El escaneo cónico es un sistema utilizado en las primeras unidades de radar para mejorar su precisión, así como para facilitar la dirección correcta de la antena para apuntar a un objetivo. El escaneo cónico es similar en concepto al concepto anterior de conmutación de lóbulos utilizado en algunos de los primeros radares, y muchos ejemplos de conjuntos de conmutación de lóbulos se modificaron en el campo para el escaneo cónico durante la Segunda Guerra Mundial , en particular el radar alemán Würzburg . La guía de la antena puede hacerse completamente automática, como en el SCR-584 estadounidense . Los modos de falla potenciales y la susceptibilidad a la interferencia por engaño llevaron a la sustitución de los sistemas de escaneo cónico por conjuntos de radar monopulso . Todavía los utiliza la Red de Espacio Profundo para mantener los enlaces de comunicaciones con las sondas espaciales . [1] Las sondas Pioneer 10 y Pioneer 11 estabilizadas por giro utilizaron maniobras de escaneo cónico a bordo para rastrear la Tierra en su órbita. [2]
Una antena de radar típica suele tener un ancho de haz de unos pocos grados. Si bien esto es adecuado para localizar el objetivo en una función de alerta temprana , no es lo suficientemente preciso para apuntar con armas , lo que exige precisiones del orden de 0,1 grados. Es posible mejorar el ancho del haz mediante el uso de antenas más grandes, pero esto a menudo resulta poco práctico.
Para controlar la dirección de un objetivo designado, sólo es necesario mantener la antena apuntando directamente al objetivo. El conocimiento de la dirección de apuntamiento de la antena proporciona entonces conocimiento de la dirección del objetivo. Para que el sistema de radar siga automáticamente un objetivo en movimiento, es necesario tener un sistema de control que mantenga el haz de la antena apuntando al objetivo mientras se mueve. El receptor de radar obtendrá la máxima intensidad de señal de retorno cuando el objetivo esté en el centro del haz. Si el haz apunta directamente al objetivo, cuando el objetivo se mueva se moverá fuera del centro del haz y la intensidad de la señal recibida disminuirá. Los circuitos diseñados para controlar cualquier disminución en la intensidad de la señal recibida se pueden utilizar para controlar un servomotor que dirige la antena para seguir el movimiento del objetivo. Existen tres dificultades con este método:
El escaneo cónico resuelve este problema moviendo el haz del radar ligeramente fuera del centro de la línea media de la antena, o eje de puntería , y luego girándolo. Dado un ejemplo de antena que genera un haz de 2 grados de ancho (bastante típico), un radar de escaneo cónico podría mover el haz 1,5 grados hacia un lado de la línea central desplazando ligeramente la alimentación. El patrón resultante, en cualquier instante en el tiempo, cubre la línea media de la antena durante aproximadamente 0,5 grados y 1,5 grados hacia un lado. Al girar la bocina de alimentación con un motor, el patrón se convierte en un cono centrado en la línea media, que se extiende 3 grados a lo ancho.
El concepto clave es que un objetivo ubicado en el punto de la línea media generará un retorno constante sin importar hacia dónde esté apuntando actualmente el lóbulo, mientras que si está hacia un lado generará un retorno fuerte cuando el lóbulo esté apuntando en esa dirección general y uno débil cuando esté apuntando hacia otro lado. Además, la porción que cubre la línea central está cerca del borde del lóbulo del radar, donde la sensibilidad está cayendo rápidamente. Una aeronave centrada en el haz está en el área donde incluso pequeños movimientos darán como resultado un cambio notable en el retorno, que se hará mucho más fuerte a lo largo de la dirección en la que el radar necesita moverse. El sistema de control de antena está dispuesto para mover la antena en acimut y elevación de tal manera que se obtenga un retorno constante de la aeronave que se está rastreando.
Si bien el uso del lóbulo principal solo puede permitir a un operador "buscar" el retorno más fuerte y así apuntar la antena dentro de un grado o más en esa área de "retorno máximo" en el centro del lóbulo, con el escaneo cónico se pueden detectar movimientos mucho más pequeños y son posibles precisiones inferiores a 0,1 grados.
Existen dos formas de provocar la redirección del haz desde la línea media de la antena. La primera se denomina alimentación rotada . Como sugiere su nombre, se coloca una bocina de alimentación justo fuera del punto focal parabólico, lo que hace que la energía se enfoque ligeramente fuera de la línea media de la antena. Luego, la alimentación se gira alrededor del punto focal del paraboloide para producir la rotación cónica. El otro sistema es una alimentación nutada . Una alimentación nutada desplaza la antena en un ángulo con respecto a una bocina de alimentación fija y luego gira la antena. Una variación de una alimentación nutada hace que la alimentación se mueva en un pequeño círculo, cambiando rápida y continuamente la dirección de apuntamiento del haz. En este último tipo, ni la alimentación ni la antena giran alrededor del eje de apuntamiento de la antena; solo cambia la dirección de apuntamiento, trazando un cono estrecho.
La principal diferencia entre los dos esquemas básicos está en la polarización. A medida que el cuerno de alimentación en el proceso rotado gira, la polarización cambia con la rotación y, por lo tanto, estará 90 grados fuera de polarización cuando el alimentador esté 90 grados fuera de su eje inicial. Como el cuerno de alimentación está fijo en alimentaciones nutadas, no se producen cambios de polarización. La mayoría de los primeros sistemas usaban una alimentación rotada, debido a su simplicidad mecánica, pero los sistemas posteriores a menudo usaban alimentaciones nutadas para usar la información de polarización.
En el radar de control de fuego del cañón Mk. 25 de la Armada de los EE. UU., el modo de escaneo en espiral ayudaba a la adquisición del objetivo. Básicamente, el escaneo cónico (del tipo de alimentación nutante no giratoria) aumentaba y disminuía cíclicamente aproximadamente dos veces por segundo. El área escaneada era de varios grados en total. (Una vez que se adquiría el objetivo, el operador cambiaba al escaneo cónico para el seguimiento).
Como el lóbulo gira alrededor de la línea media de la antena, el barrido cónico sólo es realmente apropiado para antenas con una sección transversal circular. Este fue el caso del Würzburg, que operaba en la región de las microondas . La mayoría de las demás fuerzas armadas utilizaban radares de longitud de onda mucho mayor que requerirían antenas paraboloides de un tamaño verdaderamente enorme, y en su lugar utilizaban una disposición de "muelles de cama" de muchas antenas dipolo pequeñas dispuestas delante de un reflector pasivo. Para disponer el barrido cónico en un sistema de este tipo se requeriría mover todos los dipolos, una solución poco práctica. Por esta razón, el ejército de los EE. UU. simplemente abandonó su primer radar de colocación de cañones, el SCR-268 . Esto no era particularmente molesto, dado que estaban en proceso de introducir su propio radar de microondas tras la Misión Tizard . En el SCR-584 , el Laboratorio de Radiación del MIT introdujo el seguimiento automático.
Se puede añadir a un radar de barrido cónico un sistema de guiado automático de la antena y, por tanto, de cualquier arma o cañón esclavizado sin demasiados problemas. El sistema de control tiene que orientar la antena de forma que reciba una señal de retorno de amplitud constante del objetivo.
Desafortunadamente, hay una serie de factores que pueden cambiar drásticamente la señal reflejada. Por ejemplo, los cambios en la dirección del avión objetivo pueden presentar diferentes partes del fuselaje a la antena y cambiar drásticamente la cantidad de señal que se devuelve. En estos casos, un radar de barrido cónico podría interpretar este cambio en la intensidad como un cambio en la posición. Por ejemplo, si el avión se "brillara" repentinamente cuando estaba fuera del eje hacia la izquierda, el circuito podría interpretar esto como que se desvió hacia la derecha si el cambio ocurre cuando el lóbulo está alineado en esa dirección. Este problema se puede resolver utilizando dos haces receptores superpuestos simultáneos que conducen al radar monopulso , llamado así porque siempre compara la intensidad de la señal de un solo pulso contra sí mismo, eliminando así los problemas con todos los cambios, excepto los imposiblemente rápidos, en la intensidad de la señal.
Los sistemas COSRO no modifican la señal de transmisión enviada desde la antena.
La guía de ondas de antena en los sistemas COSRO incluye una estructura de bocina de recepción de RF que produce una muestra de recepción de RF izquierda/derecha y una muestra de recepción de RF arriba/abajo. Estas dos señales se multiplexan dentro de un dispositivo de guía de ondas que tiene una paleta giratoria. La salida del dispositivo multiplexor es una sola señal de RF y dos señales de posición que indican izquierda/derecha y arriba/abajo.
La técnica COSRO no transmite ninguna señal que indique la posición del álabe giratorio.
Las señales de recepción de RF de múltiples pulsos de transmisión se combinan matemáticamente para crear una señal vertical y horizontal. La señal vertical se crea sumando muestras de RF cuando la paleta/bocina de alimentación está en la dirección hacia arriba y restando muestras de RF cuando la paleta/bocina de alimentación está en la dirección hacia abajo. La señal horizontal se crea sumando muestras de RF cuando la paleta/bocina de alimentación está en la dirección hacia la izquierda y restando muestras de RF cuando la paleta/bocina de alimentación está en la dirección hacia la derecha.
Esto produce un par de señales de error de ángulo que se utilizan para impulsar los motores de posicionamiento de la antena.
Los radares de barrido cónico pueden ser fácilmente bloqueados . Si el objetivo conoce los parámetros generales de funcionamiento del radar, es posible enviar una señal falsa programada para crecer y desvanecerse en el mismo patrón que el lóbulo del radar, pero con una intensidad invertida. Es decir, la señal falsa es más fuerte cuando la señal del radar es más débil (el lóbulo está en el "lado más alejado" de la antena en comparación con el avión), y más débil cuando la señal es más fuerte (apunta al avión). Cuando se suma a la señal "real" en el receptor del radar, la señal resultante es "siempre fuerte", por lo que el sistema de control no puede hacer una estimación precisa de en qué parte del patrón del lóbulo se encuentra el objetivo.
En realidad, lograr esto en hardware no es tan difícil como parece. Si uno sabe que la señal gira a 25 RPM, como en el radar de Würzburg, el inhibidor está diseñado para desvanecerse del máximo a cero a la misma velocidad, 25 veces por minuto. Luego, todo lo que se necesita es sincronizar las señales, lo que se logra buscando el punto bajo en la señal (que generalmente es más fácil de encontrar) y activando el patrón en ese punto. Este sistema, conocido como interferencia de ganancia inversa , fue utilizado operativamente por la Royal Air Force contra el radar de Würzburg durante la Segunda Guerra Mundial.
Es posible organizar un radar de modo que los lóbulos no se muevan en el transmisor, sino solo en el receptor. Para ello, se añade una segunda antena con el lóbulo giratorio solo para recepción, un sistema conocido como COSRO , por Conical Scan on Receive Only (escaneo cónico en recepción solamente) (comparado con LORO , un sistema similar utilizado contra los radares de conmutación de lóbulos ). Aunque esto negaba la información de frecuencia de los lóbulos al bloqueador en la aeronave, todavía era posible simplemente enviar picos aleatorios y, por lo tanto, confundir al sistema de seguimiento (o al operador). Esta técnica, llamada SSW por Swept Square Wave (onda cuadrada barrida ), no protege a la aeronave con el mismo tipo de eficacia que la ganancia inversa, pero es mejor que nada y, a menudo, bastante eficaz.
