El railSAR , también conocido como radar de apertura sintética de penetración de follaje de banda ultra ancha (UWB FOPEN SAR), es un sistema de radar de impulso de baja frecuencia guiado por rieles que puede detectar y discernir objetos objetivo ocultos detrás del follaje. [1] [2] Fue diseñado y desarrollado por el Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. (ARL) a principios de la década de 1990 con el fin de demostrar las capacidades de un SAR aerotransportado para la penetración del follaje y el suelo . [3] Sin embargo, dado que realizar mediciones precisas y repetibles en una plataforma aérea era desafiante y costoso, el railSAR se construyó en la azotea de un edificio de cuatro pisos dentro del complejo del Laboratorio de Investigación del Ejército a lo largo de una pista nivelada por láser de 104 metros. [1] [4]
En ese momento, el railSAR se encontraba en la categoría más alta de sistemas de radar UWB , operando en una banda de 950 MHz de ancho desde 40 MHz a 1 GHz con una fuerza de pulso de 2,5 megavatios. [1] [3] [4] Proporcionaba datos de radar totalmente polarimétricos y de alta resolución y poseía un ancho de banda del 185% en comparación con otros sistemas de radar que tenían menos del 25% de ancho de banda. [1] [5]
Las aplicaciones de la tecnología railSAR varían desde usos militares, como la detección de minas terrestres y objetivos estacionarios ocultos con fines de reconocimiento , hasta usos comerciales, incluida la detección de cables y tuberías, mediciones de niveles de petróleo y agua, y remediación ambiental . [6]
El desarrollo del railSAR comenzó en 1988 como parte de un programa de investigación exploratoria cuyo objetivo era crear una tecnología que pudiera detectar objetivos camuflados u ocultos por árboles y follaje. [6] [7] Si bien los primeros esfuerzos enfrentaron desafíos considerables, los avances en la tecnología de conversión de analógico a digital (A/D) , la tecnología de fuentes y la potencia de procesamiento de señales permitieron a los investigadores del ARL producir un sistema realizable y comprender mejor el follaje y el radar de penetración terrestre. La atención se centró particularmente en analizar la fenomenología básica del radar de impulsos, especialmente los efectos de propagación de los objetivos, el ruido y los objetivos incrustados en el ruido. [6]
El railSAR tenía cuatro antenas de bocina TEM lineales de 200 ohmios de 1,35 m (4,5 pies) de largo, dos para transmisión y dos para recepción, montadas en un marco giratorio no conductor que estaba anclado en una placa articulada construida con panal de aluminio y cubierta con espuma anecoica. Las dos antenas de transmisión estaban polarizadas linealmente a ±45 grados, y las dos antenas de recepción tenían un preamplificador de bajo ruido y un protector de receptor de diodo PIN . El diseño de la antena fue producido originalmente por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) . Una sección de placa paralela cargada resistivamente de 0,5 metros adicionales en el extremo radiante de las antenas mejoró la pérdida de retorno en las frecuencias altas al absorber parte de la energía en la apertura abierta. Un transmisor de impulsos detrás del conjunto de antena sirvió para cargar la antena y descargarla mediante el uso de una cápsula de lengüeta presurizada con hidrógeno para formar el pulso transmitido. [1] [8]
Un sistema basado en una matriz de puertas programable diseñado por ARL, conocido como circuito de control y sincronización (T&C), proporcionaba señales de control a los transmisores y a los protectores de los receptores. También servía para reducir eficazmente la interferencia de otros transmisores y, al mismo tiempo, garantizar la minimización de la interferencia con los receptores cercanos. Dos computadoras pasaban comandos GPIB (bus de interfaz de propósito general) a los dos osciloscopios digitales Tektronix DSA602A para medir el tiempo entre el disparador y los bordes del reloj A/D y almacenar los datos en discos magneto-ópticos regrabables. La computadora maestra controlaba el movimiento del carro en el que estaban montadas las antenas. [1] [8]
En 1995, el diseño del railSAR se incorporó al desarrollo del boomSAR en un esfuerzo por producir un radar móvil con una alta relación señal-ruido . [2] [9] En 2016, el railSAR se había trasladado desde la azotea del edificio a una instalación interior y había sido sometido a varias reducciones de peso y rediseños. [10]
En general, los sistemas de radar realizan la penetración del follaje y el suelo de manera más efectiva con frecuencias más bajas , porque las longitudes de onda más largas pueden penetrar estructuras opacas más profundamente que las longitudes de onda más cortas. [11] [12] Pero a cambio de mayores capacidades de penetración, las frecuencias más bajas proporcionan una resolución de imagen menor . [11]
El radar de banda ultraancha es capaz de superar esta limitación en resolución al transmitir pulsos extremadamente estrechos, de ahí el nombre de “impulso”, para obtener un ancho de banda suficientemente amplio. [13] [14] [15] Sin embargo, la brevedad de los pulsos se produce a costa de la potencia pico, tanto que la potencia pico por frecuencia cae por debajo del umbral de los receptores selectivos de frecuencia. [16] Si bien la baja potencia dificulta que los espías detecten la señal, la desventaja de esta disyuntiva se manifiesta como aumentos significativos en el costo de procesamiento. [15] [17] Para recibir de manera confiable una señal UWB dada una potencia por frecuencia tan baja, el sistema de radar UWB debe abrirse al ruido con el uso de un receptor de alta frecuencia de muestreo , incorporar un promedio de señal que reduzca la velocidad de datos o aumentar a una alta potencia de transmisión de señal que presente interferencias a otros receptores. [16] Además, un ancho de banda más amplio puede aumentar la probabilidad de falsas alarmas. [15]
Sin embargo, la combinación de baja frecuencia y alta resolución presente en los radares UWB resultó ser extremadamente deseable para la penetración en el follaje y el suelo, en los que el mayor ancho de banda presentó una clara ventaja sobre sus costos. [15] En un esfuerzo por alcanzar las frecuencias necesarias para una penetración adecuada y al mismo tiempo equilibrar los costos de procesamiento asociados con la banda ultra ancha, el railSAR fue diseñado para identificar grupos de minas en áreas muy grandes en lugar de detectar cada mina individual oculta en el suelo y el follaje. [9]
El sistema de radar RailSAR se construyó inicialmente para observar hacia el norte, sobre el estacionamiento norte del complejo ARL como área objetivo, que estaba poblada principalmente por árboles de hoja caduca . [1] El sistema de radar requirió aproximadamente 80 horas para recolectar una apertura completa de datos totalmente polarimétricos de alta resolución. Su potencia máxima fue de 500 kW con una frecuencia de repetición de pulsos de 40 Hz, y la potencia transmitida promedio fue de aproximadamente 20 mW. La creación de la imagen del radar requirió que el RailSAR limitara el procesamiento de Fourier a parches muy pequeños dentro del área de la imagen. [4]
A pesar de utilizar señales de baja frecuencia, el railSAR fue capaz de lograr una alta resolución al moverse a lo largo del riel y transmitir y recibir señales en la dirección perpendicular a la línea de movimiento a lo largo del riel. [6] Durante las pruebas de análisis de rendimiento, el railSAR logró una probabilidad de reconocimiento del 90 por ciento con una tasa de falsas alarmas relativamente baja. Una inspección más detallada reveló que las falsas alarmas individuales generalmente eran activadas por objetos en las imágenes en lugar de ruido aleatorio. [4]