Un sistema de radar utiliza una señal electromagnética de radiofrecuencia reflejada desde un objetivo para determinar información sobre dicho objetivo. En cualquier sistema de radar , la señal transmitida y recibida exhibirá muchas de las características que se describen a continuación.
El diagrama siguiente muestra las características de la señal transmitida en el dominio del tiempo. Nótese que en este y en todos los diagramas de este artículo, el eje x está exagerado para que la explicación sea más clara.
La portadora es una señal de RF , típicamente de frecuencias de microondas, que normalmente (pero no siempre) se modula para permitir que el sistema capture los datos requeridos. En radares de medición de distancia simples, la portadora será modulada por pulsos y en sistemas de onda continua , como el radar Doppler , puede que no se requiera modulación. La mayoría de los sistemas utilizan modulación por pulsos , con o sin otras señales moduladoras complementarias. Tenga en cuenta que con la modulación por pulsos, la portadora simplemente se enciende y apaga en sincronía con los pulsos; la forma de onda moduladora en realidad no existe en la señal transmitida y la envolvente de la forma de onda del pulso se extrae de la portadora demodulada en el receptor. Aunque es obvio cuando se describe, este punto a menudo se pasa por alto cuando se estudian por primera vez las transmisiones por pulsos, lo que lleva a malentendidos sobre la naturaleza de la señal.
El ancho de pulso ( ) (o duración del pulso) de la señal transmitida es el tiempo, normalmente en microsegundos, que dura cada pulso. Si el pulso no es una onda cuadrada perfecta , el tiempo se mide normalmente entre los niveles de potencia del 50% de los bordes ascendente y descendente del pulso.
El ancho del pulso debe ser lo suficientemente largo para garantizar que el radar emita suficiente energía para que el pulso reflejado sea detectable por su receptor. La cantidad de energía que se puede entregar a un objetivo distante es el producto de dos cosas: la potencia de salida máxima del transmisor y la duración de la transmisión. Por lo tanto, el ancho del pulso limita el rango máximo de detección de un objetivo.
El ancho de pulso también limita la discriminación de rango, es decir, la capacidad del radar para distinguir entre dos objetivos que están cerca uno del otro. A cualquier distancia, con ángulos de acimut y elevación similares y vistos por un radar con un pulso no modulado, la resolución de rango es aproximadamente igual en distancia a la mitad de la duración del pulso multiplicada por la velocidad de la luz (aproximadamente 300 metros por microsegundo).
El ancho de pulso también determina la zona muerta del radar a distancias cortas. Mientras el transmisor del radar está activo, la entrada del receptor se bloquea para evitar que los amplificadores se saturen o, más probablemente, se dañen. Un cálculo simple revela que un eco de radar tardará aproximadamente 10,8 μs en regresar desde un objetivo a 1 milla terrestre de distancia (contando desde el borde delantero del pulso del transmisor ( T 0 ), (a veces conocido como explosión principal del transmisor)). Para mayor comodidad, estas cifras también se pueden expresar como 1 milla náutica en 12,4 μs o 1 kilómetro en 6,7 μs. (Para simplificar, en toda la discusión posterior se utilizarán cifras métricas). Si el ancho de pulso del radar es de 1 μs, entonces no puede haber detección de objetivos a menos de 150 m, porque el receptor está bloqueado.
Todo esto significa que el diseñador no puede simplemente aumentar el ancho de pulso para obtener un mayor alcance sin que esto afecte a otros factores de rendimiento. Como ocurre con todo lo demás en un sistema de radar, es necesario hacer concesiones en el diseño del sistema de radar para proporcionar el rendimiento óptimo para su función.
Para crear un eco discernible, la mayoría de los sistemas de radar emiten pulsos de forma continua y la frecuencia de repetición de estos pulsos está determinada por la función del sistema. Por lo tanto, cada vez que se transmite un nuevo pulso, se "pinta" un eco de un objetivo en la pantalla o se integra en el procesador de señales, lo que refuerza el retorno y facilita la detección. Cuanto mayor sea la frecuencia de pulsos utilizada, más se pinta el objetivo. Sin embargo, cuanto mayor sea la frecuencia de pulsos utilizada, más se reduce el alcance que el radar puede "ver". Los diseñadores de radares intentan utilizar la frecuencia de pulsos más alta posible en proporción con los demás factores que la limitan, como se describe a continuación.
Hay otras dos facetas relacionadas con la frecuencia de pulsos que el diseñador debe sopesar con mucho cuidado: las características del ancho de haz de la antena y la periodicidad requerida con la que el radar debe barrer el campo de visión. Un radar con un ancho de haz horizontal de 1° que barre todo el horizonte de 360° cada 2 segundos con una frecuencia de pulsos de 1080 Hz emitirá 6 pulsos sobre cada arco de 1 grado. Si el receptor necesita al menos 12 pulsos reflejados de amplitudes similares para lograr una probabilidad de detección aceptable, entonces el diseñador tiene tres opciones: duplicar la frecuencia de pulsos, reducir a la mitad la velocidad de barrido o duplicar el ancho de haz. En realidad, se utilizan las tres opciones en distintos grados; el diseño de radares se basa en compromisos entre presiones conflictivas.
La frecuencia de repetición escalonada (PRF) es un proceso de transmisión en el que el tiempo entre las interrogaciones del radar cambia ligeramente, de una manera repetitiva, pautada y fácilmente discernible. El cambio de frecuencia de repetición permite al radar, pulso a pulso, diferenciar entre los retornos de sus propias transmisiones y los retornos de otros sistemas de radar con la misma frecuencia de repetición y una frecuencia de radio similar. Consideremos un radar con un intervalo constante entre pulsos; las reflexiones del objetivo aparecen en un rango relativamente constante relacionado con el tiempo de vuelo del pulso. En el espectro de radio actual, muy concurrido, puede haber muchos otros pulsos detectados por el receptor, ya sea directamente desde el transmisor o como reflexiones desde otro lugar. Debido a que su "distancia" aparente se define midiendo su tiempo relativo al último pulso transmitido por "nuestro" radar, estos pulsos "interferenciales" podrían aparecer a cualquier distancia aparente. Cuando la frecuencia de repetición del radar "interferencial" es muy similar a "nuestro" radar, esas distancias aparentes pueden cambiar muy lentamente, al igual que los objetivos reales. Al utilizar el escalonamiento, un diseñador de radar puede forzar que el "bloqueo" salte erráticamente en el rango aparente, inhibiendo la integración y reduciendo o incluso suprimiendo su impacto en la detección del objetivo real.
Sin la PRF escalonada, cualquier pulso originado por otro radar en la misma frecuencia de radio podría parecer estable en el tiempo y podría confundirse con reflejos de la propia transmisión del radar. Con la PRF escalonada, los propios objetivos del radar parecen estables en el alcance en relación con el pulso de transmisión, mientras que los ecos "interferentes" pueden moverse en el alcance aparente (sin correlación), lo que hace que sean rechazados por el receptor. La PRF escalonada es solo una de varias técnicas similares utilizadas para esto, incluida la PRF fluctuante (donde la sincronización del pulso varía de una manera menos predecible), la modulación de frecuencia de pulso y varias otras técnicas similares cuyo propósito principal es reducir la probabilidad de sincronicidad involuntaria. Estas técnicas se utilizan ampliamente en los radares de seguridad marítima y navegación, con mucho los radares más numerosos en el planeta Tierra en la actualidad.
El término "distorsión" hace referencia a los ecos de radiofrecuencia (RF) que devuelven los objetivos que no son de interés para los operadores de radar. Dichos objetivos incluyen objetos naturales como el suelo, el mar, precipitaciones (como lluvia, nieve o granizo), tormentas de arena , animales (especialmente pájaros), turbulencia atmosférica y otros efectos atmosféricos, como reflexiones de la ionosfera , rastros de meteoritos y picos de dispersión de tres cuerpos . La distorsión también puede provenir de objetos creados por el hombre, como edificios, y, de forma intencionada, de contramedidas de radar como el "chaff" .
Algunos ruidos también pueden ser causados por una guía de ondas de radar larga entre el transceptor de radar y la antena. En un radar indicador de posición en planta (PPI) típico con una antena giratoria, esto generalmente se verá como un "sol" o "estallido solar" en el centro de la pantalla a medida que el receptor responde a los ecos de las partículas de polvo y la RF mal dirigida en la guía de ondas. Ajustar el tiempo entre el momento en que el transmisor envía un pulso y el momento en que se activa la etapa del receptor generalmente reducirá el estallido solar sin afectar la precisión del rango, ya que la mayoría de los estallidos solares son causados por un pulso de transmisión difuso reflejado antes de que salga de la antena. El ruido se considera una fuente de interferencia pasiva, ya que solo aparece en respuesta a las señales de radar enviadas por el radar.
El ruido se detecta y neutraliza de varias maneras. El ruido tiende a parecer estático entre los escaneos de radar; en los ecos de escaneo subsiguientes, los objetivos deseables parecerán moverse y se pueden eliminar todos los ecos estacionarios. El ruido del mar se puede reducir utilizando la polarización horizontal, mientras que la lluvia se reduce con la polarización circular (tenga en cuenta que los radares meteorológicos buscan el efecto opuesto y, por lo tanto, utilizan la polarización lineal para detectar la precipitación). Otros métodos intentan aumentar la relación señal-ruido.
El desorden se mueve con el viento o permanece estático. Dos estrategias comunes para mejorar la medición o el rendimiento en un entorno desordenado son:
La técnica de reducción de interferencias más eficaz es el radar Doppler de pulsos con capacidad de mirar hacia abajo y disparar hacia abajo . El Doppler separa las interferencias de las aeronaves y naves espaciales utilizando un espectro de frecuencias, de modo que las señales individuales se pueden separar de múltiples reflectores ubicados en el mismo volumen utilizando diferencias de velocidad. Esto requiere un transmisor coherente. Otra técnica utiliza una indicación de objetivo en movimiento que resta la señal recibida de dos pulsos sucesivos utilizando la fase para reducir las señales de los objetos que se mueven lentamente. Esto se puede adaptar para sistemas que carecen de un transmisor coherente, como el radar de amplitud de pulso en el dominio del tiempo.
La tasa de falsas alarmas constante , una forma de control automático de ganancia (AGC), es un método que se basa en que los ecos de los ecos de los objetivos de interés superen en gran medida la cantidad de ecos. La ganancia del receptor se ajusta automáticamente para mantener un nivel constante de ecos visibles generales. Si bien esto no ayuda a detectar objetivos enmascarados por ecos circundantes más fuertes, sí ayuda a distinguir las fuentes de objetivos fuertes. En el pasado, el AGC del radar se controlaba electrónicamente y afectaba la ganancia de todo el receptor del radar. A medida que los radares evolucionaron, el AGC pasó a estar controlado por software de computadora y afectó la ganancia con mayor granularidad en celdas de detección específicas.
El ruido también puede originarse a partir de ecos de trayectoria múltiple de objetivos válidos causados por la reflexión del suelo, la conducción atmosférica o la reflexión / refracción ionosférica (por ejemplo, propagación anómala ). Este tipo de ruido es especialmente molesto ya que parece moverse y comportarse como otros objetivos normales (puntuales) de interés. En un escenario típico, un eco de aeronave se refleja desde el suelo debajo, apareciendo para el receptor como un objetivo idéntico debajo del correcto. El radar puede tratar de unificar los objetivos, informando el objetivo a una altura incorrecta o eliminándolo sobre la base de la vibración o una imposibilidad física. El bloqueo de rebote del terreno explota esta respuesta amplificando la señal del radar y dirigiéndola hacia abajo. [1] Estos problemas se pueden superar incorporando un mapa terrestre de los alrededores del radar y eliminando todos los ecos que parecen originarse debajo del suelo o por encima de una cierta altura. El monopulso se puede mejorar modificando el algoritmo de elevación utilizado a baja elevación. En los equipos de radar de control de tráfico aéreo más nuevos, se utilizan algoritmos para identificar los objetivos falsos comparando los retornos de pulso actuales con los adyacentes, además de calcular las improbabilidades de retorno.
El STC se utiliza para evitar la saturación del receptor debido a interferencias del suelo cercanas, ajustando la atenuación del receptor en función de la distancia. Se aplica más atenuación a las señales de retorno cercanas y se reduce a medida que aumenta el alcance.
En sistemas simples, los ecos de los objetivos deben detectarse y procesarse antes de que se genere el siguiente pulso del transmisor si se desea evitar la ambigüedad de alcance. La ambigüedad de alcance ocurre cuando el tiempo que tarda un eco en regresar de un objetivo es mayor que el período de repetición del pulso (T); si el intervalo entre los pulsos transmitidos es de 1000 microsegundos y el tiempo de retorno de un pulso de un objetivo distante es de 1200 microsegundos, la distancia aparente del objetivo es de solo 200 microsegundos. En resumen, estos "segundos ecos" aparecen en la pantalla como objetivos más cercanos de lo que realmente están.
Consideremos el siguiente ejemplo: si la antena del radar está situada a unos 15 m sobre el nivel del mar, la distancia hasta el horizonte es bastante corta (quizás 15 km). No se pueden detectar objetivos terrestres que se encuentren más allá de este rango, por lo que la frecuencia de pulso de impulso puede ser bastante alta; un radar con una frecuencia de pulso de impulso de 7,5 kHz devolverá ecos ambiguos de objetivos situados a unos 20 km, o más allá del horizonte. Sin embargo, si la frecuencia de pulso de impulso se duplicara a 15 kHz, el rango ambiguo se reduciría a 10 km y los objetivos situados más allá de este rango sólo aparecerían en la pantalla después de que el transmisor haya emitido otro pulso. Un objetivo situado a 12 km parecería estar a 2 km de distancia, aunque la intensidad del eco podría ser mucho menor que la de un objetivo real situado a 2 km.
El rango máximo no ambiguo varía inversamente con PRF y viene dado por:
donde c es la velocidad de la luz . Si se requiere un alcance inequívoco más largo con este sistema simple, entonces se requieren PRF más bajos y era bastante común que los primeros radares de búsqueda tuvieran PRF tan bajos como unos pocos cientos de Hz, lo que brindaba un alcance inequívoco de más de 150 km. Sin embargo, los PRF más bajos introducen otros problemas, incluida una pintura de objetivos más deficiente y ambigüedad de velocidad en los sistemas Pulse-Doppler (ver a continuación).
Los radares modernos, especialmente los radares de combate aire-aire en aeronaves militares, pueden utilizar frecuencias de pulso repetitivo (PRF) en el rango de decenas a centenas de kilohercios y escalonar el intervalo entre pulsos para permitir que se determine el rango correcto. Con esta forma de frecuencia de pulso repetitivo escalonado, se transmite un paquete de pulsos con un intervalo fijo entre cada pulso, y luego se transmite otro paquete con un intervalo ligeramente diferente. Las reflexiones del objetivo aparecen en diferentes rangos para cada paquete ; estas diferencias se acumulan y luego se pueden aplicar técnicas aritméticas simples para determinar el alcance real. Dichos radares pueden utilizar patrones repetitivos de paquetes , o paquetes más adaptables que responden a comportamientos aparentes del objetivo. Independientemente, los radares que emplean la técnica son universalmente coherentes , con una frecuencia de radio muy estable, y los paquetes de pulsos también se pueden utilizar para realizar mediciones del desplazamiento Doppler (una modificación dependiente de la velocidad de la frecuencia de radio aparente), especialmente cuando las PRF están en el rango de cientos de kilohercios. Los radares que explotan los efectos Doppler de esta manera normalmente determinan primero la velocidad relativa, a partir del efecto Doppler, y luego utilizan otras técnicas para derivar la distancia al objetivo.
En su forma más simple, el MUR (rango máximo inequívoco) para una secuencia de pulsos escalonados se puede calcular utilizando el TSP (período total de secuencia). El TSP se define como el tiempo total que tarda el patrón pulsado en repetirse. Esto se puede encontrar mediante la suma de todos los elementos en la secuencia escalonada. La fórmula se deriva de la velocidad de la luz y la longitud de la secuencia [ cita requerida ] :
donde c es la velocidad de la luz , generalmente en metros por microsegundo, y TSP es la suma de todas las posiciones de la secuencia escalonada, generalmente en microsegundos. Sin embargo, en una secuencia escalonada, algunos intervalos pueden repetirse varias veces; cuando esto ocurre, es más apropiado considerar TSP como la suma de todos los intervalos únicos en la secuencia.
Además, conviene recordar que puede haber grandes diferencias entre el MUR y el alcance máximo (el alcance más allá del cual las reflexiones probablemente serán demasiado débiles para ser detectadas), y que el alcance máximo instrumentado puede ser mucho más corto que cualquiera de estos. Un radar marino civil, por ejemplo, puede tener alcances máximos de visualización instrumentados seleccionables por el usuario de 72, 96 o raramente 120 millas náuticas, de conformidad con el derecho internacional, pero alcances máximos inequívocos de más de 40.000 millas náuticas y alcances máximos de detección de quizás 150 millas náuticas. Cuando se observan disparidades tan enormes, se revela que el propósito principal de la PRF escalonada es reducir la "interferencia", en lugar de aumentar las capacidades de alcance inequívoco.
Los radares de onda continua pura aparecen como una sola línea en la pantalla de un analizador de espectro y, cuando se modulan con otras señales sinusoidales, el espectro difiere poco del obtenido con los esquemas de modulación analógica estándar utilizados en los sistemas de comunicaciones, como la modulación de frecuencia , y consisten en la portadora más un número relativamente pequeño de bandas laterales . Cuando la señal del radar se modula con un tren de pulsos como se muestra arriba, el espectro se vuelve mucho más complicado y mucho más difícil de visualizar.
El análisis básico de Fourier muestra que cualquier señal compleja repetitiva consta de varias ondas sinusoidales relacionadas armónicamente . El tren de pulsos de radar es una forma de onda cuadrada , cuya forma pura consta de la fundamental más todos los armónicos impares. La composición exacta del tren de pulsos dependerá del ancho del pulso y de la frecuencia de pulso, pero se puede utilizar el análisis matemático para calcular todas las frecuencias del espectro. Cuando se utiliza el tren de pulsos para modular una portadora de radar, se obtendrá el espectro típico que se muestra a la izquierda.
El examen de esta respuesta espectral muestra que contiene dos estructuras básicas: la estructura gruesa (los picos o "lóbulos" en el diagrama de la izquierda) y la estructura fina, que contiene los componentes de frecuencia individuales, como se muestra a continuación. La envolvente de los lóbulos en la estructura gruesa está dada por: .
Tenga en cuenta que el ancho de pulso ( ) determina el espaciado de los lóbulos. Los anchos de pulso más pequeños dan como resultado lóbulos más anchos y, por lo tanto, un mayor ancho de banda.
El examen de la respuesta espectral con mayor detalle, como se muestra a la derecha, muestra que la Estructura Fina contiene líneas individuales o frecuencias puntuales. La fórmula para la estructura fina está dada por y dado que el período de la PRF (T) aparece en la parte inferior de la ecuación del espectro fino, habrá menos líneas si se utilizan PRF más altas. Estos hechos afectan las decisiones que toman los diseñadores de radares al considerar las compensaciones que se deben hacer al intentar superar las ambigüedades que afectan a las señales de radar.
Si los tiempos de subida y bajada de los pulsos de modulación son cero (por ejemplo, los bordes de los pulsos son infinitamente agudos), las bandas laterales serán como se muestra en los diagramas espectrales anteriores. El ancho de banda consumido por esta transmisión puede ser enorme y la potencia total transmitida se distribuye en muchos cientos de líneas espectrales. Esto es una fuente potencial de interferencia con cualquier otro dispositivo y las imperfecciones dependientes de la frecuencia en la cadena de transmisión significan que parte de esta potencia nunca llega a la antena. En la realidad, por supuesto, es imposible lograr bordes tan agudos, por lo que en los sistemas prácticos las bandas laterales contienen muchas menos líneas que un sistema perfecto. Si el ancho de banda se puede limitar para incluir relativamente pocas bandas laterales, eliminando los bordes de los pulsos intencionalmente, se puede lograr un sistema eficiente con el mínimo potencial de interferencia con el equipo cercano. Sin embargo, la desventaja de esto es que los bordes lentos hacen que la resolución de rango sea pobre. Los primeros radares limitaban el ancho de banda mediante la filtración en la cadena de transmisión, por ejemplo, la guía de ondas, el escáner, etc., pero el rendimiento podía ser esporádico con señales no deseadas que se abrían paso a frecuencias remotas y los bordes del pulso recuperado eran indeterminados. Un examen más detallado del espectro de radar básico que se muestra arriba muestra que la información en los distintos lóbulos del espectro grueso es idéntica a la contenida en el lóbulo principal, por lo que limitar el ancho de banda de transmisión y recepción a ese nivel proporciona beneficios significativos en términos de eficiencia y reducción de ruido.
Los recientes avances en las técnicas de procesamiento de señales han hecho que el uso de perfiles o modelado de pulsos sea más común. Al modelar la envolvente del pulso antes de aplicarlo al dispositivo de transmisión, por ejemplo, a una ley del coseno o a un trapezoide, se puede limitar el ancho de banda en la fuente, con menos dependencia del filtrado. Cuando esta técnica se combina con la compresión de pulsos , se puede lograr un buen compromiso entre eficiencia, rendimiento y resolución de rango. El diagrama de la izquierda muestra el efecto sobre el espectro si se adopta un perfil de pulso trapezoidal. Se puede ver que la energía en las bandas laterales se reduce significativamente en comparación con el lóbulo principal y la amplitud del lóbulo principal aumenta.
De manera similar, el uso de un perfil de pulso coseno tiene un efecto aún más marcado, ya que la amplitud de los lóbulos laterales se vuelve prácticamente insignificante. El lóbulo principal aumenta nuevamente en amplitud y los lóbulos laterales se reducen correspondientemente, lo que proporciona una mejora significativa en el rendimiento.
Hay muchos otros perfiles que pueden adoptarse para optimizar el rendimiento del sistema, pero los perfiles coseno y trapezoidal generalmente proporcionan un buen compromiso entre eficiencia y resolución y, por eso, tienden a ser los más utilizados.
Este es un problema que sólo afecta a un tipo particular de sistema: el radar Doppler de pulsos , que utiliza el efecto Doppler para resolver la velocidad a partir del cambio aparente en la frecuencia causado por los objetivos que tienen velocidades radiales netas en comparación con el dispositivo de radar. El examen del espectro generado por un transmisor pulsado, que se muestra arriba, revela que cada una de las bandas laterales (tanto gruesas como finas) estará sujeta al efecto Doppler, otra buena razón para limitar el ancho de banda y la complejidad espectral mediante el perfilado de pulsos.
Considere el cambio positivo causado por el objetivo de cierre en el diagrama que se ha simplificado mucho para mayor claridad. Se puede ver que a medida que aumenta la velocidad relativa, se alcanzará un punto en el que las líneas espectrales que constituyen los ecos quedan ocultas o solapadas por la siguiente banda lateral de la portadora modulada. La transmisión de múltiples paquetes de pulsos con diferentes valores de PRF, por ejemplo, PRF escalonados, resolverá esta ambigüedad, ya que cada nuevo valor de PRF dará como resultado una nueva posición de banda lateral, que revelará la velocidad al receptor. La velocidad máxima inequívoca del objetivo viene dada por:
Si se tienen en cuenta todas las características anteriores, el diseñador del radar debe cumplir ciertas restricciones. Por ejemplo, un sistema con una frecuencia portadora de 3 GHz y un ancho de pulso de 1 μs tendrá un período de portadora de aproximadamente 333 ps. Cada pulso transmitido contendrá alrededor de 3000 ciclos de portadora y los valores de ambigüedad de velocidad y alcance para un sistema de este tipo serían:
