Modalità di funzionamento del sistema miniSAR
Il sistema miniSAR nasce per l’osservazione del territorio, più precisamente per applicazioni cartografiche e studio delle frane. Al fine di raggiungere tali obiettivi, occorre avere una mappa tridimensionale del luogo di interesse: si rende quindi necessaria una configurazione interferometrica.
Tale configurazione sfrutta il concetto di apertura sintetica per riuscire ad avere immagini a due dimensioni (azimuth e range) e quello di interferometria per risalire ad una stima della quota dei punti.

Architettura generale
L’architettura del sistema miniSAR è organizzata in sottosistemi.
Ognuno di essi è logicamente e fisicamente distinto dagli altri affinchè modifiche o aggiornamenti possano essere effettuati più facilmente.
Sono di seguito descritti i vari sottosistemi ed il modo in cui partecipano al funzionamento.

  • Antenna: Nella progettazione delle antenne, elemento molto critico del sistema, si è dovuto tener conto sia degli aspetti funzionali, sia di quelli relativi all’installazione ed alla compatibilità con il velivolo. Le antenne infatti sono oggetti di una certa dimensione, poste all'esterno della carlinga e, pertanto, interferiscono con le funzionalità aerodinamiche.
    L' Antenna del Minisar è basata su una configurazione planare ad array uniforme multi-layer di 32x3 elementi, che fisicamente si presenta come un parallelepipedo 20mmX700mmX180mm. Tale scelta è derivata dalle specifiche di apertura del fascio irradiato ed è stata completamente progettata con l'ausilio di simulatori elettronici, in collaborazione con il Prof. Giuseppe Di Massa del Dipartimento di Elettronica, Informatica e Sistemistica dell’Università della Calabria.
    Dopo vari studi congiunti tra aspetti aerodinamici ed elettronici si è arrivati ad una configurazione di volo ottimale, basata su una disposizione laterale ottenuta con una struttura ideata dalla Tecnam.
  • Antenna I/F : Tale sottosistema funge da interfaccia tra la sezione di trasmissione, quella di ricezione e l’antenna. Esso viene utilizzato per modificare la configurazione del sistema permettendo quindi di effettuare la calibrazione dello stesso.
  • CGU: Il sottosistema CGU (Chirp Generator Unit) viene comandato attraverso opportuni segnali di controllo e genera in uscita un segnale chirp che viene usato come impulso radar. La scelta di un segnale chirp è determinata dal fatto che esso svincola la banda del segnale dalla durata dello stesso e quindi la risoluzione in range del sistema dalla potenza del segnale trasmesso.
  • FGU: La FGU (Frequency Generator Unit) genera i segnali ad alta frequenza che vengono utilizzati dagli altri sottosistemi (CGU, UP e DOWN Conversion unit). Essa è quindi responsabile per la parte RF ed è questa unità che condiziona la frequenza della portante dell’impulso radar da trasmettere.
  • UP Converter: La UP Conversion Unit porta il segnale dalla banda base alla frequenza alla quale esso dovrà essere poi trasmesso. Esso dunque moltiplica il segnale d’ingresso per un segnale da alta frequenza ed effettua dei filtraggi che eliminano la banda immagine e, nello stesso tempo, attenuano il rumore fuoribanda.
  • TX : Il sottosistema TX ha il compito di amplificare il segnale in alta frequenza in maniera da poter ottenere, sull’eco radar, un rapporto segnale rumore (SNR) sufficiente per gli scopi che il sistema si prefigge.
  • DOWN Converter: La DOWN Conversion Unit porta il segnale in banda base. Esso dunque moltiplica il segnale d’ingresso per un segnale ad alta frequenza ed effettua dei filtraggi che eliminano la banda immagine e, nello stesso tempo, attenuano il rumore fuoribanda.
  • Acquisizione Dati: Il sottosistema Acquisizione Dati effettua essenzialmente un campionamento del segnale chirp di ritorno dall’antenna dopo che questo è stato riportato in banda base. Esso inoltre quantizza tali campioni al fine di poter poi memorizzare i dati ottenuti in digitale.
  • DP e Memorie: Questo sottosistema viene usato per memorizzare i dati provenienti dal sottosistema Acquisizione Dati aggiungendovi uno header che permette di conoscere la configurazione in quell’istante del sistema (aereo compreso) al fine di poter poi processare correttamente i dati. Tale processamento viene realizzato dal DP (Data Processor) che genera quindi l’immagine acquisita.
  • C&C: Il C&C (Command & Control) gestisce logicamente la tempificazione del sistema SAR. Esso, ad esempio, comanda l’accensione del chirp e quella del sistema TX, decide gli istanti di campionamento del segnale ricevuto e controlla il sistema di navigazione. Esso inoltre permette di cambiare la configurazione di miniSAR.
  • Navigazione: Il sottosistema di navigazione è indispensabile per il corretto processing dei dati ottenuti, in quanto esso fornisce informazioni circa la posizione nonché il movimento della piattaforma aerea su cui viene montato il sistema miniSAR. I dati da esso forniti sono raccolti negli header dei pacchetti dati e stivati nella memoria di massa del sistema.
  • POWER: Tale sottosistema gestisce la distribuzione dell’energia elettrica che serve per alimentare i vari sottosistemi attivi del sistema miniSAR.

Nella sottostante figura 1 è mostrata l’architettura generale del sistema.

Figura 1


Il segnale generato da una CGU (Chirp Generator Unit) viene inviato ad un sottosistema di Up Conversion che riceve il segnale in banda base e lo porta in alta frequenza.
Tale segnale viene quindi amplificato in maniera tale da soddisfare le specifiche tecniche sul segnale d’uscita tramite il sottosistema TX e quindi adattato al sottosistema antenna verso il quale il segnale è diretto. Tra il sottosistema TX e il sottosistema antenna è posto un ulteriore sottosistema chiamato antenna I/F che interfaccia, in trasmissione, il sottosistema TX con quello antenna e, in ricezione, indirizza il segnale proveniente dalle antenne verso la catena di ricezione.
Tale sottosistema inoltre amplifica il segnale d’ingresso filtrando, laddove possibile, il rumore fuori banda. Il segnale amplificato viene quindi riportato in bassa frequenza per mezzo del sottosistema Down Converter che poi passa il segnale in banda base al sottosistema che effettua il campionamento (Acquisizione Dati) e la memorizzazione dei dati.

Rimane da notare che le frequenze di controllo della CGU, dei sottosistemi di Up e Down Convertion e del sottosistema che eseguirà l’acquisizione dati sono generate da un sottosistema detto FGU (Frequency Generation Unit). Occorre ulteriormente notare che, sebbene siano stati mostrati a parte per lasciare chiaro il funzionamento del sistema, vi sono ancora vari sottosistemi.
Prima di tutto vi è il sottosistema POWER che alimenta tutti i sottosistemi attivi del sistema.
Vi è poi da considerare il sottosistema C&C (Command & Control) che gestisce le attivazioni dei vari sottosistemi e ne garantisce il sincronismo dando segnali di partenza e di fine o cambiando la configurazione del sistema.
Non si dimentichi che il sistema di memorizzazione dei dati acquisiti dovrà inserire uno header su ognuno dei pacchetti da elaborare. In questo header sono da salvare le informazioni riguardanti la posizione dell’aereo allo scopo di ridurre tali effetti (motion compensation) in fase di processing. Occorre pertanto un altro sottosistema (quello di Navigazione) che permette di avere tali informazioni relative all’aereo.


Specifiche e Prestazioni
In base ai requisiti applicativi originari del sistema, alle varianti effettuate in fase di progetto e realizzazione ed ai risultati effettivamente misurati dopo le ultime campagne, è stata redatta la seguente Tabella Specifiche di Sistema.


Tabella Specifiche di Sistema


Le principali caratteristiche che rendono il sistema flessibile sono la trasmissione stepped-chirped e la modalità di funzionamento in ping-pong.
Attualmente il sistema trasmette 4 chirp di 75 MHz di banda che possono essere utilizzati per produrre una immagine a 4 look (per applicazioni interferometriche) o una sola immagine ad alta risoluzione. Ogni PRF altri 4 chirp sono generati e trasmessi in maniera alternata alle due antenne (modalità in ping-pong). In questo modo è possibile ottenere una migliore risoluzione altimetrica nonostante la piccola baseline tra le antenne.

Modalità di calibrazione Il sistema dispone di una modalità di calibrazione che consente di misurare i ritardi e le distorsioni interne al sistema SAR al fine di poterli eliminare o compensare. Tale modalità consiste nell’acquisire sulla catena di ricezione il segnale che arriva direttamente dalla catena di trasmissione opportunamente attenuato. Dalla catena di calibrazione risulta quindi escluso il solo sottosistema antenna.
Una seconda modalità di calibrazione, detta "calibrazione rumore di antenna", consiste nell’acquisire il rumore proveniente dall’antenna in assenza di segnale d’ingresso.

>>> sul progetto MINISAR vai anche alla pagina del notiziario dell'Università di Napoli "Federico II"

Per approfondimenti contattare:

Gianni Alberti
giovanni.alberti@corista.eu
tel. 081 5935101