Fig.1: Schema a blocchi del glacio radar.
Fig.2: Strumentazione radar montata sull'aereo.
Fig.3: Impulso radar codificato in fase.
Dal 1997, l'Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) in Italia è stato coinvolto nella progettazione e sviluppo del sistema RES da aereo denominato Glacio RADAR, tuttora in continuo miglioramento [1]. Per il rilevamento nelle regioni antartiche, Glacio RADAR (fig. 2) viene montato su un aereo DE HAVILLAND DHC-6 Twin Otter , che vola ad un'altitudine ottimale di 1000 piedi (circa 300 m) sopra la superficie del ghiaccio. Durante diverse spedizioni antartiche italiane (1997, 1999, 2001 e 2003) è stata raccolta una grande quantità di dati, con oltre 60.000 km di voli (vedi mappe) nella parte orientale dell'Antartide e attorno alla base italiana Mario Zucchelli e alla base italo-francese stazione Dome Concordia.
GLACIO RADAR SYSTEM: Il Glacio RADAR utilizzato durante le spedizioni antartiche italiane del 1997 e del 2003 (fig. 1), opera a 60 MHz con un'ampiezza dell'impulso di inviluppo variabile tra 0,3 s e 1 s. Il generatore del segnale trasmesso è stato sviluppato utilizzando un sintetizzatore di frequenza Phase Lock Loop (PLL), in grado di sintetizzare frequenze da 40 MHz a 75 MHz con un passo di 1 kHz. In questo modo è stato possibile regolare con precisione la frequenza portante per ridurre la potenza riflessa dall'antenna a causa di possibili disadattamenti.
Il sistema di antenne è costituito da due dipoli ripiegati filari e sfruttano le ali dell'aereo come riflettori per aumentare il guadagno.
L'amplificatore pulsato di potenza da 4 kW ci permette di ottenere un segnale eco rilevabile all'ingresso del ricevitore. Il tempo di ascolto del ricevitore è impostato a 51,2 µs nel 1997 e 64 µs nel 1999 e di conseguenza la profondità massima di penetrazione nel ghiaccio è stata di circa 4,3 km nel 1997 e 5,3 km dal 1999 questo ci ha permesso di analizzare le zone più profonde dell'Antartide.
Il ricevitore è costituito da un rilevatore di inviluppo logaritmico a basso rumore con una gamma dinamica di 80 dB. Il sistema di acquisizione utilizza circuiti integrati ad alta velocità e convertitori ADC flash. Il segnale ricevuto viene digitalizzato (8 bit) alla frequenza di campionamento di 20 MHz con un errore nella misura del tempo della riflessione ricevuta di circa 50 ns.
La sensibilità del ricevitore è di -100 dBm, sufficiente per rilevare i segnali che subiscono una forte attenuazione (di circa 160 dB) principalmente dovuta dalla dispersione superficiale alle varie interfacce interne, disomogeneità di volume del ghiaccio, attenuazione geometrica e assorbimento del mezzo ecc...
La frequenza di ripetizione dell'impulso trasmesso (PRR) è di 100 tracce/secondo e per aumentare il rapporto segnale/rumore, la traccia media viene calcolata ogni dieci tracce ricevute. La risoluzione orizzontale è di 7 m/traccia ad una velocità media di volo di 100 - 120 kt (185 - 220 km/h).
L'errore verticale di posizionamento è di ± 4,2 m [1] che è compatibile con un tempo di campionamento di 50 ns, mentre l'intervallo è acquisito con 1280 campioni digitalizzati per traccia.
Il software della scheda di acquisizione, è stato sviluppato in linguaggio C++ e consente una facile gestione dei dati. Il software prevede anche l'acquisizione dei dati GPS tramite la porta seriale RS232 in modo che ogni file di dati abbia una propria intestazione e coda che specificano la posizione (longitudine, latitudine, altezza) e il tempo del rilevamento. La posizione delle tracce radar è stata ottenuta da un sistema di posizione globale (GPS) Trimble 4000 SSE (frequenza L1 e L2), con un'antenna geodetica montata sulla fusoliera e sincronizzata con l'acquisizione radar. La precisione nelle coordinate x, y utilizzate per georeferenziare i dati radar era di ± 20 m (senza nessuna correzione differenziale pseudo-range).
Tutti i profili radar sono stati elaborati con un pacchetto software predisposto per il radio sondaggio. Lo spessore del ghiaccio è stato calcolato utilizzando una velocità di propagazione dell'onda elettromagnetica costante di 168 m/µs [2]. L'elevazione della superficie era basata sui dati dell'altimetro radar del satellite europeo di telerilevamento (ERS–1) [3]. L'elevazione del substrato roccioso è stata calcolata sottraendo lo spessore del ghiaccio dall'elevazione della superficie di ERS – 1.
Questo radar è stato impiegato in diverse spedizioni antartiche italiane (1997, 1999, 2001 e 2003) con continui miglioramenti nell'elettronica, nell'acquisizione e nell'elaborazione del segnale.
Due nuovi RADAR Glacio potenziati sono stati progettati e realizzati da INGV e saranno utilizzati nelle prossime campagne sfruttando nuove tecniche nell'elaborazione del segnale in tempo reale [4]. Per aumentare la risoluzione e le prestazioni generali del sistema, è stata ridotta la durata del sub-impulso del codice di inversione di fase di 180 gradi (fig. 3).
Le frequenze di lavoro dei nuovi radar a codifica di fase sono 150 MHz e 300 MHz consentendo un miglioramento significativo del sistema di antenna. Infatti, 4 dipoli ripiegati per ciascuna antenna costituiscono due phased array con un guadagno di 18 dBi che include l'effetto dei riflettori alari.