Ilaria Catapano

Ilaria Catapano

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Le applicazioni di sorveglianza radar si fondano essenzialmente sulle tecniche di rivelazione (target detection) e tracciamento (target tracking) dei bersagli. Le strategie di target detection consentono di definire in maniera sistematica un test di rivelazione attraverso cui è possibile distinguere l'eco radar di un bersaglio dal ritorno elettromagnetico proveniente dalla superficie marina (clutter). In uno scenario multitarget, però, tale procedura non è sufficiente per stabilire a quale bersaglio sia attribuibile una particolare rivelazione (misura). In aggiunta a questo, l'uscita di un algoritmo di detection è caratterizzata dalla presenza di falsi allarmi e/o mancate rivelazioni, che possono essere interpretate come rumore di misura e complicano ulteriormente la stima dello stato dei target. Per ovviare a tali problematiche si ricorre alle procedura di target tracking che, a partire da misure radar consecutive ed utilizzando algoritmi ricorsivi e logiche di associazione, consentono di definire univocamente le tracce contenenti lo stato dei bersagli.

Attualmente i ricercatori dell’IREA sono impegnati nello sviluppo di una tecnica innovativa per la detection di piccoli bersagli che si muovono ad elevate velocità ed in condizioni di mare agitato (small target). Tale attività rappresenta una sfida stimolante ed impegnativa, in quanto in tali condizioni i bersagli sono completamente immersi nel clutter e, quindi, invisibili al radar con tecniche di analisi convenzionali.

 


 
Attività di ricerca: Monitoraggio dello stato del mare

bersagli small

Il radar in banda X, utilizzato dai ricercatori dell’IREA per la stima dei parametri del mare e delle correnti superficiali, nasce principalmente per attività relative alla sorveglianza marittima.

 

Difatti, un'opportuna elaborazione dei dati in uscita da tali sistemi consente di stimare in tempo reale ed in modo accurato lo stato (posizione e velocità) dei bersagli fino ad una distanza di diverse decine di chilometri dal radar. Le elevate risoluzioni spaziali che caratterizzano i wave-radar consentono inoltre di ottenere informazioni anche riguardo la forma e la dimensione dei bersagli.

 

 

 


 
Attività di ricerca: Monitoraggio dello stato del mare

 


vento smallQuando il vento incide sulla superficie del mare trasmette parte della sua energia alle particelle d’acqua. Tale fenomeno dà luogo alla nascita di increspature sulla superficie marina, le cosiddette onde capillari, caratterizzate da una lunghezza d’onda dell’ordine dei centimetri. Inoltre, se l’azione del vento è persistente e con un’intensità superiore ai due/tre metri al secondo, l’ulteriore energia che viene trasmessa comporta la formazione di onde più grandi, le cosiddette onde di gravità. La capacità di osservare le onde di gravità sulle immagini radar in banda X è resa possibile dalla presenza delle onde capillari, le quali interagiscono in maniera costruttiva con le onde elettromagnetiche emesse dal radar. Di conseguenza, i parametri che caratterizzano i campi di vento (intensità e direzione) sono intrinsecamente contenuti nelle immagini radar di una superficie marina. Attraverso l'impiego di opportuni algoritmi, come quelli sviluppati all’IREA-CNR, è quindi possibile stimare tali quantità a partire da dati radar in banda X. In Figura  è mostrato un esempio di stima della direzione del vento da immagini radar in banda X.

 

 


 
Attività di ricerca: Monitoraggio dello stato del mare

 

monitoraggio da nave1

L'algoritmo di inversione, così come descritto in Figura, non consente di stimare i parametri del mare e le correnti superficiali se applicato a dati radar in banda X acquisiti durante la navigazione. In tal caso, infatti, il moto relativo tra la superficie del mare e l'imbarcazione comporta delle variazioni nello spettro del segnale da analizzare, determinando così il fallimento delle procedure standard di ricostruzione. A tal proposito, i ricercatori dell'IREA hanno sviluppato una tecnica innovativa ed efficace attraverso cui è possibile stimare in modo affidabile i parametri di interesse a valle della compensazione degli effetti indesiderati introdotti dal moto nave. 

Tale tecnica è stata ampiamente validata tramite numerose campagne di acquisizione dati in condizioni di mare differenti. Ad esempio, la figura seguente rappresenta la rotta di una nave su cui è stato istallato il sistema di monitoraggio del mare. I triangoli gialli rappresentano le zone individuate per il confronto tra gli spettri direzionali stimati dal radar in banda X e gli spettri direzionali ottenuti con il modello previsionale WW3 (Wave Watch 3) forniti dal Consorzio LAMMA. 
 
monitoraggio da nave2
 

 
Attività di ricerca: Monitoraggio dello stato del mare

 

piattaformaLe guide d’onda ARROW ibride sono state utilizzate dai ricercatori dell’IREA per la realizzazione di una piattaforma optofluidica per applicazioni sensoristiche. La piattaforma, schematizzata in figura, è stata realizzata utilizzando un approccio modulare. Il substrato inferiore in silicio costituisce il canale optofluidico di una guida ARROW convenzionale, mentre il substrato superiore è stato realizzato in PDMS e integra il sistema microfluidico. Per la fabbricazione della parte polimerica sono state utilizzate le tecniche della litografia soffice e della microfresatura. In particolare, la struttura in PDMS si compone di due layer posti l’uno sull’altro. Sul layer a sono state realizzate due ridges in PDMS, le quali, una volta inserite nel canale optofluidico, costituiscono il core solido di una guida d’onda ARROW ibrida (h-ARROW solida). Il layer a insieme al substrato di silicio realizzano complessivamente una guida liquida h-ARROW con integrate due guide solide h-ARROW, perfettamente allineate con il canale optofluidico. Due fori sono stati realizzati in corrispondenza delle ridges per creare la connessione microfluidica con il layer b. Il layer a è quindi parte del sistema microfluidico ma ha allo stesso tempo anche una funzione ottica. Il layer b è dedicato completamente alla microfluidica e integra un micromixer. Il chip è stato utilizzato per misure di fluorescenza, ottenendo una un limite di rivelazione di 2.5 nM. Il dispositivo realizzato offre i vantaggi di una rapida prototipizzazione e una grande versatilità. La parte polimerica, infatti, può essere facilmente sostituita e adattata a differenti schemi di rivelazione ottica.

risonatore ad anelloLe guide d’onda liquide ARROW sono state utilizzate dai ricercatori dell’IREA per realizzare un risonatore ad anello optofluidico integrato. Il risonatore presenta una forma rettangolare, una lunghezza totale di circa 167µm e un volume di liquido richiesto di circa 0.11nl. Per accoppiare la luce nella struttura ad anello è stato progettato un’ accoppiatore optofluidico di tipo MMI (basato su interferenza multimodale) . L’utilizzo di guide liquide ARROW permette di utilizzare il core per far fluire il liquido di sensing, conferendo al dispositivo un elevato grado di compattezza e di integrazione con la parte microfluidica. La caratterizzazione ottica del dispositivo ha dimostrato un fattore di qualità Q≈800, in buon accordo con i risultati numerici attesi.

optofluidic Mach-ZehnderUtilizzando guide d’onda liquide ARROW è stato progettato e fabbricato un interferometro Mach-Zenhder optofluidico integrato, con un’elevata visibilità. La geometria è stata opportunamente ottimizzata in modo da ridurre la differenza tra le intensità trasmesse dai due rami dell’interferometro, anche in caso di elevato sbilanciamento tra i cammini ottici. Il dispositivo è molto compatto, con una lunghezza di 2.5mm e un volume di fluido richiesto di circa 0.16nl. Due configurazioni Mach-Zehnder differenti sono state realizzate, corrispondenti a due diverse differenze di lunghezze ΔL. Nel particolare caso ΔL=200µm, dall’analisi dello spetro trasmesso è stato misurato un free spectral range (FSR) intorno a λ=640nm di FSR»1.48nm, in ottimo accordo con il valore atteso. La sensibilità di volume teorica di questo dispositivo è Δn=1x10-5 RIU alla lunghezza d’onda λ=635nm.

h-ARROWLe guide ARROW sono generalmente fabbricate utilizzando processi diffusi nella tecnologia in silicio, quali wafer-bonding o etching sacrificale. Utilizzando questi processi sono state fabbricate guide ARROW con buone prestazioni ottiche. Nel caso in cui il processo coinvolga un bonding tra due substrati di silicio, il core è realizzato in uno dei substrati mediante dry etching, seguito poi dalla deposizione chimica (o per strati atomici) degli strati di cladding. Va sottolineato che in questi casi l’integrazione della componente microfluidica prevede un etching molto profondo nei substrati di silicio, processo spesso molto lungo e dispendioso. Per queste ragioni negli ultimi anni stanno diventando sempre piu diffusi approcci innovativi per la realizzazione di dispositivi optofluidici, basati sull’utilizzo di materiali e tecnologie ibride. In particolare, l’utilizzo di materiali polimerici quali PMMA o PDMS per fabbricare la parte microfluidica, unitamente al silicio per fabbricare i componenti fotonici, offre notevoli vantaggi in termini di costo e di rapidità di realizzazione.  I dispositivi polimerici possono essere fabbricati impiegando tecniche di fabbricazione a basso costo quali la litografia “soffice” e la microfresatura.

In questo scenario, i ricercatori dell’IREA hanno recentemente dimostrato la possibilità di realizzare delle guide d’onda ibride di tipo ARROW (h-ARROW), ottenute sostituendo al substrato superiore in silicio un sottile strato di PDMS (figura). Dopo un’accurata progettazione, queste guide sono state fabbricate e caratterizzate otticamente, dimostrando la possibilità di ottenere un’attenuazione sul modo fondamentale di 6.9cm-1 alla lunghezza d’onda di 635nm. Questo risultato dimostra la fattibilità di guide d’onda ARROW ibride con attenuazione comparabile a quella delle guide ARROW convenzionali (realizzate completamente in silicio). Le guide h-ARROW sono state utilizzate per la realizzazione di una piattaforma optofluidica ibrida silicio-PDMS per applicazioni sensoristiche. Il vantaggio offerto dall’utilizzo di un approccio ibrido è stato dimostrato integrando nella parte polimerica un sistema microfluidico utile alla manipolazione del fluido sotto analisi.

ARROWLe guide d’onda a core liquido sono un esempio molto interessante di integrazione optofluidica. Il core di questa guida, infatti, presenta una doppia funzionalità poiché agisce anche da canale microfluidico, creando quindi una netta integrazione tra la componente microfluidica e quella ottica. Le guide d’onda a riflessione antirisonante (ARROW) appartengono a questa classe di guide. Nelle ARROW il confinamento della luce nel core è ottenuto attraverso un fenomeno interferenziale negli strati di cladding. Ognuno dei cladding è progettato opportunamente in modo da agire come uno specchio Fabry-Perot ad alta riflettività alla lunghezza d‘onda di progetto. Guide ARROW progettate con soli due stati di cladding sono state fabbricate e utilizzate con successo come elemento base nella realizzazione di strutture fotoniche più complesse (risonatori ad anello, interferometri Mach-Zehnder, filtri optofluidici). I materiali tipicamente utilizzati per la realizzazione degli strati di cladding sono nitruro di silicio e biossido di silicio (primo e secondo cladding, rispettivamente), poichè compatibili con i processi standard largamente utilizzati nei processi di microtecnologia.

I ricercatori dell’IREA hanno recentemente progettato e realizzato guide d’onda ARROW utilizzando la tecnica della deposizione mediante strati atomici (ALD) per la deposizione del primo strato di cladding. Grazie a questa tecnica è possibile la deposizione di strati di materiale molto sottili, uniformi e con un elevato grado di uniformità. Queste caratteristiche permettono di migliorare le prestazioni ottiche delle guide ARROW. Utilizzando l’ALD, il primo cladding è stato fabbricato deponendo un sottile strato biossido di titanio (75nm). Uno strato di cladding così sottile ha permesso di aumentare la larghezza di banda trasmessa dalle guide. L’attenuazione del modo fondamentale di 5.22cm-1 è stata misurata alla lunghezza d’onda di 635nm nel caso di una guida con core di acqua (5×10µm2).


MWSensor2Il controllo di qualità dell’acqua potabile è attualmente condotto principalmente attraverso periodiche analisi di laboratorio misurando parametri fisico-chimici di interesse. Queste tecniche sono generalmente complesse, costose e talvolta non adeguatamente sensibili o inadatte per misurazioni sul campo in tempo reale. Soluzioni tecnologiche in grado di produrre un monitoraggio continuo e segnali di allarme per il più ampio numero di inquinanti rappresentano una sfida impegnativa. Infatti, nessun singolo sistema è oggi in grado di rispondere pienamente alle esigenze delle industrie e degli enti regolatori nel fornire un’analisi in tempo reale delle proprietà dell'acqua con adeguato livello di sensibilità e con requisiti di portabilità e costi contenuti. Di conseguenza, la sfida scientifica e tecnologica riguarda lo sviluppo di nuovi dispositivi di monitoraggio in grado di soddisfare i requisiti sopra indicati e di essere eventualmente integrati in una piattaforma multi-sensore per il monitoraggio delle acque.

Il rilevamento di inquinanti mediante sensori a microonde è di interesse per il semplice utilizzo in condizioni reali e per la possibilità di eseguire un monitoraggio in tempo reale senza richiedere un pre-trattamento del liquido.

Nell’ambito del progetto nazionale Acquasense finanziato dal Ministero dello Sviluppo Economico, è stato sviluppato presso l’IREA-CNR un sensore risonante aspecifico con l’obiettivo di monitorare la qualità dell'acqua in tempo reale. Il sensore ha un costo relativamente basso ed è dotato di un sistema elettronico portatile in modo da poter essere facilmente installato sul campo. Il sistema può essere integrato in una piattaforma multi-sensore per il controllo dell’acqua e può essere convenientemente utilizzato per generare segnali di allarme indicanti la possibile presenza di contaminanti in modo da attivare successive misure tramite sensori specifici.

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