El escaneo cónico es un sistema utilizado en las primeras unidades de radar para mejorar su precisión, además de facilitar la dirección adecuada 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 realizar escaneos cónicos durante la Segunda Guerra Mundial , en particular el radar alemán de Würzburg . El guiado de la antena puede realizarse de forma totalmente automática, como en el americano SCR-584 . Los posibles modos de fallo y la susceptibilidad a interferencias por engaño llevaron a la sustitución de los sistemas de escaneo cónico por equipos de radar monopulso . Todavía son utilizados por la Red del Espacio Profundo para mantener enlaces de comunicaciones con 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 colocar armas , lo que exige precisiones del orden de 0,1 grados. Es posible mejorar la anchura del haz mediante el uso de antenas más grandes, pero esto suele resultar poco práctico.
Para monitorear la dirección de un objetivo designado, sólo es necesario mantener la antena apuntando directamente al objetivo. El conocimiento de la dirección de orientación de la antena proporciona 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 cuando el objetivo esté en el centro del haz. Si el haz apunta directamente al objetivo, cuando el objetivo se mueva, se saldrá del centro del haz y la intensidad de la señal recibida disminuirá. Los circuitos diseñados para monitorear cualquier disminución en la intensidad de la señal recibida se pueden usar para controlar un servomotor que dirige la antena para seguir el movimiento del objetivo. Hay tres dificultades con este método:
El escaneo cónico soluciona este problema moviendo el haz del radar ligeramente descentrado de la línea media de la antena, o puntería , y luego rotándolo. 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 desviando ligeramente la alimentación. El patrón resultante, en cualquier instante, cubre la línea media de la antena aproximadamente 0,5 grados y 1,5 grados hacia un lado. Al hacer 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 de ancho.
El concepto clave es que un objetivo ubicado en el punto de la línea media generará un retorno constante sin importar hacia dónde apunte el lóbulo actualmente, mientras que si está hacia un lado generará un retorno fuerte cuando el lóbulo apunte en esa dirección general y un débil al señalar hacia otro lado. Además, la parte que cubre la línea central está cerca del borde del lóbulo del radar, donde la sensibilidad está cayendo rápidamente. Un avión centrado en el haz se encuentra en el área donde incluso los movimientos más pequeños darán como resultado un cambio notable, volviéndose 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 azimut y elevación de manera que se obtenga un retorno constante de la aeronave que se está rastreando.
Mientras que el uso del lóbulo principal por sí solo podría permitir al operador "buscar" el retorno más fuerte y así apuntar la antena dentro de un grado aproximadamente en esa área de "retorno máximo" en el centro del lóbulo, con el escaneo cónico se pueden realizar movimientos mucho más pequeños. ser detectado y son posibles precisiones inferiores a 0,1 grados.
Hay dos formas de provocar la redirección del haz desde la línea media de la antena. El primero se conoce como alimentación rotada . Como sugiere su nombre, se coloca una bocina de alimentación justo al lado 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 hace girar 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 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 orientación del haz. En este último tipo, ni la alimentación ni la antena giran alrededor del eje de orientación de la antena; sólo cambia la dirección de la punta, trazando un cono estrecho.
La principal diferencia entre los dos esquemas básicos está en la polarización. A medida que gira la bocina de alimentación en el proceso de rotación, la polarización cambia con la rotación y, por lo tanto, tendrá una polarización de 90 grados cuando la alimentación esté a 90 grados de su eje inicial. Como la bocina de alimentación está fijada en alimentaciones nutadas, no se producen cambios de polarización. La mayoría de los primeros sistemas utilizaban una alimentación rotada, debido a su simplicidad mecánica, pero los sistemas posteriores solían utilizar alimentaciones nutadas para utilizar la información de polarización.
En la Marina de los EE. UU. Mk. Radar de control de fuego de 25 cañones, modo de escaneo en espiral que ayudó a la adquisición del objetivo. Básicamente, escaneo cónico (del tipo de alimentación nutante no giratoria), el tamaño del cono de escaneo aumentaba y disminuía cíclicamente aproximadamente dos veces por segundo. El área escaneada tenía varios grados en total. (Una vez adquirido el objetivo, el operador cambió al escaneo cónico para realizar el seguimiento).
Dado que el lóbulo gira alrededor de la línea media de la antena, el escaneo cónico sólo es 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 otras fuerzas utilizaron radares de longitud de onda mucho más larga que requerirían antenas paraboloides de tamaño realmente enorme, y en su lugar utilizaron una disposición de "somier" de muchas antenas dipolo pequeñas dispuestas frente a un reflector pasivo. Para disponer un escaneo cónico en un sistema de este tipo sería necesario mover todos los dipolos, una solución poco práctica. Por esta razón, el ejército estadounidense simplemente abandonó su primer radar de colocación de armas, el SCR-268 . Esto no fue particularmente molesto, dado que estaban en el proceso de introducir su propio radar de microondas después de la Misión Tizard . En el SCR-584 , el Laboratorio de Radiación del MIT introdujo el seguimiento automático.
La guía automática para la antena y, por lo tanto, para cualquier arma esclava, se puede agregar a un radar de escaneo cónico sin demasiados problemas. El sistema de control tiene que dirigir la antena de manera que se reciba un retorno de amplitud constante desde el objetivo.
Lamentablemente, existen varios 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 de fuerza como un cambio de posición. Por ejemplo, si el avión "brillara" repentinamente cuando estaba fuera del eje hacia la izquierda, el circuito podría interpretar esto como si estuviera fuera 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 con sí mismo, eliminando así problemas con cambios en la intensidad de la señal, excepto los increíblemente rápidos.
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 alimentación recibida 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 multiplex es una única 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 de la paleta giratoria.
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 dirección hacia arriba y restando muestras de RF cuando la paleta/bocina de alimentación está en dirección hacia abajo. La señal horizontal se crea sumando muestras de RF cuando la paleta/bocina de alimentación está en la dirección izquierda y restando muestras de RF cuando la paleta/bocina de alimentación está en la dirección correcta.
Esto produce un par de señales de error de ángulo que se utilizan para accionar los motores de posicionamiento de la antena.
Los radares de exploración cónicos se pueden bloquear fácilmente . Si el objetivo conoce los parámetros operativos generales del radar, es posible enviar una señal falsa programada para crecer y desvanecerse en el mismo patrón que el lóbulo del radar, pero con intensidad invertida. Es decir, la señal falsa es más fuerte cuando la señal del radar es más débil (el lóbulo está en el "lado opuesto" de la antena en comparación con el avión), y más débil cuando la señal es más fuerte (apuntada 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 de lóbulos se encuentra el objetivo.
En realidad, lograr esto en hardware no es tan difícil como parece. Si se sabe que la señal gira a 25 RPM, como ocurría en el radar de Würzburg, el bloqueador 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 cual se logra buscando el punto bajo de 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 disponer un radar de modo que los lóbulos no se muevan en la emisora, sólo en el receptor. Para hacer esto, se agrega una segunda antena con el lóbulo giratorio solo para recepción, un sistema conocido como COSRO , para Conical Scan on Receiver Only (compárese con LORO , un sistema similar utilizado contra los radares de conmutación de lóbulos ). Aunque esto negaba información de frecuencia lobular al bloqueador de la aeronave, aún era posible simplemente enviar picos aleatorios y, por lo tanto, confundir al sistema de seguimiento (u operador). Esta técnica, llamada SSW por Swept Square Wave , no protege la aeronave con el mismo tipo de efectividad que la ganancia inversa, pero es mejor que nada y, a menudo, bastante efectiva.
