La sección transversal del radar ( RCS ), denotada por σ, también llamada firma de radar , es una medida de cuán detectable es un objeto por radar . Una RCS mayor indica que un objeto se detecta más fácilmente. [1]
Un objeto refleja una cantidad limitada de energía de radar hacia la fuente. Los factores que influyen en esto incluyen: [1]
Si bien son importantes para detectar objetivos, la intensidad del emisor y la distancia no son factores que afecten el cálculo de un RCS porque el RCS es una propiedad de la reflectividad del objetivo.
La sección transversal del radar se utiliza para detectar aviones en una amplia variedad de rangos. Por ejemplo, un avión furtivo (que está diseñado para tener baja detectabilidad) tendrá características de diseño que le otorgan un RCS bajo (como pintura absorbente, superficies planas, superficies específicamente anguladas para reflejar la señal en algún lugar que no sea hacia la fuente), a diferencia de un avión de pasajeros que tendrá un RCS alto (metal desnudo, superficies redondeadas que garantizan efectivamente reflejar alguna señal de regreso a la fuente, muchas protuberancias como los motores, antenas, etc.). El RCS es fundamental para el desarrollo de la tecnología de sigilo por radar , particularmente en aplicaciones que involucran aviones y misiles balísticos . [2] Los datos RCS para los aviones militares actuales son en su mayoría altamente clasificados.
En algunos casos, resulta interesante observar un área del terreno que incluye muchos objetos. En esas situaciones, resulta útil utilizar una cantidad relacionada denominada sección transversal de radar normalizada ( NRCS ), también conocida como coeficiente de dispersión diferencial o coeficiente de retrodispersión de radar , denotada σ 0 o σ 0 ("sigma cero"), que es la sección transversal de radar promedio de un conjunto de objetos por unidad de área:
dónde:
De manera informal, la RCS de un objeto es el área de la sección transversal de una esfera perfectamente reflectante que produciría la misma intensidad de reflexión que el objeto en cuestión (tamaños mayores de esta esfera imaginaria producirían reflexiones más fuertes). Por lo tanto, la RCS es una abstracción: el área de la sección transversal de radar de un objeto no necesariamente tiene una relación directa con el área de la sección transversal física de ese objeto, sino que depende de otros factores. [4]
De manera menos informal, la RCS de un objetivo de radar es un área efectiva que intercepta la potencia del radar transmitida y luego dispersa esa potencia isótropamente de regreso al receptor del radar.
Más precisamente, la RCS de un objetivo de radar es el área hipotética requerida para interceptar la densidad de potencia transmitida en el objetivo de tal manera que si la potencia interceptada total se re-irradiara isotrópicamente, se produciría la densidad de potencia realmente observada en el receptor. [5] Esta afirmación se puede entender examinando la ecuación del radar monoestático (transmisor y receptor de radar ubicados en el mismo lugar) término por término:
dónde
El término en la ecuación del radar representa la densidad de potencia (vatios por metro cuadrado) que el transmisor del radar produce en el objetivo. Esta densidad de potencia es interceptada por el objetivo con una sección transversal de radar , que tiene unidades de área (metros cuadrados). Por lo tanto, el producto tiene las dimensiones de potencia (vatios) y representa una potencia total hipotética interceptada por el objetivo del radar. El segundo término representa la propagación isótropa de esta potencia interceptada desde el objetivo hasta el receptor del radar. Por lo tanto, el producto representa la densidad de potencia reflejada en el receptor del radar (de nuevo, vatios por metro cuadrado). La antena del receptor recoge entonces esta densidad de potencia con un área efectiva , lo que produce la potencia recibida por el radar (vatios) según lo indicado por la ecuación del radar anterior.
La dispersión de la potencia del radar incidente por un objetivo de radar nunca es isótropa (incluso para un objetivo esférico), y la RCS es un área hipotética. En este sentido, la RCS puede considerarse como un factor de corrección que hace que la ecuación del radar "funcione correctamente" para la relación observada experimentalmente de . Sin embargo, la RCS es una propiedad exclusiva del objetivo y puede medirse o calcularse. Por lo tanto, la RCS permite analizar el rendimiento de un sistema de radar con un objetivo determinado independientemente de los parámetros del radar y de la interacción. En general, la RCS es una función de la orientación del radar y el objetivo. La RCS de un objetivo depende de su tamaño, la reflectividad de su superficie y la directividad del retorno del radar causado por la forma geométrica del objetivo.
Por regla general, cuanto mayor sea el tamaño de un objeto, más fuerte será su reflexión en el radar y, por tanto, mayor será su RCS. Además, es posible que un radar de una banda no detecte incluso objetos de determinados tamaños. Por ejemplo, un radar de 10 cm (banda S) puede detectar gotas de lluvia, pero no nubes cuyas gotitas sean demasiado pequeñas.
Los materiales como el metal son muy reflectantes para el radar y tienden a producir señales potentes. La madera y la tela (como las partes de los aviones y globos que se solían fabricar comúnmente) o el plástico y la fibra de vidrio son menos reflectantes o incluso transparentes al radar, lo que los hace adecuados para los radomos . Incluso una capa muy fina de metal puede hacer que un objeto sea muy reflectante para el radar. La paja suele estar hecha de plástico o vidrio metalizado (de manera similar a las láminas metalizadas de los alimentos) con capas microscópicamente delgadas de metal.
Además, algunos dispositivos están diseñados para ser activos por radar, como las antenas de radar, y esto aumentará el RCS.
El SR-71 Blackbird y otros aviones estaban pintados con una " pintura especial de bolas de hierro " que consistía en pequeñas bolas revestidas de metal. La energía del radar recibida se convierte en calor en lugar de reflejarse.
Las superficies del F-117A están diseñadas para ser planas y muy anguladas. Esto tiene el efecto de que el radar incida en un ángulo grande (con respecto al rayo normal ) que luego rebotará en un ángulo reflejado igualmente alto; se dispersa hacia adelante. Los bordes son afilados para evitar superficies redondeadas que son normales en algún punto a la fuente del radar. Como cualquier rayo que incida a lo largo de la normal se reflejará de vuelta a lo largo de la normal, las superficies redondeadas generan una señal reflejada fuerte. [2]
Desde un costado, un avión de combate presentará un área mucho mayor que el mismo avión visto desde el frente. Si todos los demás factores son iguales, el avión tendrá una señal más fuerte desde el costado que desde el frente; por lo tanto, la orientación del objetivo con respecto a la estación de radar es importante.
El relieve de una superficie podría contener hendiduras que actúen como reflectores en las esquinas , lo que aumentaría la RCS desde muchas orientaciones. Esto podría deberse a bodegas de bombas abiertas , entradas de motores, pilones de artillería, juntas entre secciones construidas, etc. Además, puede resultar poco práctico recubrir estas superficies con materiales absorbentes de radar .
El tamaño de la imagen de un objetivo en el radar se mide por la sección transversal del radar o RCS, a menudo representada por el símbolo σ y expresada en metros cuadrados. Esto no es igual al área geométrica. Una esfera perfectamente conductora de área de sección transversal proyectada de 1 m 2 (es decir, un diámetro de 1,13 m) tendrá una RCS de 1 m 2 . Para longitudes de onda de radar mucho menores que el diámetro de la esfera, la RCS es independiente de la frecuencia. Por el contrario, una placa plana cuadrada de área 1 m 2 tendrá una RCS de σ = 4π A 2 / λ 2 (donde A = área, λ = longitud de onda), o 139,62 m 2 a 1 GHz si el radar es perpendicular a la superficie plana. [2] En ángulos de incidencia anormales , la energía se refleja lejos del receptor, lo que reduce la RCS. Se dice que los aviones furtivos modernos tienen una RCS comparable con pájaros pequeños o insectos grandes, [6] aunque esto varía ampliamente según el avión y el radar.
Si la RCS estuviera directamente relacionada con el área de la sección transversal del objetivo, la única forma de reducirla sería haciendo que el perfil físico fuera más pequeño. En cambio, al reflejar gran parte de la radiación o al absorberla, el objetivo logra una sección transversal de radar más pequeña. [7]
La medición de la RCS de un objetivo se realiza en un rango de reflectividad de radar o rango de dispersión. [ cita requerida ] El primer tipo de rango es un rango al aire libre donde el objetivo se coloca en un pilón RCS bajo de forma especial a cierta distancia de los transmisores. Este tipo de rango elimina la necesidad de colocar absorbedores de radar detrás del objetivo, sin embargo, se deben mitigar las interacciones de trayectoria múltiple con el suelo.
También se suele utilizar una cámara anecoica . En este tipo de cámara, el objetivo se coloca sobre un pilar giratorio en el centro y las paredes, el suelo y el techo se cubren con pilas de material absorbente de radar. Estos absorbentes evitan la corrupción de la medición debido a las reflexiones. Un campo de tiro compacto es una cámara anecoica con un reflector para simular las condiciones de campo lejano.
Los valores típicos para un radar de ondas centimétricas son: [8] [9]
Cuantitativamente, el RCS se calcula en tres dimensiones como [4]
¿Dónde está la RCS, es la densidad de potencia incidente medida en el objetivo y es la densidad de potencia dispersa observada a una distancia del objetivo?
En el análisis electromagnético esto también se escribe comúnmente como [2].
donde y son las intensidades del campo eléctrico incidente y disperso en el campo lejano , respectivamente.
En la fase de diseño, suele ser conveniente emplear una computadora para predecir cómo lucirá el RCS antes de fabricar un objeto real. Se pueden realizar muchas iteraciones de este proceso de predicción en poco tiempo y a bajo costo, mientras que el uso de un rango de medición suele requerir mucho tiempo, ser costoso y propenso a errores. La linealidad de las ecuaciones de Maxwell hace que el RCS sea relativamente fácil de calcular con una variedad de métodos analíticos y numéricos, pero los niveles cambiantes de interés militar y la necesidad de confidencialidad han hecho que el campo sea un desafío, no obstante.
El campo de la resolución de las ecuaciones de Maxwell mediante algoritmos numéricos se denomina electromagnetismo computacional y se han aplicado muchos métodos de análisis eficaces al problema de predicción RCS. El software de predicción RCS suele ejecutarse en grandes supercomputadoras y emplea modelos CAD de alta resolución de objetivos de radar reales.
Se utilizan aproximaciones de alta frecuencia , como la óptica geométrica , la óptica física , la teoría geométrica de difracción , la teoría uniforme de difracción y la teoría física de difracción , cuando la longitud de onda es mucho más corta que el tamaño de la característica objetivo.
Los modelos estadísticos incluyen el modelo de Chi-cuadrado , el de Rice y el de objetivos log-normales . Estos modelos se utilizan para predecir los valores probables de la RCS dado un valor promedio y son útiles cuando se ejecutan simulaciones de Monte Carlo de radar .
Los métodos puramente numéricos , como el método de elementos límite ( método de momentos ), el método de dominio de tiempo de diferencias finitas ( FDTD ) y los métodos de elementos finitos, están limitados por el rendimiento de la computadora a longitudes de onda más largas o características más pequeñas.
Aunque, para casos simples, los rangos de longitud de onda de estos dos tipos de métodos se superponen considerablemente, para formas y materiales difíciles o precisión muy alta se combinan en varios tipos de métodos híbridos.
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La reducción de la RCS es especialmente importante en la tecnología furtiva para aeronaves, misiles, barcos y otros vehículos militares. Con una RCS más pequeña, los vehículos pueden evadir mejor la detección por radar, ya sea desde instalaciones terrestres, armas guiadas u otros vehículos. El diseño de firma reducida también mejora la capacidad de supervivencia general de las plataformas a través de la mayor eficacia de sus contramedidas de radar. [2]
Existen varios métodos. La distancia a la que se puede detectar un objetivo para una configuración de radar dada varía con la raíz cuarta de su RCS. [12] Por lo tanto, para reducir la distancia de detección a una décima parte, el RCS debe reducirse en un factor de 10.000. Si bien este grado de mejora es difícil, a menudo es posible cuando se influye en las plataformas durante la etapa de concepto/diseño y se utilizan expertos y simulaciones avanzadas de código informático para implementar las opciones de control que se describen a continuación.
En el modelado de objetivos, la forma de las superficies reflectantes del objetivo se diseña de tal manera que reflejen la energía lejos de la fuente. El objetivo suele ser crear un "cono de silencio" alrededor de la dirección del movimiento del objetivo. Debido a la reflexión de la energía, este método se ve frustrado por el uso de radares pasivos (multiestáticos) .
El modelado con un propósito específico se puede ver en el diseño de facetas de superficie en el avión de ataque furtivo F-117A Nighthawk . Este avión, diseñado a fines de la década de 1970, aunque recién revelado al público en 1988, utiliza una multitud de superficies planas para reflejar la energía del radar incidente lejos de la fuente. Yue sugiere [13] que la limitada potencia de procesamiento disponible para la fase de diseño mantuvo el número de superficies al mínimo. El bombardero furtivo B-2 Spirit se benefició de una mayor potencia de procesamiento, lo que le permitió tener formas contorneadas y una mayor reducción en el RCS. El F-22 Raptor y el F-35 Lightning II continúan la tendencia en el modelado con un propósito específico y prometen tener un RCS monoestático aún más pequeño.
Esta técnica es relativamente nueva en comparación con otras técnicas principalmente después de la invención de las metasuperficies . [14] [15] [16] Como se mencionó anteriormente, el objetivo principal en la alteración de la geometría es redirigir las ondas dispersas lejos de la dirección retrodispersada (o la fuente). Sin embargo, puede comprometer el rendimiento en términos de aerodinámica. [14] [15] [17] Una solución factible, que se ha explorado ampliamente en los últimos tiempos, es utilizar metasuperficies que puedan redirigir las ondas dispersas sin alterar la geometría del objetivo. [15] [16] Dichas metasuperficies se pueden clasificar principalmente en dos categorías: (i) metasuperficies de tablero de ajedrez, (ii) metasuperficies de índice de gradiente.
Con la cancelación activa, el objetivo genera una señal de radar de intensidad igual pero de fase opuesta a la reflexión prevista de una señal de radar incidente (de forma similar a los auriculares con cancelación de ruido). Esto crea una interferencia destructiva entre las señales reflejadas y generadas, lo que da como resultado una reducción de la RCS. Para incorporar técnicas de cancelación activa, se deben conocer las características precisas de la forma de onda y el ángulo de llegada de la señal de radar de iluminación, ya que definen la naturaleza de la energía generada necesaria para la cancelación. Excepto en el caso de sistemas de radar simples o de baja frecuencia, la implementación de técnicas de cancelación activa es extremadamente difícil debido a los complejos requisitos de procesamiento y la dificultad de predecir la naturaleza exacta de la señal de radar reflejada sobre un aspecto amplio de una aeronave, misil u otro objetivo.
El material absorbente de radar (RAM) [2] se puede utilizar en la construcción original o como complemento de superficies altamente reflectantes. Existen al menos tres tipos de RAM: resonante, magnético no resonante y de gran volumen no resonante.
Los recubrimientos delgados hechos únicamente de dieléctricos y conductores tienen un ancho de banda de absorción muy limitado, por lo que se utilizan materiales magnéticos cuando el peso y el costo lo permiten, ya sea en RAM resonante o como RAM no resonante.
Los recubrimientos delgados no resonantes o de resonancia amplia se pueden modelar con una condición de contorno de impedancia de Leontovich (ver también Impedancia eléctrica ). Esta es la relación entre el campo eléctrico tangencial y el campo magnético tangencial en la superficie, e ignora los campos que se propagan a lo largo de la superficie dentro del recubrimiento. Esto es particularmente conveniente cuando se utilizan cálculos del método de elementos de contorno . La impedancia de la superficie se puede calcular y probar por separado. Para una superficie isotrópica, la impedancia de la superficie ideal es igual a la impedancia de 377 ohmios del espacio libre . Para recubrimientos no isotrópicos ( anisótropos ), el recubrimiento óptimo depende de la forma del objetivo y la dirección del radar, pero la dualidad, la simetría de las ecuaciones de Maxwell entre los campos eléctrico y magnético, indica que los recubrimientos óptimos tienen η 0 × η 1 = 377 2 Ω 2 , donde η 0 y η 1 son componentes perpendiculares de la impedancia de la superficie anisotrópica, alineados con los bordes y/o la dirección del radar.
Un conductor eléctrico perfecto tiene más retrodispersión desde un borde delantero para la polarización lineal con el campo eléctrico paralelo al borde y más desde un borde trasero con el campo eléctrico perpendicular al borde, por lo que la alta impedancia de superficie debe ser paralela a los bordes delanteros y perpendicular a los bordes traseros, para la mayor dirección de amenaza de radar, con algún tipo de transición suave entre ellos.
Para calcular la sección transversal de radar de un cuerpo tan invisible, normalmente se harían cálculos de reflexión unidimensionales para calcular la impedancia de la superficie, luego cálculos numéricos bidimensionales para calcular los coeficientes de difracción de los bordes y pequeños cálculos tridimensionales para calcular los coeficientes de difracción de las esquinas y los puntos. La sección transversal se puede calcular entonces, utilizando los coeficientes de difracción, con la teoría física de la difracción u otro método de alta frecuencia, combinado con la óptica física para incluir las contribuciones de las superficies lisas iluminadas y los cálculos de Fock para calcular las ondas progresivas que circulan alrededor de cualquier parte lisa y sombreada.
La optimización se realiza en orden inverso. Primero se realizan cálculos de alta frecuencia para optimizar la forma y encontrar las características más importantes, luego cálculos pequeños para encontrar las mejores impedancias de superficie en las áreas problemáticas y, por último, cálculos de reflexión para diseñar los revestimientos. Los cálculos numéricos grandes pueden ejecutarse demasiado lentamente para la optimización numérica o pueden distraer a los trabajadores de la física, incluso cuando se dispone de una gran potencia de procesamiento.
En el caso de una antena, la RCS total se puede dividir en dos componentes separados: RCS de modo estructural y RCS de modo de antena. Los dos componentes de la RCS se relacionan con los dos fenómenos de dispersión que tienen lugar en la antena. Cuando una señal electromagnética cae sobre la superficie de una antena, una parte de la energía electromagnética se dispersa de nuevo al espacio. Esto se denomina dispersión de modo estructural. La parte restante de la energía se absorbe debido al efecto de antena . Una parte de la energía absorbida se vuelve a dispersar en el espacio debido a los desajustes de impedancia, lo que se denomina dispersión de modo de antena. [18] [19] [20]
Para la configuración de radar biestático (transmisor y receptor separados (no ubicados en el mismo lugar), la sección transversal del radar biestático ( BRCS ) es una función tanto de la orientación del transmisor como de la orientación del receptor. También se puede definir una sección transversal del radar biestático normalizado ( NBRCS ) o una sección transversal del radar biestático normalizado ( BNRCS ), similar a la NRCS monoestática.
