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