Radar: storia ed evoluzione di questa tecnologia diffusa in ogni ambito

Il termine Radar discende da una riduzione delle parole americane “Radio Detection And Ranking“, ovvero, radio rilevazione e posizionamento. Il concetto base del radar fu dimostrato per la prima volta mediante classici esperimenti condotti da un fisico tedesco, Heinrich Hertz dal 1885 al 1888. Herz verificò sperimentalmente la teoria dell’elettromagnetismo di Maxwell, pubblicata nel 1864. Sebbene i riconoscimenti che Hertz ebbe per il suo lavoro, non proseguì i suoi esperimenti.

La ricerca sulla detezione e localizzazione di oggetti riflessi, fu poi, sviluppata agli inizi del 1900 da un ingegnere tedesco, Christian Hulsmeyer che assemblò uno strumento oggi noto come radar monostatico (“single site”) e nel 1904 fu rilasciato un brevetto per un rivelatore di ostacoli e un apparecchio per la navigazione marittima in vari paesi. L’idea di Hulsmeyer non ebbe tuttavia, alcun seguito, soprattutto a causa della povertà tecnologica dell’epoca.

Guglelmo Marconi: precursore del sistema radar

Il primo che vide lucidamente le possibilità offerte dalle onde corte come mezzo di rivelazione di bersagli fu Guglielmo Marconi, osservando durante i suoi esperimenti che mediante onde radio è possibile rilevare obiettivi. Durante un discorso tenuto presso l’Institute of Radio Engineers (ora IEEE), nel 1922 egli disse:

Io ritengo che dovrebbe essere possibile progettare apparati per mezzo dei quali una nave possa diffondere onde in una direzione voluta e trovare un assieme di metallo come una nave opposta, tramite la ricezione su un recettore schermato rispetto al trasmettitore della nave trasmittente, indicando tempestivamente se un’altra nave sia presente, tramite la sua rilevazione nella nebbia e nel cattivo tempo.

Si dovette tuttavia, aspettare almeno un decennio prima che fossero affrontati in modo sistematico studi per realizzare l’apparato da lui descritto e almeno 15 anni prima che tali apparati funzionassero in modo soddisfacente.

Radar ad inpulsi: prime applicazione e ricerche di inizio 1900

La prima applicazione della tecnica ad impulsi nella misura della distanza si è avuta nelle esperienze di Breit e Tuve nel 1925, per determinare l’altezza della ionosfera, mentre solo agli inizi degli anni ’30 si hanno le prime rivelazioni di oggetti (spesso solo casuali). L’ente che si è sobbarcato l’onere finanziario di questa prima fase è stato il Naval Research Laboratory: non essendoci un interesse immediato, gli studi sono proceduti a rilento e il primo apparato brevettato risale al 1934, di tipo ad onda continua, date le difficoltà pratiche incontrate nella realizzazione di radar ad impulsi.

I primi apparati ad impulsi risalgono al 1936, con frequenza di funzionamento di 28.3MHz e durata di impulso di 5 secondi. La portata, che inizialmente era solo di 2.5 miglia venne portata in pochi mesi a 25 miglia. Un nuovo impulso all’evolversi della tecnologia di questi radar si ottenne con lo sviluppo di tubi ad alta potenza; risale tuttavia al 1941 l’installazione di una serie di radar ad impulsi sulle unità maggiori della U.S.Navy. Gli altri paesi nei quali si svilupparono studi e ricerche sulla realizzazione di apparati radar sono l’Italia, l’Inghilterra, la Germania. Anche in Francia iniziarono studi indipendenti ma furono interrotti a causa di rovesci subiti agli inizi della seconda guerra mondiale.

Applicazione dei sistemi radar durante la seconda guerra mondiale

I tedeschi arrivarono alla costruzione di ottimi apparati radar durante la guerra, che però non svolsero la funzione determinante dei radar americani ed inglesi, probabilmente a causa di valutazioni diverse (ed errate) dello Stato Maggiore tedesco sullo sviluppo della guerra. La storia del radar inglese merita un cenno a parte, in quanto tale paese ha investito ingenti mezzi nello sviluppo di tali apparati, portandolo in pochi anni ad un livello analogo a quello raggiunto dagli Stati Uniti.

Tale sforzo è stato dovuto oltre alla lungimiranza dei suoi governanti, alla particolare posizione geografica in cui si trova l’Inghilterra, vulnerabile ad attacchi tedeschi pertanto nel 1935 il governo accetta di investire per la prima volta nelle ricerche nel settore della radaristica. Il primo prototipo ad onda continua si realizza alla fine del 1935 mentre i primi prototipi di radar ad impulsi in frequenza di 25 MHz risalgono al 1936 e nel 1939 su quella di 200 MHz. Nella metà del 1940, a seguito delle alleanze con gli americani, ci fu un trasferimento di conoscenze tecniche che accelerò la realizzazione della tecnologia. Un contributo fondamentale è stato comunque dato dalla realizzazione del magnetron a cavità multiple, costruito dagli inglesi Randall e Boote.

Il panorama italiano

Per quanto riguarda Russia e Giappone, probabilmente questi Stati non si impegnarono in modo concreto nello studio e realizzazione pratica di apparati radar. Così come per questi due stati anche l’Italia non riscosse lo stesso successo degli U.S.A. e dell’Inghilterra, soprattutto a causa della miopia dei governanti dell’epoca e non tanto perché in Italia non era avviata una ricerca in campo radar. Nel 1933 Marconi, in un’esperienza fatta alla presenza delle autorità militari italiane, dimostrò la possibilità di rivelare ostacoli mediante la riflessione di onde elettromagnetiche.

Dopo gli esperimenti di Marconi, nel 1935 fu rilasciata una relazione al Comitato Interministeriale per i Servizi Militari Elettrici che riportava una ricerca di U. Tiberio intesa a chiarire “se e in qual modo gli apparati per il sondaggio ionosferico potessero adattarsi alla rivelazione di aerei e di navi a grande distanza”. Tale rapporto descriveva sia l’equazione teorica del radar in uno spazio libero che la caratterizzazione ed i dati di base per sistemi ad onda continua ed ad impulsi. I responsabili militari purtroppo, preferirono la costruzione di un incrociatore da 10000 tonnellate al finanziamento con mezzi e uomini adeguati del progetto: in pratica fino al 1940 l’unica persona che si è occupata del problema fu U. Tiberio.

Successivamente il 1935, il Regio Istituto Elettrotecnico e delle Comunicazioni, oggi Mariteleradar eseguì le prove e i primi prototipi a Livorno. Soltanto nel 1941, dopo il disastro subito nella battaglia navale di Capo Matapan, venne affidata alla ditta S.A.F.A.R. di Milano la commessa di perfezionare e costruire una prima serie di apparati ad impulsi. Purtroppo in mancanza di una industria nazionale elettronica e di personale tecnico adeguatamente preparato non permise di ottenere i risultati che si sarebbero potuti potenzialmente raggiungere. Il radar ad onda centimetrica degli anni 70 derivò da un ingentissimo sforzo finanziario compiuto dagli USA durante l’ultimo periodo bellico.

Il trattato di tecnica radar in 28 volumi pubblicato dal “Radiation Laboratory del Massachusetts Institute of Technology” dopo la guerra testimonia il progresso compiuto in quei pochi anni. Va osservato che l’attività di ricerca nel settore radar, essendo di alto interesse militare, è sempre stata oggetto di forti finanziamenti da parte dei vari enti militari anche dopo la fine della seconda guerra mondiale.

Interesse nelle ricerche spaziali ed evoluzione in ambito telecomunicazione

Un’altra notevole fonte di finanziamenti in questo campo è venuta successivamente al 1950 dalle ricerche spaziali. Tutto ciò spiega il continuo e veloce progresso realizzato fino ai nostri giorni, sia negli apparati radar, che nelle tecnologie connesse. Superato il periodo bellico in cui era imperativo costruire e subito, sono stati affrontati anche i molteplici aspetti teorici collegati con lo sviluppo di questo nuovo apparato, le cui soluzioni hanno portato notevoli benefici a discipline connesse, in primo luogo le telecomunicazioni. Alcuni degli aspetti teorici più significati affrontati dai radaristi sono stati:

• riduzione dell’effetto del rumore termico nell’elaborazione dell’eco di ritorno (filtro adattato);
• sviluppo ed applicazione sistematica della teoria della decisione e della stima;
• uso sistematico della teoria della probabilità, che fra l’altro ha portato allo sviluppo della moderna teoria statistica della comunicazione, applicazione della teoria dell’informazione al radar;
• sviluppo di tecniche digitali di elaborazione del segnale, che hanno portato al moderno DSP (Digital Signal Processing);
• sviluppo di tecniche ed architetture di calcolo sempre più veloci per l’elaborazione in tempo reale.

Dal punto di vista tecnologico vanno ricordati i progressi notevoli ottenuti nel campo delle antenne (fino alle moderne antenne a scansione elettronica o phased-arrays), nella generazione di potenza a frequenza sempre più elevata, nello sviluppo della tecnologia a microonde, ormai arrivata ai 100GHz (esempi di radar di tracking e radar a scoperta).

Forse la maggior rivoluzione rispetto agli anni ‘50 sta nella diversa concezione del radar, che da un semplice strumento che doveva rilevare la presenza o meno di un eventuale bersaglio è considerato sempre più come un vero e proprio sensore dello spazio circostante, in grado quindi di fornire una molteplicità di informazioni, prima impensabili. Questa nuova filosofia ha imposto ai ricercatori di sviluppare tutte le tecniche che consentissero al radar di ottemperare a questa nuova funzione. Da questo punto di vista forse i risultati più rilevanti sono stati l’uso massiccio dell’elaborazione numerica e dei calcolatori (il radar diventa un sensore automatico che stima in tempo reale le caratteristiche dell’ambiente circostante, adattandosi ad esse).

A cura di Rossella Miele