El radar es un sistema que utiliza ondas de radio para determinar la distancia ( rango ), la dirección ( ángulos de acimut y elevación ) y la velocidad radial de los objetos en relación con el sitio. Es un método de radiodeterminación [1] utilizado para detectar y rastrear aeronaves , barcos , naves espaciales , misiles guiados , vehículos de motor , mapear formaciones meteorológicas y terrenos .
Un sistema de radar consta de un transmisor que produce ondas electromagnéticas en el dominio de la radio o las microondas , una antena transmisora , una antena receptora (a menudo se utiliza la misma antena para transmitir y recibir) y un receptor y un procesador para determinar las propiedades de los objetos. Las ondas de radio (pulsadas o continuas) del transmisor se reflejan en los objetos y regresan al receptor, proporcionando información sobre la ubicación y la velocidad de los objetos.
El radar fue desarrollado en secreto para uso militar por varios países en el período anterior y durante la Segunda Guerra Mundial . Un desarrollo clave fue el magnetrón de cavidad en el Reino Unido , que permitió la creación de sistemas relativamente pequeños con una resolución submétrica. El término RADAR fue acuñado en 1940 por la Marina de los Estados Unidos como acrónimo de "radio detection and measuring". [2] [3] [4] [5] [6] Desde entonces, el término radar ha ingresado al inglés y a otros idiomas como un anacrónimo, un sustantivo común, perdiendo todas las mayúsculas .
Los usos modernos del radar son muy diversos, e incluyen el control del tráfico aéreo y terrestre, la astronomía por radar , los sistemas de defensa aérea , los sistemas antimisiles , los radares marinos para localizar puntos de referencia y otros barcos, los sistemas anticolisión de aeronaves, los sistemas de vigilancia oceánica , los sistemas de vigilancia y encuentro en el espacio exterior , el seguimiento de las precipitaciones meteorológicas , la teledetección por radar , los sistemas de altimetría y control de vuelo , los sistemas de localización de objetivos con misiles guiados , los coches autónomos y el radar de penetración terrestre para observaciones geológicas. Los modernos sistemas de radar de alta tecnología utilizan el procesamiento de señales digitales y el aprendizaje automático y son capaces de extraer información útil de niveles de ruido muy elevados .
Otros sistemas similares al radar utilizan otras partes del espectro electromagnético . Un ejemplo es el lidar , que utiliza predominantemente luz infrarroja de láseres en lugar de ondas de radio. Con la aparición de vehículos sin conductor, se espera que el radar ayude a la plataforma automatizada a monitorear su entorno, evitando así incidentes no deseados. [7]
En 1886, el físico alemán Heinrich Hertz demostró que las ondas de radio podían reflejarse en objetos sólidos. En 1895, Alexander Popov , instructor de física en la escuela de la Armada Imperial Rusa en Kronstadt , desarrolló un aparato que utilizaba un tubo cohesor para detectar rayos distantes. Al año siguiente, añadió un transmisor de chispa . En 1897, mientras probaba este equipo para la comunicación entre dos barcos en el mar Báltico , tomó nota de una interferencia causada por el paso de un tercer barco. En su informe, Popov escribió que este fenómeno podría usarse para detectar objetos, pero no hizo nada más con esta observación. [8]
El inventor alemán Christian Hülsmeyer fue el primero en utilizar ondas de radio para detectar "la presencia de objetos metálicos distantes". En 1904, demostró la viabilidad de detectar un barco en una densa niebla, pero no su distancia al transmisor. [9] Obtuvo una patente [10] para su dispositivo de detección en abril de 1904 y más tarde una patente [11] para una modificación relacionada para estimar la distancia al barco. También obtuvo una patente británica el 23 de septiembre de 1904 [12] para un sistema de radar completo, al que llamó telemobiloscopio . Operaba en una longitud de onda de 50 cm y la señal de radar pulsada se creaba a través de un chisporroteador. Su sistema ya utilizaba la configuración clásica de antena de bocina con reflector parabólico y fue presentado a funcionarios militares alemanes en pruebas prácticas en el puerto de Colonia y Róterdam , pero fue rechazado. [13]
En 1915, Robert Watson-Watt utilizó la tecnología de la radio para proporcionar a los aviadores una advertencia anticipada de las tormentas eléctricas [14] [15] y durante la década de 1920 continuó liderando el establecimiento de investigación del Reino Unido para realizar muchos avances utilizando técnicas de radio, incluyendo el sondeo de la ionosfera y la detección de rayos a grandes distancias. A través de sus experimentos con rayos, Watson-Watt se convirtió en un experto en el uso de la radiogoniometría antes de dirigir su investigación a la transmisión de onda corta . Al necesitar un receptor adecuado para tales estudios, le dijo al "chico nuevo" Arnold Frederic Wilkins que realizara una revisión exhaustiva de las unidades de onda corta disponibles. Wilkins seleccionaría un modelo de la Oficina General de Correos después de observar la descripción en su manual de un efecto de "desvanecimiento" (el término común para la interferencia en ese momento) cuando los aviones volaban por encima.
En 1922, los investigadores de la Marina de los EE. UU. A. Hoyt Taylor y Leo C. Young, al colocar un transmisor y un receptor en lados opuestos del río Potomac , descubrieron que los barcos que pasaban por la trayectoria del haz provocaban que la señal recibida apareciera y desapareciera gradualmente. Taylor presentó un informe en el que sugería que este fenómeno podría utilizarse para detectar la presencia de barcos en condiciones de baja visibilidad, pero la Marina no continuó con el trabajo de inmediato. Ocho años después, Lawrence A. Hyland, del Laboratorio de Investigación Naval (NRL), observó efectos de desvanecimiento similares en el paso de aeronaves; esta revelación dio lugar a una solicitud de patente [16], así como a una propuesta para realizar una investigación intensiva adicional sobre las señales de eco de radio de objetivos en movimiento en el NRL, donde Taylor y Young trabajaban en ese momento. [17]
De manera similar, en el Reino Unido, LS Alder obtuvo una patente provisional secreta para un radar naval en 1928. [18] WAS Butement y PE Pollard desarrollaron una unidad de prueba en placa de pruebas , que funcionaba a 50 cm (600 MHz) y utilizaba modulación pulsada que dio resultados de laboratorio satisfactorios. En enero de 1931, se incluyó una descripción del aparato en el Libro de Invenciones mantenido por los Ingenieros Reales. Este es el primer registro oficial en Gran Bretaña de la tecnología que se utilizó en la defensa costera y se incorporó a Chain Home como Chain Home (low) . [19] [20]
Antes de la Segunda Guerra Mundial , investigadores del Reino Unido, Francia , Alemania , Italia , Japón , los Países Bajos [21] , la Unión Soviética y los Estados Unidos, de forma independiente y en gran secreto, desarrollaron tecnologías que condujeron a la versión moderna del radar. Australia, Canadá, Nueva Zelanda y Sudáfrica siguieron el desarrollo del radar de Gran Bretaña antes de la guerra, Hungría y Suecia generaron su tecnología de radar durante la guerra. [ cita requerida ]
En Francia, en 1934, a raíz de estudios sistemáticos sobre el magnetrón de ánodo partido , la rama de investigación de la Compagnie générale de la télégraphie sans fil (CSF) dirigida por Maurice Ponte con Henri Gutton, Sylvain Berline y M. Hugon, comenzó a desarrollar un aparato de radio para localizar obstáculos, algunos de cuyos aspectos se instalaron en el transatlántico Normandie en 1935. [22] [23]
Durante el mismo período, el ingeniero militar soviético P. K. Oshchepkov , en colaboración con el Instituto Electrotécnico de Leningrado , produjo un aparato experimental, RAPID, capaz de detectar una aeronave a 3 km de un receptor. [24] Los soviéticos produjeron sus primeros radares de producción en masa RUS-1 y RUS-2 Redut en 1939, pero el desarrollo posterior se ralentizó tras el arresto de Oshchepkov y su posterior sentencia al gulag . En total, solo se produjeron 607 estaciones Redut durante la guerra. El primer radar aerotransportado ruso, Gneiss-2 , entró en servicio en junio de 1943 en los bombarderos en picado Pe-2 . A fines de 1944 se produjeron más de 230 estaciones Gneiss-2. [25] Sin embargo, los sistemas francés y soviético presentaban un funcionamiento de onda continua que no proporcionaba el rendimiento completo que en última instancia es sinónimo de los sistemas de radar modernos.
El radar completo evolucionó como un sistema pulsado, y el primer aparato elemental de este tipo fue demostrado en diciembre de 1934 por el estadounidense Robert M. Page , trabajando en el Laboratorio de Investigación Naval . [26] Al año siguiente, el Ejército de los Estados Unidos probó con éxito un radar primitivo superficie-superficie para apuntar los reflectores de las baterías costeras durante la noche. [27] Este diseño fue seguido por un sistema pulsado demostrado en mayo de 1935 por Rudolf Kühnhold y la empresa GEMA en Alemania y luego otro en junio de 1935 por un equipo del Ministerio del Aire dirigido por Robert Watson-Watt en Gran Bretaña.
En 1935, Watson-Watt recibió la petición de evaluar los informes recientes sobre un rayo letal basado en radio alemán y le pasó la solicitud a Wilkins. Wilkins devolvió un conjunto de cálculos que demostraban que el sistema era básicamente imposible. Cuando Watson-Watt preguntó qué podría hacer un sistema de este tipo, Wilkins recordó el informe anterior sobre los aviones que causaban interferencias de radio. Esta revelación condujo al Experimento Daventry del 26 de febrero de 1935, utilizando un potente transmisor de onda corta de la BBC como fuente y su receptor GPO configurado en un campo mientras un bombardero volaba alrededor del sitio. Cuando el avión fue detectado claramente, Hugh Dowding , el miembro del aire para suministro e investigación , quedó muy impresionado con el potencial de su sistema y se proporcionaron fondos de inmediato para un mayor desarrollo operativo. [28] El equipo de Watson-Watt patentó el dispositivo en la patente GB593017. [29] [30] [31]
El desarrollo del radar se amplió enormemente el 1 de septiembre de 1936, cuando Watson-Watt se convirtió en superintendente de un nuevo establecimiento dependiente del Ministerio del Aire británico , la Estación de Investigación Bawdsey, situada en Bawdsey Manor , cerca de Felixstowe, Suffolk. El trabajo allí dio como resultado el diseño e instalación de estaciones de detección y seguimiento de aeronaves llamadas " Chain Home " a lo largo de las costas este y sur de Inglaterra a tiempo para el estallido de la Segunda Guerra Mundial en 1939. Este sistema proporcionó la información anticipada vital que ayudó a la Royal Air Force a ganar la Batalla de Gran Bretaña ; sin él, un número significativo de aviones de combate, que Gran Bretaña no tenía disponibles, siempre habrían tenido que estar en el aire para responder rápidamente. El radar formaba parte del " sistema Dowding " para recopilar informes de aeronaves enemigas y coordinar la respuesta.
Con todo el apoyo financiero y de desarrollo necesario, el equipo fabricó sistemas de radar en funcionamiento en 1935 y comenzó a desplegarlos. En 1936, los primeros cinco sistemas Chain Home (CH) estaban operativos y en 1940 se extendían por todo el Reino Unido, incluida Irlanda del Norte. Incluso para los estándares de la época, el sistema CH era rudimentario: en lugar de transmitir y recibir desde una antena dirigida, el sistema CH transmitía una señal que iluminaba toda la zona que tenía delante y luego utilizaba uno de los radiogoniómetros de Watson-Watt para determinar la dirección de los ecos devueltos. Este hecho significaba que los transmisores CH tenían que ser mucho más potentes y tener mejores antenas que los sistemas de la competencia, pero permitió su rápida introducción utilizando tecnologías existentes.
Un avance clave fue el magnetrón de cavidad en el Reino Unido, que permitió la creación de sistemas relativamente pequeños con una resolución inferior a un metro. Gran Bretaña compartió la tecnología con los EE. UU . durante la Misión Tizard de 1940. [32] [33]
En abril de 1940, Popular Science mostró un ejemplo de una unidad de radar que utilizaba la patente de Watson-Watt en un artículo sobre defensa aérea. [34] Además, a finales de 1941, Popular Mechanics publicó un artículo en el que un científico estadounidense especulaba sobre el sistema de alerta temprana británico en la costa este de Inglaterra y se acercaba a lo que era y cómo funcionaba. [35] Watson-Watt fue enviado a los EE. UU. en 1941 para asesorar sobre defensa aérea después del ataque de Japón a Pearl Harbor . [36] Alfred Lee Loomis organizó el Laboratorio de Radiación secreto del MIT en el Instituto Tecnológico de Massachusetts , Cambridge, Massachusetts, que desarrolló la tecnología de radar de microondas en los años 1941-45. Más tarde, en 1943, Page mejoró enormemente el radar con la técnica monopulso que se utilizó durante muchos años en la mayoría de las aplicaciones de radar. [37]
La guerra precipitó la investigación para encontrar una mejor resolución, más portabilidad y más funciones para el radar, incluidos equipos pequeños y livianos para equipar a los cazas nocturnos ( radar de interceptación de aeronaves ) y a los aviones de patrulla marítima ( radar aire-superficie-buque ), y sistemas de navegación complementarios como el Oboe utilizado por el Pathfinder de la RAF .
La información que proporciona el radar incluye la orientación y la distancia (y, por lo tanto, la posición) del objeto desde el escáner de radar. Por lo tanto, se utiliza en muchos campos diferentes donde la necesidad de dicho posicionamiento es crucial. El primer uso del radar fue para fines militares: para localizar objetivos aéreos, terrestres y marítimos. Esto evolucionó en el campo civil a aplicaciones para aviones, barcos y automóviles. [38] [39]
En aviación , las aeronaves pueden estar equipadas con dispositivos de radar que advierten de la presencia de aeronaves u otros obstáculos en su trayectoria o que se aproximan a ella, muestran información meteorológica y dan lecturas precisas de la altitud. El primer dispositivo comercial instalado en una aeronave fue una unidad Bell Lab de 1938 en algunas aeronaves de United Air Lines . [35] Las aeronaves pueden aterrizar en la niebla en aeropuertos equipados con sistemas de aproximación controlados por tierra asistidos por radar en los que los operadores observan la posición del avión en las pantallas de radar de aproximación de precisión y dan instrucciones de aterrizaje por radio al piloto, manteniendo la aeronave en una trayectoria de aproximación definida a la pista. Los aviones de combate militares suelen estar equipados con radares de orientación aire-aire para detectar y apuntar a las aeronaves enemigas. Además, las aeronaves militares especializadas más grandes llevan potentes radares aerotransportados para observar el tráfico aéreo en una amplia región y dirigir a las aeronaves de combate hacia los objetivos. [40]
Los radares marinos se utilizan para medir el rumbo y la distancia de los barcos, con el fin de evitar colisiones con otros barcos, navegar y fijar su posición en el mar cuando se encuentran dentro del alcance de la costa o de otras referencias fijas, como islas, boyas y faros. En los puertos o en las bahías, los sistemas de radar del servicio de tráfico marítimo se utilizan para supervisar y regular los movimientos de los barcos en aguas con mucho tráfico. [41]
Los meteorólogos utilizan el radar para monitorear las precipitaciones y el viento. Se ha convertido en la herramienta principal para el pronóstico meteorológico a corto plazo y la vigilancia del clima severo como tormentas eléctricas , tornados , tormentas de invierno , tipos de precipitaciones, etc. Los geólogos utilizan radares especializados de penetración terrestre para mapear la composición de la corteza terrestre . Las fuerzas policiales utilizan pistolas de radar para monitorear las velocidades de los vehículos en las carreteras. Los radares automotrices se utilizan para el control de crucero adaptativo y el frenado de emergencia en vehículos ignorando los objetos estacionarios al costado de la carretera que podrían causar una aplicación incorrecta de los frenos y, en su lugar, midiendo los objetos en movimiento para evitar colisiones con otros vehículos. Como parte de los sistemas de transporte inteligente , los radares de detección de vehículos detenidos (SVD) de posición fija se montan en el costado de la carretera para detectar vehículos varados, obstrucciones y escombros invirtiendo el enfoque del radar automotriz e ignorando los objetos en movimiento. [42] Se utilizan sistemas de radar más pequeños para detectar el movimiento humano . Algunos ejemplos son la detección de patrones de respiración para el monitoreo del sueño [43] y la detección de gestos de manos y dedos para la interacción con la computadora. [44] La apertura automática de puertas, la activación de luces y la detección de intrusos también son comunes.
Un sistema de radar tiene un transmisor que emite ondas de radio conocidas como señales de radar en direcciones predeterminadas. Cuando estas señales entran en contacto con un objeto, normalmente se reflejan o se dispersan en muchas direcciones, aunque algunas de ellas serán absorbidas y penetrarán en el objetivo. Las señales de radar se reflejan especialmente bien en materiales de considerable conductividad eléctrica , como la mayoría de los metales, el agua de mar y el suelo húmedo. Esto hace posible el uso de altímetros de radar en ciertos casos. Las señales de radar que se reflejan de vuelta hacia el receptor de radar son las deseables para que funcione la detección por radar. Si el objeto se está moviendo hacia o alejándose del transmisor, habrá un ligero cambio en la frecuencia de las ondas de radio debido al efecto Doppler .
Los receptores de radar suelen estar, aunque no siempre, en la misma ubicación que el transmisor. Las señales de radar reflejadas que capta la antena receptora suelen ser muy débiles. Se pueden reforzar mediante amplificadores electrónicos . También se utilizan métodos más sofisticados de procesamiento de señales para recuperar señales de radar útiles.
La débil absorción de las ondas de radio por el medio a través del cual pasan es lo que permite a los radares detectar objetos a distancias relativamente largas, distancias en las que otras longitudes de onda electromagnéticas, como la luz visible , la luz infrarroja y la luz ultravioleta , se atenúan demasiado. Los fenómenos meteorológicos, como la niebla, las nubes, la lluvia, la nieve que cae y el aguanieve, que bloquean la luz visible, suelen ser transparentes a las ondas de radio. Ciertas frecuencias de radio que son absorbidas o dispersadas por el vapor de agua, las gotas de lluvia o los gases atmosféricos (especialmente el oxígeno) se evitan al diseñar radares, excepto cuando se pretende su detección.
El radar se basa en sus propias transmisiones, en lugar de la luz del Sol o de la Luna, o de las ondas electromagnéticas emitidas por los propios objetos objetivo, como la radiación infrarroja (calor). Este proceso de dirigir ondas de radio artificiales hacia los objetos se denomina iluminación , aunque las ondas de radio son invisibles para el ojo humano y para las cámaras ópticas.
Si las ondas electromagnéticas que viajan a través de un material se encuentran con otro material, que tiene una constante dieléctrica o constante diamagnética diferente de la primera, las ondas se reflejarán o dispersarán desde el límite entre los materiales. Esto significa que un objeto sólido en el aire o en el vacío , o un cambio significativo en la densidad atómica entre el objeto y lo que lo rodea, generalmente dispersará las ondas de radar (radio) de su superficie. Esto es particularmente cierto para los materiales conductores de electricidad , como el metal y la fibra de carbono, lo que hace que el radar sea muy adecuado para la detección de aviones y barcos. El material absorbente de radar , que contiene sustancias resistivas y, a veces, magnéticas , se utiliza en vehículos militares para reducir la reflexión del radar . Este es el equivalente en radio a pintar algo de un color oscuro para que no pueda ser visto por el ojo durante la noche.
Las ondas de radar se dispersan de diversas formas, dependiendo del tamaño (longitud de onda) de la onda de radio y la forma del objetivo. Si la longitud de onda es mucho más corta que el tamaño del objetivo, la onda rebotará de una manera similar a la forma en que la luz se refleja en un espejo . Si la longitud de onda es mucho más larga que el tamaño del objetivo, el objetivo puede no ser visible debido a una mala reflexión. La tecnología de radar de baja frecuencia depende de resonancias para la detección, pero no para la identificación, de los objetivos. Esto se describe mediante la dispersión de Rayleigh , un efecto que crea el cielo azul de la Tierra y los atardeceres rojos. Cuando las dos escalas de longitud son comparables, puede haber resonancias . Los primeros radares usaban longitudes de onda muy largas que eran más grandes que los objetivos y, por lo tanto, recibían una señal vaga, mientras que muchos sistemas modernos usan longitudes de onda más cortas (unos pocos centímetros o menos) que pueden obtener imágenes de objetos tan pequeños como una barra de pan.
Las ondas de radio cortas se reflejan en curvas y esquinas de una manera similar al destello de un trozo de vidrio redondeado. Los objetivos más reflectantes para longitudes de onda cortas tienen ángulos de 90° entre las superficies reflectantes . Un reflector de esquina consta de tres superficies planas que se encuentran como la esquina interior de un cubo. La estructura reflejará las ondas que ingresan por su abertura directamente hacia la fuente. Se utilizan comúnmente como reflectores de radar para hacer que los objetos que de otro modo serían difíciles de detectar sean más fáciles de detectar. Los reflectores de esquina en los barcos, por ejemplo, los hacen más detectables para evitar colisiones o durante un rescate. Por razones similares, los objetos destinados a evitar la detección no tendrán esquinas interiores o superficies y bordes perpendiculares a las direcciones de detección probables, lo que da lugar a aviones furtivos de aspecto "extraño" . Estas precauciones no eliminan totalmente la reflexión debido a la difracción , especialmente en longitudes de onda más largas. Los cables o tiras de material conductor de media longitud de onda, como la paja , son muy reflectantes, pero no dirigen la energía dispersada hacia la fuente. La medida en que un objeto refleja o dispersa las ondas de radio se denomina sección transversal de radar .
La potencia P r que retorna a la antena receptora viene dada por la ecuación:
dónde
En el caso común en el que el transmisor y el receptor se encuentran en la misma ubicación, R t = R r y el término R t ² R r ² se puede reemplazar por R 4 , donde R es el alcance. Esto da como resultado:
Esto demuestra que la potencia recibida disminuye a medida que aumenta la cuarta potencia del rango, lo que significa que la potencia recibida de objetivos distantes es relativamente muy pequeña.
El filtrado adicional y la integración de pulsos modifican ligeramente la ecuación del radar para mejorar el rendimiento del radar de pulso Doppler , que puede usarse para aumentar el rango de detección y reducir la potencia de transmisión.
La ecuación anterior con F = 1 es una simplificación para la transmisión en el vacío sin interferencias. El factor de propagación tiene en cuenta los efectos de la propagación por trayectos múltiples y el sombreado y depende de los detalles del entorno. En una situación del mundo real, también se consideran los efectos de pérdida de trayectoria .
El cambio de frecuencia se produce por el movimiento que modifica la cantidad de longitudes de onda entre el reflector y el radar. Esto puede degradar o mejorar el rendimiento del radar según cómo afecte al proceso de detección. Por ejemplo, la indicación de un objetivo en movimiento puede interactuar con el efecto Doppler para producir una cancelación de señal a determinadas velocidades radiales, lo que degrada el rendimiento.
Los sistemas de radar basados en el mar, los radares semiactivos , los radares activos , los radares meteorológicos , los aviones militares y la astronomía por radar se basan en el efecto Doppler para mejorar el rendimiento. Esto produce información sobre la velocidad del objetivo durante el proceso de detección. Esto también permite detectar objetos pequeños en un entorno que contiene objetos cercanos de movimiento lento mucho más grandes.
El efecto Doppler depende de si la configuración del radar es activa o pasiva. El radar activo transmite una señal que se refleja de vuelta al receptor. El radar pasivo depende de que el objeto envíe una señal al receptor.
El desplazamiento de frecuencia Doppler para el radar activo es el siguiente, donde es la frecuencia Doppler, es la frecuencia de transmisión, es la velocidad radial y es la velocidad de la luz: [46]
El radar pasivo se aplica a las contramedidas electrónicas y a la radioastronomía de la siguiente manera:
Sólo es relevante el componente radial de la velocidad. Cuando el reflector se mueve en ángulo recto respecto del haz del radar, no tiene velocidad relativa. Los objetos que se mueven en paralelo al haz del radar producen el desplazamiento máximo de la frecuencia Doppler.
Cuando la frecuencia de transmisión ( ) es pulsada, utilizando una frecuencia de repetición de pulso de , el espectro de frecuencia resultante contendrá frecuencias armónicas por encima y por debajo con una distancia de . Como resultado, la medición Doppler solo es no ambigua si el desplazamiento de frecuencia Doppler es menor que la mitad de , llamada frecuencia de Nyquist , ya que la frecuencia devuelta de otra manera no se puede distinguir del desplazamiento de una frecuencia armónica por encima o por debajo, por lo que se requiere:
O al sustituir por :
Por ejemplo, un radar meteorológico Doppler con una frecuencia de pulso de 2 kHz y una frecuencia de transmisión de 1 GHz puede medir de manera confiable la velocidad del clima hasta un máximo de 150 m/s (340 mph), por lo que no puede determinar de manera confiable la velocidad radial de una aeronave que se mueve a 1000 m/s (2200 mph).
En toda la radiación electromagnética , el campo eléctrico es perpendicular a la dirección de propagación, y la dirección del campo eléctrico es la polarización de la onda. Para una señal de radar transmitida, la polarización se puede controlar para producir diferentes efectos. Los radares utilizan polarización horizontal, vertical, lineal y circular para detectar diferentes tipos de reflexiones. Por ejemplo, la polarización circular se utiliza para minimizar la interferencia causada por la lluvia. Los retornos de polarización lineal generalmente indican superficies metálicas. Los retornos de polarización aleatoria generalmente indican una superficie fractal , como rocas o suelo, y son utilizados por los radares de navegación.
Un haz de radar sigue una trayectoria lineal en el vacío, pero sigue una trayectoria algo curva en la atmósfera debido a la variación del índice de refracción del aire, que se denomina horizonte de radar . Incluso cuando el haz se emite en paralelo al suelo, el haz se eleva por encima del suelo a medida que la curvatura de la Tierra se hunde por debajo del horizonte. Además, la señal se atenúa por el medio que atraviesa el haz y este se dispersa.
El alcance máximo del radar convencional puede verse limitado por varios factores:
El ruido de la señal es una fuente interna de variaciones aleatorias en la señal, que es generada por todos los componentes electrónicos.
Las señales reflejadas disminuyen rápidamente a medida que aumenta la distancia, por lo que el ruido introduce una limitación en el alcance del radar. El nivel de ruido y la relación señal-ruido son dos medidas diferentes de rendimiento que afectan el rendimiento del alcance. Los reflectores que están demasiado lejos producen muy poca señal para superar el nivel de ruido y no se pueden detectar. La detección requiere una señal que supere el nivel de ruido al menos en la relación señal-ruido.
El ruido suele aparecer como variaciones aleatorias superpuestas a la señal de eco deseada recibida en el receptor de radar. Cuanto menor sea la potencia de la señal deseada, más difícil será distinguirla del ruido. El factor de ruido es una medida del ruido producido por un receptor en comparación con un receptor ideal, y es necesario minimizarlo.
El ruido de disparo es producido por electrones en tránsito a través de una discontinuidad, lo que ocurre en todos los detectores. El ruido de disparo es la fuente dominante en la mayoría de los receptores. También habrá ruido de parpadeo causado por el tránsito de electrones a través de dispositivos de amplificación, que se reduce utilizando la amplificación heterodina . Otra razón para el procesamiento heterodino es que para el ancho de banda fraccional fijo, el ancho de banda instantáneo aumenta linealmente en frecuencia. Esto permite una resolución de rango mejorada. La única excepción notable a los sistemas de radar heterodino (conversión descendente) es el radar de banda ultra ancha . Aquí se utiliza un solo ciclo, u onda transitoria, similar a las comunicaciones UWB, consulte la Lista de canales UWB .
El ruido también es generado por fuentes externas, la más importante de las cuales es la radiación térmica natural del fondo que rodea al objetivo de interés. En los sistemas de radar modernos, el ruido interno es típicamente aproximadamente igual o menor que el ruido externo. Una excepción es si el radar apunta hacia arriba en un cielo despejado, donde la escena es tan "fría" que genera muy poco ruido térmico . El ruido térmico está dado por k B T B , donde T es la temperatura, B es el ancho de banda (postfiltro adaptado) y k B es la constante de Boltzmann . Hay una interpretación intuitiva atractiva de esta relación en un radar. El filtrado adaptado permite comprimir toda la energía recibida de un objetivo en un solo contenedor (ya sea un contenedor de alcance, Doppler, elevación o acimut). En la superficie parece que entonces, dentro de un intervalo fijo de tiempo, se podría obtener una detección perfecta, sin errores. Esto se hace comprimiendo toda la energía en una porción de tiempo infinitesimal. Lo que limita este enfoque en el mundo real es que, mientras que el tiempo es arbitrariamente divisible, la corriente no lo es. El cuanto de energía eléctrica es un electrón, por lo que lo mejor que se puede hacer es filtrar toda la energía en un solo electrón. Dado que el electrón se mueve a una temperatura determinada ( espectro de Planck ), esta fuente de ruido no se puede erosionar más. En última instancia, el radar, como todas las entidades a escala macro, se ve profundamente afectado por la teoría cuántica.
El ruido es aleatorio y las señales de destino no lo son. El procesamiento de señales puede aprovechar este fenómeno para reducir el nivel de ruido utilizando dos estrategias. El tipo de integración de señales que se utiliza con la indicación de objetivo en movimiento puede mejorar el ruido hasta en cada etapa. La señal también se puede dividir entre varios filtros para el procesamiento de señales Doppler de pulso , lo que reduce el nivel de ruido en la cantidad de filtros. Estas mejoras dependen de la coherencia .
Los sistemas de radar deben superar las señales no deseadas para poder centrarse en los objetivos de interés. Estas señales no deseadas pueden tener su origen en fuentes internas y externas, tanto pasivas como activas. La capacidad del sistema de radar para superar estas señales no deseadas define su relación señal-ruido (SNR). La SNR se define como la relación entre la potencia de la señal y la potencia del ruido dentro de la señal deseada; compara el nivel de la señal de un objetivo deseado con el nivel de ruido de fondo (ruido atmosférico y ruido generado dentro del receptor). Cuanto mayor sea la SNR de un sistema, mejor será para discriminar los objetivos reales de las señales de ruido.
El término "desorden" 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 artificiales, como edificios, y, de forma intencionada, contramedidas de radar como la paja . Dichos objetivos también incluyen objetos naturales como el suelo, el mar y, cuando no se utilizan con fines meteorológicos, precipitaciones , picos de granizo , tormentas de polvo , animales (especialmente pájaros), turbulencias en la circulación atmosférica y rastros de meteoritos . El desorden del radar también puede ser causado por otros fenómenos atmosféricos, como perturbaciones en la ionosfera causadas por tormentas geomagnéticas u otros eventos meteorológicos espaciales . Este fenómeno es especialmente evidente cerca de los polos geomagnéticos , donde la acción del viento solar sobre la magnetosfera de la Tierra produce patrones de convección en el plasma ionosférico . [47] El desorden del radar puede degradar la capacidad del radar sobre el horizonte para detectar objetivos. [47] [48]
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 (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 las medidas de rendimiento en un entorno desordenado son:
La técnica de reducción de interferencias más eficaz es el radar Doppler de pulsos . 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 un indicador de objetivo móvil 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 pulsos 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 controlarse mediante 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. [49] 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 alterando 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.
La interferencia de radar se refiere a señales de radiofrecuencia que se originan en fuentes externas al radar y se transmiten en la frecuencia del radar, enmascarando así los objetivos de interés. La interferencia puede ser intencional, como en el caso de una táctica de guerra electrónica , o no intencional, como en el caso de fuerzas amigas que operan equipos que transmiten utilizando el mismo rango de frecuencia. La interferencia se considera una fuente de interferencia activa, ya que es iniciada por elementos externos al radar y, en general, no relacionados con las señales del radar.
La interferencia es problemática para el radar, ya que la señal de interferencia solo necesita viajar en una dirección (desde el inhibidor hasta el receptor de radar), mientras que los ecos del radar viajan en dos direcciones (radar-objetivo-radar) y, por lo tanto, se reducen significativamente en potencia para el momento en que regresan al receptor de radar de acuerdo con la ley del cuadrado inverso . Por lo tanto, los inhibidores pueden ser mucho menos potentes que sus radares bloqueados y aún así enmascarar eficazmente los objetivos a lo largo de la línea de visión desde el inhibidor hasta el radar ( interferencia del lóbulo principal ). Los inhibidores tienen el efecto adicional de afectar a los radares a lo largo de otras líneas de visión a través de los lóbulos laterales del receptor de radar ( interferencia del lóbulo lateral ).
La interferencia del lóbulo principal generalmente solo se puede reducir estrechando el ángulo sólido del lóbulo principal y no se puede eliminar por completo cuando se enfrenta directamente a un bloqueador que utiliza la misma frecuencia y polarización que el radar. La interferencia del lóbulo lateral se puede superar reduciendo los lóbulos laterales de recepción en el diseño de la antena del radar y utilizando una antena omnidireccional para detectar y descartar señales que no sean del lóbulo principal. Otras técnicas antiinterferencia son el salto de frecuencia y la polarización .
Una forma de obtener una medición de distancia (rango) se basa en el tiempo de vuelo : transmitir un pulso corto de señal de radio (radiación electromagnética) y medir el tiempo que tarda la reflexión en regresar. La distancia es la mitad del tiempo de ida y vuelta multiplicado por la velocidad de la señal. El factor de la mitad proviene del hecho de que la señal tiene que viajar hasta el objeto y regresar nuevamente. Dado que las ondas de radio viajan a la velocidad de la luz , la medición precisa de la distancia requiere electrónica de alta velocidad. En la mayoría de los casos, el receptor no detecta el retorno mientras se transmite la señal. Mediante el uso de un duplexor, el radar cambia entre transmisión y recepción a una velocidad predeterminada. Un efecto similar también impone un alcance máximo. Para maximizar el alcance, se deben utilizar tiempos más largos entre pulsos, denominados tiempo de repetición de pulso, o su recíproco, frecuencia de repetición de pulso.
Estos dos efectos tienden a estar en conflicto entre sí, y no es fácil combinar un buen alcance corto y un buen alcance largo en un solo radar. Esto se debe a que los pulsos cortos necesarios para una buena transmisión de alcance mínimo tienen menos energía total, lo que hace que los retornos sean mucho más pequeños y el objetivo más difícil de detectar. Esto se podría compensar utilizando más pulsos, pero esto acortaría el alcance máximo. Por lo tanto, cada radar utiliza un tipo particular de señal. Los radares de largo alcance tienden a utilizar pulsos largos con grandes retrasos entre ellos, y los radares de corto alcance utilizan pulsos más pequeños con menos tiempo entre ellos. A medida que la electrónica ha mejorado, muchos radares ahora pueden cambiar su frecuencia de repetición de pulsos, cambiando así su alcance. Los radares más nuevos disparan dos pulsos durante una celda, uno para corto alcance (alrededor de 10 km (6,2 millas)) y una señal separada para alcances más largos (alrededor de 100 km (62 millas)).
La distancia también se puede medir en función del tiempo. La milla de radar es el tiempo que tarda un pulso de radar en recorrer una milla náutica , reflejarse en un objetivo y regresar a la antena del radar. Como una milla náutica se define como 1.852 m, al dividir esta distancia por la velocidad de la luz (299.792.458 m/s) y luego multiplicar el resultado por 2, se obtiene un resultado de 12,36 μs de duración.
Otra forma de medir distancias con radar se basa en la modulación de frecuencia. En estos sistemas, la frecuencia de la señal transmitida cambia con el tiempo. Como la señal tarda un tiempo finito en viajar hasta el objetivo y volver de él, la señal recibida es de una frecuencia diferente a la que está transmitiendo el transmisor en el momento en que la señal reflejada llega al radar. Comparando la frecuencia de las dos señales, la diferencia se puede medir fácilmente. Esto se logra fácilmente con una precisión muy alta incluso en la electrónica de los años 40. Otra ventaja es que el radar puede funcionar de manera eficaz a frecuencias relativamente bajas. Esto fue importante en los primeros desarrollos de este tipo, cuando la generación de señales de alta frecuencia era difícil o costosa.
Esta técnica se puede utilizar en radares de onda continua y se encuentra a menudo en altímetros de radar de aeronaves . En estos sistemas, una señal de radar "portadora" se modula en frecuencia de una manera predecible, normalmente variando hacia arriba y hacia abajo con un patrón de onda sinusoidal o de dientes de sierra en frecuencias de audio. Luego, la señal se envía desde una antena y se recibe en otra, normalmente ubicada en la parte inferior de la aeronave, y la señal se puede comparar continuamente utilizando un modulador de frecuencia de batido simple que produce un tono de frecuencia de audio a partir de la señal de retorno y una parte de la señal transmitida.
El índice de modulación que se aplica a la señal de recepción es proporcional al retardo de tiempo entre el radar y el reflector. El cambio de frecuencia se hace mayor cuanto mayor es el retardo de tiempo. El cambio de frecuencia es directamente proporcional a la distancia recorrida. Esa distancia se puede visualizar en un instrumento y también puede estar disponible a través del transpondedor . Este procesamiento de señal es similar al que se utiliza en el radar Doppler de detección de velocidad. Algunos ejemplos de sistemas que utilizan este enfoque son AZUSA , MISTRAM y UDOP .
El radar terrestre utiliza señales FM de baja potencia que cubren un rango de frecuencia más amplio. Las múltiples reflexiones se analizan matemáticamente para detectar cambios de patrón mediante múltiples pasadas, lo que crea una imagen sintética computarizada. Se utilizan efectos Doppler que permiten detectar objetos que se mueven lentamente y eliminar en gran medida el "ruido" de las superficies de los cuerpos de agua.
Las dos técnicas descritas anteriormente tienen sus desventajas. La técnica de sincronización de pulsos tiene una desventaja inherente, ya que la precisión de la medición de la distancia está inversamente relacionada con la longitud del pulso, mientras que la energía, y por lo tanto el rango de dirección, está directamente relacionada. Aumentar la potencia para un mayor alcance manteniendo la precisión requiere una potencia de pico extremadamente alta, y los radares de alerta temprana de la década de 1960 solían operar con decenas de megavatios. Los métodos de onda continua distribuyen esta energía en el tiempo y, por lo tanto, requieren una potencia de pico mucho menor en comparación con las técnicas de pulsos, pero requieren algún método que permita que las señales enviadas y recibidas funcionen al mismo tiempo, lo que a menudo exige dos antenas separadas.
La introducción de nuevos dispositivos electrónicos en la década de 1960 permitió combinar las dos técnicas. Se comienza con un pulso más largo que también está modulado en frecuencia. La distribución de la energía transmitida en el tiempo significa que se pueden utilizar energías de pico más bajas, con ejemplos modernos que suelen ser del orden de decenas de kilovatios. Al recibir la señal, se envía a un sistema que retrasa diferentes frecuencias en diferentes tiempos. La salida resultante es un pulso mucho más corto que es adecuado para la medición precisa de la distancia, al tiempo que comprime la energía recibida en un pico de energía mucho más alto y, por lo tanto, reduce la relación señal-ruido. La técnica es prácticamente universal en los radares modernos de gran tamaño.
La velocidad es el cambio de distancia que se produce con respecto al tiempo. Por lo tanto, el sistema actual de medición de distancias, combinado con una capacidad de memoria para ver dónde estaba el objetivo por última vez, es suficiente para medir la velocidad. En un tiempo, la memoria consistía en que el usuario hiciera marcas con un lápiz graso en la pantalla del radar y luego calculara la velocidad utilizando una regla de cálculo . Los sistemas de radar modernos realizan la operación equivalente más rápido y con mayor precisión utilizando computadoras.
Si la salida del transmisor es coherente (sincronizada en fase), existe otro efecto que se puede utilizar para realizar mediciones de velocidad casi instantáneas (no se requiere memoria), conocido como efecto Doppler . La mayoría de los sistemas de radar modernos utilizan este principio en los sistemas de radar Doppler y radar de pulso Doppler ( radar meteorológico , radar militar). El efecto Doppler solo puede determinar la velocidad relativa del objetivo a lo largo de la línea de visión desde el radar hasta el objetivo. Cualquier componente de la velocidad del objetivo perpendicular a la línea de visión no se puede determinar utilizando solo el efecto Doppler, pero se puede determinar rastreando el acimut del objetivo a lo largo del tiempo.
Es posible fabricar un radar Doppler sin pulsaciones, conocido como radar de onda continua (radar CW), enviando una señal muy pura de una frecuencia conocida. El radar CW es ideal para determinar el componente radial de la velocidad de un objetivo. El radar CW se utiliza normalmente en el control del tráfico para medir la velocidad del vehículo de forma rápida y precisa cuando el alcance no es importante.
Cuando se utiliza un radar pulsado, la variación entre la fase de los retornos sucesivos proporciona la distancia que ha recorrido el objetivo entre pulsos, y así se puede calcular su velocidad. Otros desarrollos matemáticos en el procesamiento de señales de radar incluyen el análisis tiempo-frecuencia (Weyl Heisenberg o wavelet ), así como la transformada chirplet que hace uso del cambio de frecuencia de los retornos de los objetivos en movimiento ("chirp").
El procesamiento de señales Doppler de pulso incluye el filtrado de frecuencias en el proceso de detección. El espacio entre cada pulso de transmisión se divide en celdas de rango o puertas de rango. Cada celda se filtra de forma independiente, de forma muy similar al proceso que utiliza un analizador de espectro para generar la pantalla que muestra diferentes frecuencias. Cada distancia diferente produce un espectro diferente. Estos espectros se utilizan para realizar el proceso de detección. Esto es necesario para lograr un rendimiento aceptable en entornos hostiles que involucran el clima, el terreno y las contramedidas electrónicas.
El objetivo principal es medir tanto la amplitud como la frecuencia de la señal reflejada agregada desde múltiples distancias. Esto se utiliza con radares meteorológicos para medir la velocidad radial del viento y la tasa de precipitación en cada volumen de aire diferente. Esto se vincula con sistemas informáticos para producir un mapa meteorológico electrónico en tiempo real. La seguridad de las aeronaves depende del acceso continuo a información precisa del radar meteorológico que se utiliza para prevenir lesiones y accidentes. El radar meteorológico utiliza una frecuencia de pulsos (PRF) baja . Los requisitos de coherencia no son tan estrictos como los de los sistemas militares porque las señales individuales normalmente no necesitan separarse. Se requiere un filtrado menos sofisticado y normalmente no se necesita procesamiento de ambigüedad de alcance con radares meteorológicos en comparación con radares militares destinados a rastrear vehículos aéreos.
El propósito alternativo es la capacidad de " mirar hacia abajo/derribar " requerida para mejorar la supervivencia del combate aéreo militar. El pulso Doppler también se utiliza para el radar de vigilancia terrestre necesario para defender al personal y los vehículos. [50] [51] El procesamiento de señales de pulso Doppler aumenta la distancia máxima de detección utilizando menos radiación cerca de los pilotos de aeronaves, el personal de a bordo, la infantería y la artillería. Los reflejos del terreno, el agua y el clima producen señales mucho más grandes que las de las aeronaves y los misiles, lo que permite que los vehículos que se mueven rápidamente se escondan utilizando técnicas de vuelo de sigilo y tecnología furtiva para evitar la detección hasta que un vehículo de ataque esté demasiado cerca para destruirlo. El procesamiento de señales de pulso Doppler incorpora un filtrado electrónico más sofisticado que elimina de forma segura este tipo de debilidad. Esto requiere el uso de una frecuencia de repetición de pulso media con hardware coherente de fase que tenga un amplio rango dinámico. Las aplicaciones militares requieren una frecuencia de repetición de pulso media que evite que el alcance se determine directamente, y se requiere un procesamiento de resolución de ambigüedad de alcance para identificar el alcance real de todas las señales reflejadas. El movimiento radial suele estar vinculado a la frecuencia Doppler para producir una señal de bloqueo que no se puede producir con señales de interferencia de radar. El procesamiento de señales Doppler pulsadas también produce señales audibles que se pueden utilizar para la identificación de amenazas. [50]
El procesamiento de señales se emplea en sistemas de radar para reducir los efectos de interferencia del radar. Las técnicas de procesamiento de señales incluyen indicación de objetivo en movimiento , procesamiento de señales de pulso Doppler , procesadores de detección de objetivo en movimiento, correlación con objetivos de radar de vigilancia secundaria , procesamiento adaptativo espacio-temporal y seguimiento antes de la detección . La tasa constante de falsas alarmas y el procesamiento de modelos digitales del terreno también se utilizan en entornos con interferencias.
Un algoritmo de seguimiento es una estrategia de mejora del rendimiento del radar. Los algoritmos de seguimiento proporcionan la capacidad de predecir la posición futura de múltiples objetos en movimiento basándose en el historial de las posiciones individuales que informan los sistemas de sensores.
La información histórica se acumula y se utiliza para predecir la posición futura, que se utiliza en el control del tráfico aéreo, la estimación de amenazas, la doctrina del sistema de combate, la puntería de los cañones y la guía de misiles. Los datos de posición se acumulan mediante sensores de radar en el lapso de unos pocos minutos.
Hay cuatro algoritmos de seguimiento comunes: [52]
Las imágenes de radar que devuelven las aeronaves pueden someterse a un proceso de extracción de tramas mediante el cual se descartan las señales espurias e interferentes. Se puede monitorear una secuencia de imágenes de radar de retorno a través de un dispositivo conocido como extractor de tramas.
Los retornos en tiempo real no relevantes pueden eliminarse de la información mostrada y mostrarse en un solo gráfico. En algunos sistemas de radar, o alternativamente en el sistema de comando y control al que está conectado el radar, se utiliza un rastreador de radar para asociar la secuencia de gráficos pertenecientes a objetivos individuales y estimar los rumbos y velocidades de los objetivos.
Los componentes de un radar son:
Las señales de radio emitidas desde una sola antena se propagarán en todas las direcciones y, de la misma manera, una sola antena recibirá señales por igual desde todas las direcciones. Esto deja al radar con el problema de decidir dónde se encuentra el objeto objetivo.
Los primeros sistemas tendían a utilizar antenas de transmisión omnidireccionales , con antenas receptoras direccionales que apuntaban en varias direcciones. Por ejemplo, el primer sistema que se implementó, Chain Home, utilizó dos antenas rectas en ángulos rectos para la recepción, cada una en una pantalla diferente. El retorno máximo se detectaría con una antena en ángulos rectos con respecto al objetivo, y un mínimo con la antena apuntando directamente a él (extremo abierto). El operador podía determinar la dirección hacia un objetivo girando la antena de modo que una pantalla mostrara un máximo mientras que la otra mostrara un mínimo. Una limitación grave con este tipo de solución es que la transmisión se envía en todas las direcciones, por lo que la cantidad de energía en la dirección que se examina es una pequeña parte de la transmitida. Para obtener una cantidad razonable de potencia en el "objetivo", la antena transmisora también debe ser direccional.
Los sistemas más modernos utilizan una "antena" parabólica orientable para crear un haz de transmisión ajustado, generalmente utilizando la misma antena que el receptor. Estos sistemas suelen combinar dos frecuencias de radar en la misma antena para permitir la orientación automática o el bloqueo del radar .
Los reflectores parabólicos pueden ser parábolas simétricas o parábolas desvirtuadas: las antenas parabólicas simétricas producen un haz estrecho en forma de "lápiz" tanto en las dimensiones X como Y y, por lo tanto, tienen una mayor ganancia. El radar meteorológico Pulse-Doppler NEXRAD utiliza una antena simétrica para realizar exploraciones volumétricas detalladas de la atmósfera. Las antenas parabólicas desvirtuadas producen un haz estrecho en una dimensión y un haz relativamente ancho en la otra. Esta característica es útil si la detección de objetivos en un amplio rango de ángulos es más importante que la ubicación de objetivos en tres dimensiones. La mayoría de los radares de vigilancia 2D utilizan una antena parabólica desvirtuada con un ancho de haz azimutal estrecho y un ancho de haz vertical amplio. Esta configuración de haz permite al operador del radar detectar una aeronave en un azimut específico pero a una altura indeterminada. Por el contrario, los radares de detección de altura denominados "nodder" utilizan una antena parabólica con un ancho de haz vertical estrecho y un ancho de haz azimutal amplio para detectar una aeronave a una altura específica pero con baja precisión azimutal.
La guía de ondas ranurada, que se aplica de forma similar al reflector parabólico, se mueve mecánicamente para escanear y es especialmente adecuada para sistemas de escaneo de superficie sin seguimiento, donde el patrón vertical puede permanecer constante. Debido a su menor costo y menor exposición al viento, los radares de vigilancia de a bordo de barcos, aeropuertos y puertos ahora utilizan este enfoque en lugar de una antena parabólica.
Otro método de dirección se utiliza en un radar de matriz en fase .
Las antenas de matriz en fase se componen de elementos de antena similares espaciados uniformemente, como antenas o filas de guías de ondas ranuradas. Cada elemento de antena o grupo de elementos de antena incorpora un cambio de fase discreto que produce un gradiente de fase a lo largo de la matriz. Por ejemplo, los elementos de la matriz que producen un cambio de fase de 5 grados para cada longitud de onda a lo largo de la cara de la matriz producirán un haz apuntando 5 grados lejos de la línea central perpendicular a la cara de la matriz. Las señales que viajan a lo largo de ese haz se reforzarán. Las señales desplazadas de ese haz se cancelarán. La cantidad de refuerzo es la ganancia de la antena . La cantidad de cancelación es la supresión de lóbulos laterales. [53]
Los radares de matriz en fase se han utilizado desde los primeros años del radar en la Segunda Guerra Mundial ( radar Mammut ), pero las limitaciones de los dispositivos electrónicos llevaron a un rendimiento deficiente. Los radares de matriz en fase se utilizaron originalmente para la defensa contra misiles (véase, por ejemplo, el Programa de salvaguardia ). Son el corazón del sistema de combate Aegis a bordo de barcos y del sistema de misiles Patriot . La redundancia masiva asociada con tener una gran cantidad de elementos de matriz aumenta la confiabilidad a expensas de la degradación gradual del rendimiento que ocurre a medida que fallan los elementos de fase individuales. En menor medida, los radares de matriz en fase se han utilizado en la vigilancia meteorológica . A partir de 2017, la NOAA planea implementar una red nacional de radares de matriz en fase multifunción en todo Estados Unidos dentro de 10 años, para estudios meteorológicos y monitoreo de vuelos. [54]
Las antenas de matriz en fase se pueden construir para adaptarse a formas específicas, como misiles, vehículos de apoyo de infantería, barcos y aviones.
A medida que el precio de la electrónica ha caído, los radares de matriz en fase se han vuelto más comunes. Casi todos los sistemas de radar militares modernos se basan en matrices en fase, donde el pequeño costo adicional se compensa con la mayor confiabilidad de un sistema sin partes móviles. Los diseños tradicionales de antena móvil todavía se usan ampliamente en funciones donde el costo es un factor significativo, como la vigilancia del tráfico aéreo y sistemas similares.
Los radares de matriz en fase son muy valorados para su uso en aeronaves, ya que pueden rastrear múltiples objetivos. El primer avión en utilizar un radar de matriz en fase fue el B-1B Lancer . El primer avión de combate en utilizar un radar de matriz en fase fue el Mikoyan MiG-31 . El radar pasivo de matriz de barrido electrónico SBI-16 Zaslon del MiG-31M se consideraba el radar de caza más potente del mundo, [ cita requerida ] hasta que se introdujo el radar activo de matriz de barrido electrónico AN/APG-77 en el Lockheed Martin F-22 Raptor .
Las técnicas de interferometría de matriz en fase o síntesis de apertura , que utilizan una matriz de antenas separadas que se colocan en fase en una única apertura efectiva, no son típicas para aplicaciones de radar, aunque se utilizan ampliamente en radioastronomía . Debido a la maldición de la matriz adelgazada , tales matrices de múltiples aperturas, cuando se utilizan en transmisores, dan como resultado haces estrechos a expensas de reducir la potencia total transmitida al objetivo. En principio, tales técnicas podrían aumentar la resolución espacial, pero la menor potencia significa que esto generalmente no es efectivo.
Por otra parte, la síntesis de apertura mediante el posprocesamiento de datos de movimiento de una única fuente en movimiento se utiliza ampliamente en sistemas de radar espaciales y aéreos .
Las antenas generalmente deben tener un tamaño similar a la longitud de onda de la frecuencia operativa, normalmente dentro de un orden de magnitud . Esto proporciona un fuerte incentivo para usar longitudes de onda más cortas, ya que esto dará como resultado antenas más pequeñas. Las longitudes de onda más cortas también dan como resultado una mayor resolución debido a la difracción, lo que significa que el reflector moldeado que se ve en la mayoría de los radares también se puede hacer más pequeño para cualquier ancho de haz deseado.
En contra de la transición a longitudes de onda más pequeñas hay una serie de cuestiones prácticas. Por un lado, la electrónica necesaria para producir longitudes de onda muy cortas de alta potencia era generalmente más compleja y costosa que la electrónica necesaria para longitudes de onda más largas o no existía en absoluto. Otro problema es que la cifra de apertura efectiva de la ecuación del radar significa que para cualquier tamaño de antena (o reflector) dado será más eficiente en longitudes de onda más largas. Además, las longitudes de onda más cortas pueden interactuar con moléculas o gotas de lluvia en el aire, dispersando la señal. Las longitudes de onda muy largas también tienen efectos de difracción adicionales que las hacen adecuadas para radares más allá del horizonte . Por esta razón, se utiliza una amplia variedad de longitudes de onda en diferentes funciones.
Los nombres de banda tradicionales surgieron como nombres en código durante la Segunda Guerra Mundial y todavía se utilizan en el ámbito militar y de la aviación en todo el mundo. Han sido adoptados en los Estados Unidos por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos y a nivel internacional por la Unión Internacional de Telecomunicaciones . La mayoría de los países tienen regulaciones adicionales para controlar qué partes de cada banda están disponibles para uso civil o militar.
Otros usuarios del espectro radioeléctrico, como las industrias de radiodifusión y de contramedidas electrónicas , han sustituido las designaciones militares tradicionales por sus propios sistemas.
Los moduladores actúan para proporcionar la forma de onda del pulso de RF. Existen dos diseños diferentes de moduladores de radar:
Los amplificadores de microondas coherentes que funcionan con una potencia de salida de microondas superior a 1000 vatios, como los tubos de ondas viajeras y los klistrones , requieren un refrigerante líquido. El haz de electrones debe contener de 5 a 10 veces más potencia que la potencia de salida de microondas, lo que puede producir suficiente calor para generar plasma. Este plasma fluye desde el colector hacia el cátodo. El mismo enfoque magnético que guía el haz de electrones fuerza al plasma a seguir la trayectoria del haz de electrones, pero fluyendo en la dirección opuesta. Esto introduce una modulación FM que degrada el rendimiento Doppler. Para evitarlo, se requiere un refrigerante líquido con una presión y un caudal mínimos, y normalmente se utiliza agua desionizada en la mayoría de los sistemas de radar de superficie de alta potencia que utilizan el procesamiento Doppler. [57]
El coolanol ( éster de silicato ) se utilizó en varios radares militares en la década de 1970. Sin embargo, es higroscópico , lo que conduce a la hidrólisis y la formación de alcohol altamente inflamable. La pérdida de un avión de la Marina de los EE. UU. en 1978 se atribuyó a un incendio de éster de silicato. [58] El coolanol también es caro y tóxico. La Marina de los EE. UU. ha instituido un programa llamado Prevención de la contaminación (P2) para eliminar o reducir el volumen y la toxicidad de los desechos, las emisiones atmosféricas y las descargas de efluentes. Debido a esto, el coolanol se usa con menos frecuencia en la actualidad.
El radar (también: RADAR ) se define en el artículo 1.100 del Reglamento de Radiocomunicaciones (RR) de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) como: [59]
Sistema de radiodeterminación basado en la comparación de señales de referencia con señales de radio reflejadas o retransmitidas desde la posición que se desea determinar. Cada sistema de radiodeterminación se clasificará según el servicio de radiocomunicación en el que opere de forma permanente o temporal. Los radares típicos son el radar primario y el radar secundario , que pueden operar en el servicio de radiolocalización o en el servicio de radiolocalización por satélite .
Los radares vienen en una variedad de configuraciones en cuanto a emisor, receptor, antena, longitud de onda, estrategias de escaneo, etc.
Nota: la palabra
radar
es en realidad un acrónimo que significa RAdio Detection and Ranging. Fue acuñada oficialmente por los tenientes comandantes de la Armada de los EE. UU. Samuel M. Tucker y FR Furth en noviembre de 1940.
{{cite web}}: CS1 maint: bot: estado de URL original desconocido ( enlace )No sólo cambió el curso de la guerra al permitirnos desarrollar sistemas de radar aerotransportados, sino que sigue siendo la pieza clave de la tecnología que se encuentra en el corazón de su horno de microondas actual. La invención del magnetrón de cavidad cambió el mundo.
Pero en 1940, fueron los británicos quienes lograron un avance espectacular: el magnetrón de cavidad resonante, un transmisor de radar mucho más potente que sus predecesores... El magnetrón sorprendió a los estadounidenses. Su investigación estaba años por detrás del ritmo.
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