Principi di funzionamento

Il termine “radar” nasce come acronimo di RAdio Detection And Ranging, e definisce un dispositivo che trasmette un segnale a radiofrequenza (tipicamente nell’intervallo corrispondente alle microonde) verso un bersaglio e ne rileva l’eco riflessa; dal tempo impiegato dal segnale riflesso a raggiungere l’antenna è possibile calcolare la distanza del bersaglio. In un radar costiero il bersaglio è costituito dalle onde di gravità che si propagano sulla superficie di un bacino costiero; la sua applicabilità a un simile sistema è conseguenza della legge di Bragg, concepita originariamente per spiegare la diffrazione di raggi X da parte di un cristallo ma che può essere applicata a una superficie marina perturbata da onde di gravità. La superficie del mare, su cui incida una radiazione elettromagnetica di lunghezza d’onda appropriata generata da un dispositivo che si basa sul principio del radar, agisce come un reticolo di diffrazione; la radiazione riflessa dalla superficie si troverà in condizioni di interferenza costruttiva quando la lunghezza d’onda delle increspature della superficie marina e’ pari alla metà di quella della radiazione incidente emessa dallo strumento (fig. 1).

Fig. 1: risonanza di Bragg da parte della superficie del mare (adattata da BARRICK, EVANS & WEBER, 1977: Ocean surface currents mapped by radar, Science, 198, 138–144).
Si ha interferenza costruttiva del segnale retroriflesso dalle onde di gravità superficiali quando L= λ / 2, con L = lunghezza d’onda delle onde di gravità superficiali e λ = lunghezza d’onda del segnale elettromagnetico trasmesso dal radar

Lo spettro delle onde di gravità che si sviluppano in bacini costieri presenta caratteristiche di una certa universalità, e le frequenze di lavoro dei radar costieri sono generalmente racchiuse in un intervallo che ottimizza la probabilità di riflessione da parte delle onde stesse. All’interno di questo intervallo, la scelta della frequenza di lavoro e’ dettata da considerazioni sulla portata e sulla risoluzione desiderate (v. tabella 1).


* la distanza massima diminuisce fortemente durante la notte per l’aumento del rumore elettromagnetico esterno
** 300 m – 1 km nel caso di sistemi ad alta risoluzione

Tabella 1: distanza massima di misura e risoluzione di un radar costiero
(i valori qui riportati sono valori tipici diffusi dalla CODAR OS per il sistema SeaSonde. I valori effettivi dipendono, oltre che dalla frequenza, dall’ubicazione delle antenne riceventi e trasmittenti, dalla loro vicinanza all’acqua, dalla eventuale presenza di ostacoli, nonché da vari fattori ambientali che vanno dal rumore elettromagnetico presente allo stato del mare e del correnti in occasione della misura).

Il working range è determinato dal rapporto segnale-rumore che dipende dall’attenuazione del segnale dovuta alla propagazione attraverso l’aria e su varie superfici, e dalla rugosità e dalla conducibilità della superficie del mare. Nelle due figure che seguono si può osservare l’andamento del working range a diverse frequenze e in relazione all’attenuazione del segnale trasmesso. In figura 2a l’attenuazione rispetto al range viene studiata prendendo in esame una frequenza di 25 MHz, mentre in figura 2b è stata scelta una conducibilità di 4 AV-1m-1.

Fig. 2: attenuazione di un segnale in HF in funzione della conducibilità (fig. 2a) e della frequenza (fig. 2b)

Nonostante la crescente attenuazione, alte frequenze in trasmissione sono comunque preferibili per l’assenza di interferenze del segnale con emissioni radio di tipo VHS.

Inoltre la conducibilità dell’acqua di mare e la temperatura giocano un ruolo importante nell’attenuazione del segnale. In ogni caso le temperature e la salinità tipiche della zona in esame per questo esperimento non creano limitazioni al working range. In tabella 2 si possono osservare le relazioni che legano il working range alla salinità (conducibilità) e alla frequenza di segnale emesso.

Tabella 2 (dal sito dell' Università di Amburgo)

f0 = frequenza del radar
PBragg = periodo di Bragg dell’onda marina
WBragg = lunghezza di Bragg dell’onda marina
R8 = working range a salinità 8 PSU
R16 = working range a salinità 16 PSU
R35 = working range a salinità 35 PSU
Ropt = working range a salinità 35 PSU, stato del mare ottimale
Rmin = working range a salinità 35 PSU, mare grosso
Rresol = maggiore risoluzione possibile

Nel caso in cui le onde superficiali responsabili della riflessione del segnale radar fossero stazionarie, il segnale ricevuto dalla singola stazione ricetrasmittente avrebbe le caratteristiche teoriche sopracitate. In realtà, queste onde non sono mai stazionarie, ma si propagano, rispetto all’antenna ricetrasmittente di ogni singola stazione, in avvicinamento o in allontanamento. Questo indurrà una variazione della frequenza del segnale ricevuto dovuto a effetto Doppler, e in particolare un aumento della frequenza per i treni d’onda in avvicinamento e una diminuzione per quelli in allontanamento (fig. 3a). Se poi le onde sono sovrapposte a un campo di velocità superficiale, la frequenza del segnale di ritorno subisce un ulteriore spostamento Doppler indotto dalla componente radiale della corrente (in avvicinamento o in allontanamento) rispetto alla stazione ricevente (fig. 3b).


Fig. 3: effetto Doppler dovuto a propagazione delle onde e correnti superficiali
(a) Spostamento Doppler del segnale retroriflesso indotto dalla propagazione in avvicinamento (segno +) o in allontanamento (segno -) dal sito radar delle onde di gravita’ superficiali, dato da ± δf = ± 2n / l; n è la velocità radiale delle onde di gravita’ superficiali rispetto alla stazione ricetrasmittente
(b) Ulteriore spostamento Doppler Δf dovuto alla presenza di una corrente superficiale in avvicinamento alla stazione ricetrasmittente.
Il picco centrale corrisponde al segnale trasmesso.

Questo effetto, che rappresenta il centro dell’interesse quando si utilizza un radar costiero per la misura delle correnti superficiali, e’ relativamente semplice da quantificare, e se si dispone di almeno due stazioni ricetrasmittenti e’ possibile procedere alla combinazione vettoriale delle componenti radiali, e ricavare il campo di corrente superficiale nella zona in esame.