El radar es un sistema de radiolocalización que utiliza ondas de radio para determinar la distancia ( distancia ), el ángulo ( azimut ) y la velocidad radial de los objetos en relación con el sitio. Se utiliza para detectar y rastrear aviones , barcos , naves espaciales , misiles guiados , vehículos de motor , mapear formaciones climáticas y terreno . 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 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, brindando información sobre la ubicación y 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 avance clave fue el magnetrón de cavidad en el Reino Unido , que permitió la creación de sistemas relativamente pequeños con resolución submétrica. El término RADAR fue acuñado en 1940 por la Marina de los Estados Unidos como acrónimo de radiodetección y alcance . [1] [2] [3] [4] [5] Desde entonces, el término radar ha ingresado al inglés y a otros idiomas como sustantivo común, perdiendo todas las mayúsculas .
Los usos modernos del radar son muy diversos, incluido 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 aviones, los sistemas de vigilancia oceánica y el espacio exterior. sistemas de vigilancia y encuentro , monitoreo de precipitaciones meteorológicas , sensores remotos por radar , altimetría y sistemas de control de vuelo , sistemas de localización de objetivos de misiles guiados , vehículos autónomos y radares de penetración terrestre para observaciones geológicas. Los sistemas de radar modernos de alta tecnología utilizan procesamiento de señales digitales y aprendizaje automático y son capaces de extraer información útil a partir de niveles de ruido muy altos .
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. [6]
Ya 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 coherente para detectar rayos distantes. Al año siguiente, añadió un transmisor de chispas . En 1897, mientras probaba este equipo para la comunicación entre dos barcos en el Mar Báltico , observó una interferencia provocada 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. [7]
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. [8] Obtuvo una patente [9] para su dispositivo de detección en abril de 1904 y más tarde una patente [10] para una enmienda relacionada para estimar la distancia al barco. También obtuvo una patente británica el 23 de septiembre de 1904 [11] para un sistema de radar completo, al que llamó telemobiloscopio . Funcionó con una longitud de onda de 50 cm y la señal de radar pulsada se creó a través de una descarga de chispas. Su sistema ya utilizaba la clásica configuración de antena de bocina con reflector parabólico y fue presentado a los oficiales militares alemanes en pruebas prácticas en Colonia y en el puerto de Rotterdam , pero fue rechazado. [12]
En 1915, Robert Watson-Watt utilizó la tecnología de radio para proporcionar advertencias anticipadas de tormentas a los aviadores [13] [14] y durante la década de 1920 dirigió el centro de investigación del Reino Unido para lograr muchos avances utilizando técnicas de radio, incluido el sondeo de la ionosfera. y la detección de rayos a largas distancias. A través de sus experimentos con rayos, Watson-Watt se convirtió en un experto en el uso de la radiogoniometría antes de centrar su investigación en la transmisión de onda corta . Como necesitaba un receptor adecuado para tales estudios, le pidió 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 notar la descripción en su manual de un efecto de "desvanecimiento" (el término común para interferencia en ese momento) cuando los aviones sobrevolaban.
Al otro lado del Atlántico en 1922, después de colocar un transmisor y un receptor en lados opuestos del río Potomac , los investigadores de la Marina de los EE. UU. A. Hoyt Taylor y Leo C. Young descubrieron que los barcos que pasaban por la trayectoria del haz provocaban que la señal recibida apareciera y desapareciera. Taylor presentó un informe sugiriendo que este fenómeno podría usarse para detectar la presencia de barcos en baja visibilidad, pero la Armada no continuó el trabajo de inmediato. Ocho años más tarde, Lawrence A. Hyland, del Laboratorio de Investigación Naval (NRL), observó efectos de desvanecimiento similares en los aviones que pasaban; Esta revelación dio lugar a una solicitud de patente [15] , así como a una propuesta para realizar más investigaciones intensivas sobre señales de radioeco de objetivos en movimiento en el NRL, donde Taylor y Young tenían su base en ese momento. [dieciséis]
De manera similar, en el Reino Unido, LS Alder obtuvo una patente provisional secreta para un radar naval en 1928. [17] WAS Butement y PE Pollard desarrollaron una unidad de prueba de placa de prueba , que operaba a 50 cm (600 MHz) y utilizaba modulación pulsada, lo que proporcionó resultados exitosos en el laboratorio. resultados. En enero de 1931, se inscribió un artículo sobre el aparato en el Libro de Invenciones de los Ingenieros Reales. Este es el primer registro oficial en Gran Bretaña de la tecnología que se utilizó en la defensa costera y que se incorporó a Chain Home como Chain Home (low) . [18] [19]
Antes de la Segunda Guerra Mundial , investigadores del Reino Unido, Francia , Alemania , Italia , Japón , Países Bajos, Unión Soviética y 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 de radares de Gran Bretaña antes de la guerra, y Hungría generó su tecnología de radar durante la guerra. [ cita necesaria ]
En Francia, en 1934, tras estudios sistemáticos sobre el magnetrón de ánodo dividido , 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 obstáculo: localizar aparatos de radio, algunos de los cuales se instalaron en el transatlántico Normandie en 1935. [20] [21]
Durante el mismo período, el ingeniero militar soviético PK Oshchepkov , en colaboración con el Instituto Electrotécnico de Leningrado , produjo un aparato experimental, RAPID, capaz de detectar un avión a menos de 3 km de un receptor. [22] 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 de gulag . En total, durante la guerra sólo se produjeron 607 estaciones Redut. El primer radar aerotransportado ruso, el Gneiss-2 , entró en servicio en junio de 1943 en los bombarderos en picado Pe-2 . A finales de 1944 se produjeron más de 230 estaciones Gneiss-2. [23] Sin embargo, los sistemas francés y soviético presentaban un funcionamiento de onda continua que no proporcionaba el rendimiento completo, en última instancia, 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 , que trabajaba en el Laboratorio de Investigación Naval . [24] Al año siguiente, el ejército de los Estados Unidos probó con éxito un radar primitivo de superficie a superficie para apuntar los reflectores de las baterías costeras durante la noche. [25] Este diseño fue seguido por un sistema pulsado demostrado en mayo de 1935 por Rudolf Kühnhold y la firma 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, se le pidió a Watson-Watt que juzgara informes recientes sobre un rayo mortal de radio alemán y entregó la solicitud a Wilkins. Wilkins arrojó una serie de cálculos que demostraban que el sistema era básicamente imposible. Cuando Watson-Watt preguntó qué podría hacer tal sistema, Wilkins recordó el informe anterior sobre 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 instalado en un campo mientras un bombardero volaba alrededor del sitio. Cuando el avión fue detectado claramente, Hugh Dowding , miembro aéreo de Suministros e Investigación , quedó muy impresionado con el potencial de su sistema e inmediatamente se proporcionaron fondos para un mayor desarrollo operativo. [26] El equipo de Watson-Watt patentó el dispositivo en la patente GB593017. [27] [28] [29]
El desarrollo del radar se expandió 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 ubicada en Bawdsey Manor , cerca de Felixstowe, Suffolk. El trabajo allí dio como resultado el diseño y la 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 avanzada vital que ayudó a la Royal La Fuerza Aérea gana la Batalla de Gran Bretaña ; sin él, un número significativo de aviones de combate, que Gran Bretaña no tenía disponibles, siempre habrían necesitado estar en el aire para responder rápidamente. El radar formaba parte del " sistema Dowding " para recopilar informes de aviones enemigos y coordinar la respuesta.
Con toda la financiación y el apoyo al desarrollo necesarios, el equipo produjo sistemas de radar funcionales en 1935 y comenzó su despliegue. 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, CH era tosco; en lugar de transmitir y recibir desde una antena dirigida, CH transmitió una señal que iluminaba toda el área frente a él, y luego utilizó uno de los radiogoniómetros de Watson-Watt para determinar la dirección de los ecos devueltos. Este hecho significó 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 resolución submétrica. Gran Bretaña compartió la tecnología con Estados Unidos durante la Misión Tizard de 1940 . [30] [31]
En abril de 1940, Popular Science mostró un ejemplo de una unidad de radar que utilizaba la patente Watson-Watt en un artículo sobre defensa aérea. [32] 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 inglesa y se acercaba a lo que era y cómo funcionaba. [33] Watson-Watt fue enviado a los EE.UU. en 1941 para asesorar sobre defensa aérea después del ataque de Japón a Pearl Harbor . [34] Alfred Lee Loomis organizó el laboratorio secreto de radiación del MIT en el Instituto de Tecnología de Massachusetts , Cambridge, Massachusetts, que desarrolló tecnología de radar de microondas en los años 1941-1945. 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. [35]
La guerra precipitó la investigación para encontrar una mejor resolución, más portabilidad y más funciones para el radar, incluidos conjuntos pequeños y livianos para equipar cazas nocturnos ( radar de intercepción aerotransportada ) y aviones de patrulla marítima ( radar de buque aire-superficie ), y sistemas de navegación complementarios. como el oboe utilizado por el Pathfinder de la RAF .
La información proporcionada por el radar incluye el rumbo y el alcance (y por lo tanto la posición) del objeto del escáner de radar. Por tanto, se utiliza en muchos campos diferentes donde la necesidad de dicho posicionamiento es crucial. El primer uso del radar fue con fines militares: localizar objetivos aéreos, terrestres y marítimos. Esto evolucionó en el campo civil hacia aplicaciones para aviones, barcos y automóviles. [36] [37]
En la aviación , las aeronaves pueden estar equipadas con dispositivos de radar que advierten sobre aeronaves u otros obstáculos en su camino o que se aproximan, muestran información meteorológica y brindan lecturas de altitud precisas. El primer dispositivo comercial instalado en un avión fue una unidad Bell Lab de 1938 en algunos aviones de United Air Lines . [33] Las aeronaves pueden aterrizar con niebla en aeropuertos equipados con sistemas de aproximación controlada en tierra asistidos por radar en los que los operadores observan la posición del avión en pantallas de radar de aproximación de precisión y, de ese modo, dan instrucciones de aterrizaje por radio al piloto, manteniendo la aeronave en una ruta definida. trayectoria de aproximación a la pista. Los aviones de combate militares suelen estar equipados con radares de puntería aire-aire para detectar y apuntar a aviones enemigos. Además, los aviones militares especializados de mayor tamaño llevan potentes radares aéreos para observar el tráfico aéreo en una amplia región y dirigir los aviones de combate hacia los objetivos. [38]
Los radares marinos se utilizan para medir el rumbo y la distancia de los barcos para evitar colisiones con otros barcos, navegar y fijar su posición en el mar cuando están dentro del alcance de la costa u otras referencias fijas como islas, boyas y buques faro. En el puerto o en el puerto, los sistemas de radar del servicio de tráfico marítimo se utilizan para monitorear y regular los movimientos de los barcos en aguas concurridas. [39]
Los meteorólogos utilizan el radar para controlar las precipitaciones y el viento. Se ha convertido en la herramienta principal para el pronóstico del tiempo a corto plazo y la vigilancia de condiciones climáticas severas como tormentas eléctricas , tornados , tormentas invernales , tipos de precipitaciones, etc. Los geólogos utilizan radares de penetración terrestre especializados para mapear la composición de la corteza terrestre . Las fuerzas policiales utilizan pistolas de radar para controlar la velocidad de los vehículos en las carreteras. Se utilizan sistemas de radar más pequeños para detectar el movimiento humano . Algunos ejemplos son la detección de patrones de respiración para monitorear el sueño [40] y la detección de gestos con manos y dedos para la interacción con la computadora. [41] 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 determinados casos. Las señales de radar que se reflejan hacia el receptor de radar son las deseables que hacen que la detección del radar funcione. Si el objeto se acerca o se aleja 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 captadas por la antena receptora suelen ser muy débiles. Pueden reforzarse 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 , están demasiado atenuadas. Los fenómenos meteorológicos, como la niebla, las nubes, la lluvia, la nieve y el aguanieve, que bloquean la luz visible, suelen ser transparentes a las ondas de radio. En el diseño de radares se evitan determinadas frecuencias de radio que son absorbidas o dispersadas por el vapor de agua, las gotas de lluvia o los gases atmosféricos (especialmente el oxígeno), excepto cuando se pretende su detección.
El radar depende de sus propias transmisiones en lugar de la luz del Sol o 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 objetos se llama iluminación , aunque las ondas de radio son invisibles para el ojo humano al igual que 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 diamagnética diferente a la del primero, 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 ondas de radar (radio) desde su superficie. Esto es particularmente cierto en el caso de 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 radiofónico de pintar algo de un color oscuro para que no pueda ser visto por los ojos durante la noche.
Las ondas de radar se dispersan de diversas formas según el 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 forma similar a como la luz se refleja en un espejo . Si la longitud de onda es mucho más larga que el tamaño del objetivo, es posible que el objetivo no sea visible debido a una mala reflexión. La tecnología de radar de baja frecuencia depende de las 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 y los atardeceres rojos de la Tierra. 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 capturar imágenes de objetos tan pequeños como una barra de pan.
Las ondas de radio cortas se reflejan en las curvas y esquinas de una manera similar al destello de una pieza de vidrio redondeada. 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 unen 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 de 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 o superficies interiores y bordes perpendiculares a las direcciones probables de detección, lo que conduce a aviones furtivos de apariencia "extraña" . Estas precauciones no eliminan totalmente la reflexión debido a la difracción , especialmente en longitudes de onda más largas. Los cables largos de media longitud de onda o las tiras de material conductor, 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 del radar .
La potencia P r que regresa a la antena receptora viene dada por la ecuación:
dónde
En el caso común en el que el transmisor y el receptor están 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 rango. Esto produce:
Esto muestra que la potencia recibida disminuye como 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 el rendimiento del radar Doppler de pulsos , 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 trayectos múltiples y 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 es causado por un movimiento que cambia el número de longitudes de onda entre el reflector y el radar. Esto puede degradar o mejorar el rendimiento del radar dependiendo de cómo afecta el proceso de detección. Por ejemplo, la indicación de un objetivo en movimiento puede interactuar con Doppler para producir cancelación de señal a ciertas velocidades radiales, lo que degrada el rendimiento.
Los sistemas de radar marítimos, los radares semiactivos , los radares activos , los radares meteorológicos , los aviones militares y los radares astronómicos 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 mucho más grandes que se mueven lentamente.
El desplazamiento 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 cambio de frecuencia Doppler para el radar activo es el siguiente, donde es la frecuencia Doppler, la frecuencia de transmisión, la velocidad radial y la velocidad de la luz: [43]
El radar pasivo es aplicable a las contramedidas electrónicas y a la radioastronomía de la siguiente manera:
Sólo la componente radial de la velocidad es relevante. Cuando el reflector se mueve en ángulo recto con respecto al haz del radar, no tiene velocidad relativa. Los objetos que se mueven paralelos al haz del radar producen el máximo desplazamiento de frecuencia Doppler.
Cuando se pulsa la frecuencia de transmisión ( ), 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 no es ambigua si el cambio de frecuencia Doppler es menor que la mitad de , llamada frecuencia de Nyquist , ya que de otro modo la frecuencia devuelta no se puede distinguir del cambio de una frecuencia armónica por encima o por debajo, por lo que se requiere:
O al sustituir con :
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 forma fiable la velocidad meteorológica de hasta 150 m/s (340 mph), por lo que no puede determinar de forma fiable la velocidad radial de una aeronave que se mueve a 1.000 m. /s (2200 mph).
En toda 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 reflejos. Por ejemplo, la polarización circular se utiliza para minimizar las interferencias provocadas por la lluvia. Los retornos de polarización lineal suelen indicar superficies metálicas. Los retornos de polarización aleatoria suelen indicar 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 en el índice de refracción del aire, lo que se denomina horizonte de radar . Incluso cuando el haz se emite paralelo al suelo, el haz se eleva por encima del suelo a medida que la curvatura de la Tierra desciende por debajo del horizonte. Además, la señal se ve atenuada por el medio que cruza el haz y el haz se dispersa.
El alcance máximo de un radar convencional puede verse limitado por varios factores:
El ruido de 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 del alcance del radar. El ruido de fondo 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 como para exceder el nivel de ruido y no pueden detectarse. La detección requiere una señal que supere el nivel de ruido en al menos 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. La figura 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 mediante 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 heterodinos (conversión descendente) es el radar de banda ultraancha . Aquí se utiliza un solo ciclo, u onda transitoria, de manera similar a las comunicaciones UWB, consulte Lista de canales UWB .
El ruido también lo generan fuentes externas, sobre todo la radiación térmica natural del fondo que rodea el objetivo de interés. En los sistemas de radar modernos, el ruido interno suele ser aproximadamente igual o menor que el ruido externo. Una excepción es si el radar apunta hacia arriba, hacia un cielo despejado, donde la escena es tan "fría" que genera muy poco ruido térmico . El ruido térmico viene dado por k B T B , donde T es la temperatura, B es el ancho de banda (filtro posadaptado) y k B es la constante de Boltzmann . Existe una atractiva interpretación intuitiva de esta relación en un radar. El filtrado combinado permite comprimir toda la energía recibida de un objetivo en un solo contenedor (ya sea un rango, Doppler, elevación o acimut). Superficialmente parece que entonces, dentro de un intervalo de tiempo fijo, se podría obtener una detección perfecta y libre de errores. Esto se hace comprimiendo toda la energía en un intervalo de tiempo infinitesimal. Lo que limita este enfoque en el mundo real es que, si bien 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 determinada temperatura ( espectro de Planck ), esta fuente de ruido no puede erosionarse más. En última instancia, el radar, como todas las entidades a macroescala, se ve profundamente afectado por la teoría cuántica.
El ruido es aleatorio y las señales del objetivo no. El procesamiento de señales puede aprovechar este fenómeno para reducir el ruido de fondo mediante dos estrategias. El tipo de integración de señal utilizada con la indicación de objetivo en movimiento puede mejorar el ruido en cada etapa. La señal también se puede dividir entre múltiples filtros para el procesamiento de la señal Doppler de pulso , lo que reduce el ruido de fondo 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 provenir de 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). 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 una señal objetivo deseada con el nivel de ruido de fondo (ruido atmosférico y ruido generado dentro del receptor). Cuanto mayor sea la SNR de un sistema, mejor podrá discriminar los objetivos reales de las señales de ruido.
El desorden se refiere a los ecos de radiofrecuencia (RF) devueltos por objetivos que no son interesantes para los operadores de radar. Dichos objetivos incluyen objetos fabricados por el hombre, como edificios y, intencionadamente, mediante contramedidas de radar como la paja . Estos objetivos también incluyen objetos naturales como el suelo, el mar y, cuando no están destinados a fines meteorológicos, precipitaciones , picos de granizo , tormentas de polvo , animales (especialmente aves), turbulencias en la circulación atmosférica y estelas de meteoritos . El desorden del radar también puede deberse a otros fenómenos atmosféricos, como las perturbaciones en la ionosfera provocadas por tormentas geomagnéticas u otros fenómenos meteorológicos espaciales . Este fenómeno es especialmente evidente cerca de los polos geomagnéticos , donde la acción del viento solar sobre la magnetosfera terrestre produce patrones de convección en el plasma ionosférico . [44] El desorden del radar puede degradar la capacidad del radar sobre el horizonte para detectar objetivos. [44] [45]
Parte del desorden también puede deberse a una guía de ondas de radar larga entre el transceptor del 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 un "resplandor solar" en el centro de la pantalla a medida que el receptor responde a los ecos de las partículas de polvo y a la RF desviada en la guía de ondas. . Ajustar el tiempo entre el momento en que el transmisor envía un pulso y el momento en que la etapa del receptor está habilitada generalmente reducirá la ráfaga de sol sin afectar la precisión del rango, ya que la mayoría de las ráfagas de sol son causadas por un pulso de transmisión difuso reflejado antes de salir de la antena. El desorden se considera una fuente de interferencia pasiva ya que sólo aparece en respuesta a las señales de radar enviadas por el radar.
El desorden se detecta y neutraliza de varias maneras. El desorden tiende a parecer estático entre las exploraciones del radar; en los ecos de exploración posteriores, los objetivos deseados parecerán moverse y todos los ecos estacionarios podrán eliminarse. El ruido del mar se puede reducir mediante el uso de polarización horizontal, mientras que la lluvia se reduce con polarización circular (los radares meteorológicos desean el efecto contrario y, por lo tanto, utilizan la polarización lineal para detectar la precipitación). Otros métodos intentan aumentar la relación señal-obstrucción.
El desorden se mueve con el viento o está estacionario. Dos estrategias comunes para mejorar las medidas de desempeño en un entorno desordenado son:
La técnica de reducción de parásitos más eficaz es el radar Doppler de pulsos . Doppler separa el desorden de aviones y naves espaciales mediante un espectro de frecuencia , por lo que las señales individuales se pueden separar de múltiples reflectores ubicados en el mismo volumen mediante diferencias de velocidad. Esto requiere un transmisor coherente. Otra técnica utiliza un indicador de objetivo en movimiento que resta la señal recibida de dos pulsos sucesivos usando la fase para reducir las señales de objetos que se mueven lentamente. Esto se puede adaptar a sistemas que carecen de un transmisor coherente, como el radar de amplitud de pulso en el dominio del tiempo .
La tasa constante de falsas alarmas , una forma de control automático de ganancia (AGC), es un método que se basa en retornos de desorden que superan con creces a los ecos de los objetivos de interés. La ganancia del receptor se ajusta automáticamente para mantener un nivel constante de desorden visible general. Si bien esto no ayuda a detectar objetivos enmascarados por un desorden circundante más intenso, sí ayuda a distinguir fuentes de objetivos potentes. En el pasado, el radar AGC se controlaba electrónicamente y afectaba a la ganancia de todo el receptor del radar. A medida que los radares evolucionaron, el AGC pasó a estar controlado por software y afectó la ganancia con mayor granularidad en celdas de detección específicas.
El desorden también puede originarse a partir de ecos de trayectorias múltiples de objetivos válidos causados por la reflexión del suelo, los conductos atmosféricos o la reflexión / refracción ionosférica (por ejemplo, propagación anómala ). Este tipo de desorden es especialmente molesto ya que parece moverse y comportarse como otros objetivos de interés normales (puntuales). En un escenario típico, el eco de un avión se refleja desde el suelo y aparece ante el receptor como un objetivo idéntico debajo del objetivo correcto. El radar puede intentar unificar los objetivos, informando del objetivo a una altura incorrecta o eliminándolo basándose en la inquietud o una imposibilidad física. La interferencia del rebote del terreno aprovecha esta respuesta amplificando la señal del radar y dirigiéndola hacia abajo. [46] Estos problemas pueden superarse incorporando un mapa terrestre de los alrededores del radar y eliminando todos los ecos que parecen originarse debajo del suelo o por encima de cierta altura. El monopulso se puede mejorar alterando el algoritmo de elevación utilizado en elevaciones bajas. En los equipos de radar de control de tráfico aéreo más nuevos, se utilizan algoritmos para identificar objetivos falsos comparando los retornos de pulso actuales con los adyacentes, así como calculando las improbabilidades de retorno.
La interferencia del radar se refiere a señales de radiofrecuencia que se originan en fuentes fuera del radar, se transmiten en la frecuencia del radar y, por lo tanto, enmascaran objetivos de interés. La interferencia puede ser intencional, como ocurre con una táctica de guerra electrónica , o no intencional, como cuando fuerzas amigas 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 ajenos al radar y en general ajenos a 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 bloqueador al receptor del radar), mientras que los ecos del radar viajan en dos direcciones (radar-objetivo-radar) y, por lo tanto, su potencia se reduce significativamente cuando regresan. al receptor de radar de acuerdo con la ley del cuadrado inverso . Por lo tanto, los bloqueadores pueden ser mucho menos potentes que sus radares bloqueados y aun así enmascarar eficazmente los objetivos a lo largo de la línea de visión desde el bloqueador hasta el radar ( interferencia del lóbulo principal ). Los bloqueadores 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 del radar ( interferencia de lóbulos laterales ).
La interferencia del lóbulo principal generalmente sólo 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 de los lóbulos laterales se puede superar reduciendo los lóbulos laterales receptores en el diseño de la antena del radar y utilizando una antena omnidireccional para detectar e ignorar las señales que no son del lóbulo principal. Otras técnicas anti-jamming son el salto de frecuencia y la polarización .
Una forma de obtener una medición de distancia (ranging) se basa en el tiempo de vuelo : transmitir un breve pulso 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. Dado que las ondas de radio viajan a la velocidad de la luz , la medición precisa de distancias requiere dispositivos electrónicos 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 impone también un alcance máximo. Para maximizar el rango, se deben utilizar tiempos más largos entre pulsos, conocidos como tiempo de repetición de pulso, o su frecuencia de repetición de pulso recíproca.
Estos dos efectos tienden a contradecirse y no es fácil combinar un buen alcance corto y largo alcance 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 sea más difícil de detectar. Esto podría compensarse usando más pulsos, pero esto acortaría el alcance máximo. Entonces 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 la frecuencia de repetición de sus pulsos, cambiando así su alcance. Los radares más nuevos disparan dos pulsos durante una celda, uno para alcance corto (aproximadamente 10 km (6,2 millas)) y una señal separada para alcances más largos (aproximadamente 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 viajar una milla náutica , reflejarse en un objetivo y regresar a la antena del radar. Dado que una milla náutica se define como 1.852 m, dividir esta distancia por la velocidad de la luz (299.792.458 m/s) y luego multiplicar el resultado por 2 da un resultado de 12,36 μs de duración.
Otra forma de radar de medición de distancias se basa en la modulación de frecuencia. En estos sistemas, la frecuencia de la señal transmitida cambia con el tiempo. Dado que la señal tarda un tiempo finito en viajar hacia y desde el objetivo, la señal recibida tiene una frecuencia diferente a la que transmite 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 la década de 1940. Otra ventaja es que el radar puede funcionar eficazmente a frecuencias relativamente bajas. Esto fue importante en el desarrollo inicial 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 aviones . En estos sistemas, una señal de radar "portadora" se modula en frecuencia de una manera predecible, variando típicamente hacia arriba y hacia abajo con una onda sinusoidal o un patrón de dientes de sierra en frecuencias de audio. Luego, la señal se envía desde una antena y se recibe en otra, generalmente ubicada en la parte inferior del avión, y la señal se puede comparar continuamente usando un modulador de frecuencia de ritmo simple que produce un tono de frecuencia de audio a partir de la señal devuelta y una porción de la señal transmitida.
El índice de modulación que depende de la señal recibida es proporcional al retardo de tiempo entre el radar y el reflector. El cambio de frecuencia se vuelve mayor cuanto mayor sea el retraso de tiempo. El cambio de frecuencia es directamente proporcional a la distancia recorrida. Esa distancia se puede mostrar en un instrumento y también puede estar disponible a través del transpondedor . Este procesamiento de señal es similar al utilizado en el radar Doppler de detección de velocidad. Los sistemas de ejemplo que utilizan este enfoque son AZUSA , MISTRAM y UDOP .
El radar terrestre utiliza señales de FM de baja potencia que cubren un rango de frecuencia más amplio. Los múltiples reflejos se analizan matemáticamente para detectar cambios de patrón con múltiples pasadas creando 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 las masas de agua.
Las dos técnicas descritas anteriormente tienen sus desventajas. La técnica de sincronización del pulso tiene una desventaja inherente en el sentido de que la precisión de la medición de la distancia está inversamente relacionada con la longitud del pulso, mientras que la energía y, por tanto, el rango de dirección, están directamente relacionados. Aumentar la potencia para un mayor alcance manteniendo la precisión exige una potencia máxima extremadamente alta, y los radares de alerta temprana de la década de 1960 a menudo operaban en decenas de megavatios. Los métodos de onda continua distribuyen esta energía en el tiempo y, por lo tanto, requieren una potencia máxima mucho menor en comparación con las técnicas de pulso, pero requieren algún método que permita que las señales enviadas y recibidas funcionen al mismo tiempo, lo que a menudo requiere dos antenas separadas.
La introducción de nueva electrónica en la década de 1960 permitió combinar las dos técnicas. Comienza con un pulso más largo que también está modulado en frecuencia. Distribuir la energía transmitida en el tiempo significa que se pueden utilizar energías máximas más bajas, con ejemplos modernos típicamente del orden de decenas de kilovatios. Al recibirla, la señal se envía a un sistema que retrasa diferentes frecuencias en diferentes momentos. La salida resultante es un pulso mucho más corto que es adecuado para una medición precisa de distancias, al mismo 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 en gran medida universal en los grandes radares modernos.
La velocidad es el cambio de distancia a un objeto con respecto al tiempo. Así, el sistema existente para medir la distancia, combinado con una capacidad de memoria para ver dónde estuvo el último objetivo, es suficiente para medir la velocidad. Hubo un tiempo en que la memoria consistía en que un usuario hacía marcas con un lápiz graso en la pantalla del radar y luego calculaba la velocidad usando una regla de cálculo . Los sistemas de radar modernos realizan la operación equivalente con mayor rapidez y 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 de pulso Doppler ( radar meteorológico , radar militar). El efecto Doppler sólo 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 únicamente el efecto Doppler, pero se puede determinar siguiendo 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. Las autoridades de tráfico suelen utilizar el radar CW 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 las fases de retornos sucesivos da la distancia que se ha movido el objetivo entre pulsos, y así se puede calcular su velocidad. Otros avances matemáticos en el procesamiento de señales de radar incluyen el análisis tiempo-frecuencia (Weyl Heisenberg o wavelet ), así como la transformada chirplet que utiliza el cambio de frecuencia de los retornos de objetivos en movimiento ("chirp").
El procesamiento de señales Pulse-Doppler incluye filtrado de frecuencia 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 manera muy similar al proceso utilizado por un analizador de espectro para producir 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 desempeño aceptable en entornos hostiles que involucran clima, terreno y 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 el radar meteorológico para medir la velocidad del viento radial y la tasa de precipitación en cada volumen de aire diferente. Esto se combina 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 un PRF bajo . Los requisitos de coherencia no son tan estrictos como los de los sistemas militares porque normalmente no es necesario separar las señales individuales. Se requiere un filtrado menos sofisticado y normalmente no se necesita un procesamiento de ambigüedad de alcance con el radar meteorológico en comparación con el radar militar destinado a rastrear vehículos aéreos.
El propósito alternativo es la capacidad de " mirar hacia abajo/derribar " necesaria para mejorar la capacidad de supervivencia en combate aéreo militar. Pulse-Doppler también se utiliza para radares de vigilancia terrestres necesarios para defender al personal y los vehículos. [47] [48] El procesamiento de señales Doppler de pulso aumenta la distancia máxima de detección utilizando menos radiación cerca de los pilotos de aviones, 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 los aviones y los misiles, lo que permite que los vehículos que se mueven rápidamente se oculten utilizando técnicas de vuelo sobre la tierra y tecnología sigilosa para evitar ser detectados hasta que un vehículo de ataque esté demasiado cerca para destruirlo. El procesamiento de señales Pulse-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 en fase que tenga un amplio rango dinámico. Las aplicaciones militares requieren PRF media , lo que impide que el alcance se determine directamente, y se requiere 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 puede producirse mediante señales de interferencia del radar. El procesamiento de señales Pulse-Doppler también produce señales audibles que pueden usarse para la identificación de amenazas. [47]
El procesamiento de señales se emplea en los sistemas de radar para reducir los efectos de la interferencia del radar. Las técnicas de procesamiento de señales incluyen indicación de objetivos en movimiento , procesamiento de señales Pulse-Doppler , procesadores de detección de objetivos en movimiento, correlación con objetivos de radar de vigilancia secundarios , procesamiento adaptativo espacio-temporal y seguimiento antes de detectar . En entornos desordenados también se utilizan una tasa constante de falsas alarmas y el procesamiento de modelos digitales del terreno .
Un algoritmo de seguimiento es una estrategia de mejora del rendimiento del radar. Los algoritmos de seguimiento brindan 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 para su uso en el control del tráfico aéreo, estimación de amenazas, doctrina del sistema de combate, puntería de armas y guía de misiles. Los datos de posición son acumulados por sensores de radar en el transcurso de unos pocos minutos.
Hay cuatro algoritmos de seguimiento comunes. [49]
Los retornos de vídeo de radar procedentes de aeronaves pueden someterse a un proceso de extracción de gráficos mediante el cual se descartan las señales espurias y de interferencia. Se puede monitorear una secuencia de retornos de objetivos a través de un dispositivo conocido como extractor de tramas.
Los retornos en tiempo real no relevantes se pueden eliminar de la información mostrada y mostrar un único gráfico. En algunos sistemas de radar, o alternativamente en el sistema de mando y control al que está conectado el radar, se utiliza un rastreador de radar para asociar la secuencia de trazados que pertenecen a objetivos individuales y estimar los rumbos y velocidades de los objetivos.
Los componentes de un radar son:
Las señales de radio transmitidas desde una sola antena se extenderán en todas 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 ángulo recto para la recepción, cada una en una pantalla diferente. El retorno máximo se detectaría con una antena en ángulo recto con respecto al objetivo, y el mínimo con la antena apuntando directamente hacia él (extremo encendido). 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 importante de este tipo de solución es que la transmisión se envía en todas 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 sobre el "objetivo", la antena transmisora también debe ser direccional.
Los sistemas más modernos utilizan un "plato" parabólico orientable para crear un haz de transmisión estrecho, normalmente utilizando el mismo plato que el receptor. Estos sistemas suelen combinar dos frecuencias de radar en la misma antena para permitir la dirección automática o el bloqueo del radar .
Los reflectores parabólicos pueden ser parábolas simétricas o parábolas estropeadas: las antenas parabólicas simétricas producen un haz de "lápiz" estrecho tanto en las dimensiones X como en Y y, en consecuencia, tienen una mayor ganancia. El radar meteorológico NEXRAD Pulse-Doppler utiliza una antena simétrica para realizar escaneos volumétricos detallados de la atmósfera. Las antenas parabólicas estropeadas producen un haz estrecho en una dimensión y un haz relativamente ancho en la otra. Esta característica es útil si la detección del objetivo en una amplia gama de ángulos es más importante que la ubicación del objetivo en tres dimensiones. La mayoría de los radares de vigilancia 2D utilizan una antena parabólica estropeada con un ancho de haz azimutal estrecho y un ancho de haz vertical amplio. Esta configuración del haz permite al operador del radar detectar una aeronave en un acimut específico pero a una altura indeterminada. Por el contrario, los radares de búsqueda de altura denominados "nodder" utilizan un plato con un ancho de haz vertical estrecho y un ancho de haz azimutal amplio para detectar una aeronave a una altura específica pero con una precisión azimutal baja.
Aplicada de manera similar al reflector parabólico, la guía de ondas ranurada se mueve mecánicamente para escanear y es particularmente adecuada para sistemas de escaneo de superficies sin seguimiento, donde el patrón vertical puede permanecer constante. Debido a su menor costo y menor exposición al viento, los radares de vigilancia a bordo de barcos, de superficie de aeropuertos y de puertos ahora utilizan este enfoque con preferencia a 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 en todo el conjunto. Por ejemplo, los elementos del conjunto que producen un cambio de fase de 5 grados para cada longitud de onda a lo largo de la cara del conjunto producirán un haz apuntado a 5 grados de la línea central perpendicular a la cara del conjunto. Las señales que viajan a lo largo de ese haz serán reforzadas. 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 los lóbulos laterales. [50]
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 provocaron un rendimiento deficiente. Los radares de matriz en fase se utilizaron originalmente para la defensa antimisiles (ver, por ejemplo, Programa de salvaguardia ). Son el corazón del sistema de combate Aegis 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 cuando fallan los elementos de fase individuales. En menor medida, los radares Phased Array se han utilizado en la vigilancia meteorológica . A partir de 2017, la NOAA planea implementar una red nacional de radares multifunción en fase en todo Estados Unidos dentro de 10 años, para estudios meteorológicos y monitoreo de vuelos. [51]
Las antenas en fase pueden construirse 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 conjuntos en fase, donde el pequeño costo adicional se compensa con la confiabilidad mejorada de un sistema sin partes móviles. Los diseños tradicionales de antenas móviles todavía se utilizan ampliamente en funciones donde el costo es un factor importante, como la vigilancia del tráfico aéreo y sistemas similares.
Los radares de matriz en fase se valoran para su uso en aviones, ya que pueden rastrear múltiples objetivos. El primer avión en utilizar un radar en fase fue el B-1B Lancer . El primer avión de combate que utilizó un radar en fase fue el Mikoyan MiG-31 . El radar de matriz de escaneo electrónico pasivo SBI-16 Zaslon del MiG-31M se consideraba el radar de combate más poderoso del mundo, [ cita necesaria ] hasta que se introdujo el conjunto de radar de escaneo electrónico activo AN / APG-77 en el Lockheed Martin F-22 Raptor .
Las técnicas de interferometría en fase o síntesis de apertura , que utilizan una serie de platos separados que se colocan en fase en una única apertura efectiva, no son típicas de las aplicaciones de radar, aunque se utilizan ampliamente en radioastronomía . Debido a la maldición de la matriz adelgazada , estas matrices de apertura múltiple, cuando se utilizan en transmisores, dan como resultado haces estrechos a expensas de reducir la potencia total transmitida al objetivo. En principio, estas técnicas podrían aumentar la resolución espacial, pero la menor potencia significa que esto generalmente no es efectivo.
Por otro lado , la síntesis de apertura mediante el posprocesamiento de datos de movimiento de una única fuente en movimiento se usa 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 utilizar longitudes de onda más cortas, ya que dará como resultado antenas más pequeñas. Las longitudes de onda más cortas también dan como resultado una resolución más alta debido a la difracción, lo que significa que el reflector con forma que se ve en la mayoría de los radares también se puede hacer más pequeño para cualquier ancho de haz deseado.
Oponerse al paso a longitudes de onda más pequeñas plantea 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) 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 situados sobre el horizonte . Por esta razón, se utiliza una amplia variedad de longitudes de onda en diferentes funciones.
Los nombres tradicionales de las bandas se originaron como nombres en clave durante la Segunda Guerra Mundial y todavía se utilizan en el ejército y la aviación en todo el mundo. Han sido adoptados en los Estados Unidos por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos e internacionalmente 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 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. Hay dos diseños diferentes de moduladores de radar:
Los amplificadores de microondas coherentes que funcionan por encima de los 1.000 vatios de potencia de microondas, como los tubos de ondas progresivas y los klistrones , requieren refrigerante líquido. El haz de electrones debe contener de 5 a 10 veces más potencia que la salida de microondas, 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 el camino del haz de electrones, pero fluyendo en la dirección opuesta. Esto introduce una modulación FM que degrada el rendimiento Doppler. Para evitar esto, se requiere refrigerante líquido con presión y caudal mínimos, y normalmente se usa agua desionizada en la mayoría de los sistemas de radar de superficie de alta potencia que utilizan procesamiento Doppler. [54]
El coolanol ( éster de silicato ) se utilizó en varios radares militares en la década de 1970. Sin embargo, es higroscópico , lo que provoca hidrólisis y formación de alcohol altamente inflamable. La pérdida de un avión de la Armada de los EE. UU. en 1978 se atribuyó a un incendio de éster de silicato. [55] El coolanol también es caro y tóxico. La Marina de los EE. UU. ha instituido un programa denominado Prevención de la contaminación (P2) para eliminar o reducir el volumen y la toxicidad de los desechos, las emisiones al aire y las descargas de efluentes. Debido a esto, Coolanol se usa con menos frecuencia en la actualidad.
Radar (también: RADAR ) se define en el artículo 1.100 del Reglamento de Radiocomunicaciones (RR) de la UIT de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT ) como: [56]
Un sistema de radiodeterminación basado en la comparación de señales de referencia con señales de radio reflejadas, o retransmitidas, desde la posición a determinar. Cada sistema de radiodeterminación será clasificado por el servicio de radiocomunicaciones en el que opere de forma permanente o temporal. Los usos típicos de los radares son el radar primario y el radar secundario , que pueden funcionar en el servicio de radiolocalización o en el servicio de radiolocalización por satélite .
Los radares vienen en una variedad de configuraciones en el emisor, el receptor, la antena, la longitud de onda, las estrategias de escaneo, etc.
Nota: la palabra
radar
es en realidad un acrónimo que significa Detección y alcance de RAdio. Fue acuñado oficialmente por los tenientes comandantes de la Armada de los EE. UU. Samuel M. Tucker y FR Furth en noviembre de 1940.
{{cite web}}: Mantenimiento CS1: bot: estado de la 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 tecnología que hoy se encuentra en el corazón de su horno microondas. 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 estuvo años fuera de ritmo.
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