El radar es un sistema de detección que utiliza ondas de radio para determinar el alcance, el ángulo o la velocidad de los objetos. Puede ser utilizado para detectar aviones , barcos , naves espaciales , misiles guiados , vehículos de motor , formaciones meteorológicas y del terreno . Un sistema de radar consiste en un transmisor que produce ondas electromagnéticas en el dominio de radio o microondas , una antena transmisora , una antena receptora (a menudo se usa la misma antena para transmitir y recibir) y un receptor yprocesador para determinar las propiedades del objeto (s). Las ondas de radio (pulsadas o continuas) del transmisor se reflejan en el objeto y regresan al receptor, proporcionando información sobre la ubicación y la velocidad del objeto.
El radar fue desarrollado en secreto para uso militar por varias naciones 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 inferior al metro. El término RADAR fue acuñado en 1940 por la Marina de los Estados Unidos como un acrónimo de " RA dio- D etección Un nd R anging". [1] [2] Desde entonces, el término radar ha entrado en inglés y en otros idiomas como un sustantivo común,perdiendo todas las mayúsculas . Durante los cursos de RAF RADAR en 1954/5 en el campo de entrenamiento de Yatesbury, se sugirió "dirección y alcance de radio azimut". [ cita requerida ] Los usos modernos del radar son muy diversos, incluido el control de tráfico aéreo y terrestre, astronomía de radar , sistemas de defensa aérea , sistemas antimisiles , radares marinos para localizar puntos de referencia y otros barcos, sistemas anticolisión de aeronaves, sistemas de vigilancia oceánica , espacio exterior sistemas de vigilancia y encuentro , monitoreo de precipitaciones meteorológicas , sistemas altimétricos y de control de vuelo, sistemas de localización de objetivos de misiles guiados , vehículos autónomos y radares de penetración en tierra para observaciones geológicas. Los sistemas de radar de alta tecnología están asociados con el procesamiento de señales digitales , el aprendizaje automático y son capaces de extraer información útil de niveles de ruido muy altos .
Otros sistemas similares al radar hacen uso de otras partes del espectro electromagnético . Un ejemplo es LIDAR , que utiliza predominantemente luz infrarroja procedente 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. [3]
Historia [ editar ]
Primeros experimentos [ editar ]
Ya en 1886, el físico alemán Heinrich Hertz demostró que las ondas de radio podían reflejarse en los objetos sólidos. En 1895, Alexander Popov , un instructor de física en la escuela de la Armada Imperial Rusa en Kronstadt , desarrolló un aparato que usaba un tubo coheredor para detectar rayos distantes. Al año siguiente, agregó un transmisor de chispa . En 1897, mientras probaba este equipo para comunicarse entre dos barcos en el Mar Báltico , tomó nota de un latido de interferenciacausado por el paso de un tercer buque. En su informe, Popov escribió que este fenómeno podría usarse para detectar objetos, pero no hizo nada más con esta observación. [4]
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 del transmisor. [5] Obtuvo una patente [6] para su dispositivo de detección en abril de 1904 y más tarde una patente [7] para una enmienda relacionada para estimar la distancia al barco. También obtuvo una patente británica el 23 de septiembre de 1904 [8] [ enlace muerto ] para un sistema de radar completo, al que llamó telemoviloscopio.. Operó en una longitud de onda de 50 cm y la señal de radar pulsada se creó a través de una chispa. Su sistema ya utilizaba la configuración clásica de antena de bocina con reflector parabólico y se presentó a los oficiales militares alemanes en pruebas prácticas en el puerto de Colonia y Rotterdam , pero fue rechazado. [9]
En 1915, Robert Watson-Watt usó tecnología de radio para avisar por adelantado a los aviadores [10] y durante la década de 1920 lideró el establecimiento de investigación del Reino Unido para hacer muchos avances utilizando técnicas de radio, incluida la exploración 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 radiogoniometría antes de dedicar su investigación a la transmisión de onda corta . Al requerir 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 una oficina general de correosmodelo después de notar la descripción de su manual de un efecto de "desvanecimiento" (el término común para interferencia en ese momento) cuando un avión sobrevolaba.
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 atravesaban la trayectoria del haz provocaban que la señal recibida se desvaneciera. Taylor presentó un informe, sugiriendo que este fenómeno podría usarse para detectar la presencia de barcos en baja visibilidad, pero la Marina no continuó el trabajo de inmediato. Ocho años más tarde, Lawrence A. Hyland en el Laboratorio de Investigación Naval (NRL) observó efectos de desvanecimiento similares de los aviones que pasaban; esta revelación condujo a una solicitud de patente [11]así como una propuesta para una mayor investigación intensiva sobre señales de eco de radio de objetivos en movimiento que se llevará a cabo en NRL, donde Taylor y Young tenían su base en ese momento. [12]
Justo antes de la Segunda Guerra Mundial [ editar ]
Antes de la Segunda Guerra Mundial , investigadores del Reino Unido , Francia , Alemania , Italia , Japón , los Países Bajos , la Unión Soviética y los Estados Unidos , de forma independiente y en gran secreto, desarrollaron tecnologías que llevaron a la versión moderna del radar. Australia , Canadá , Nueva Zelanda y Sudáfrica siguieron el desarrollo de los radares de Gran Bretaña antes de la guerra, y Hungría generó su tecnología de radar durante la guerra. [13]
En Francia en 1934, luego de estudios sistemáticos sobre el magnetrón de ánodo dividido , la rama de investigación de la Compagnie Générale de Télégraphie Sans Fil (CSF) dirigida por Maurice Ponte con Henri Gutton, Sylvain Berline y M. Hugon, comenzó a desarrollar un sistema de localización de obstáculos. aparatos de radio, algunos de los cuales se instalaron en el transatlántico Normandie en 1935. [14] [15]
Durante el mismo período, el ingeniero militar soviético PK Oshchepkov , en colaboración con el Instituto Electrofísico de Leningrado , produjo un aparato experimental, RAPID, capaz de detectar una aeronave a menos de 3 km de un receptor. [16] 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, 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 finales de 1944 se produjeron más de 230 estaciones Gneiss-2 [17].Sin embargo, los sistemas francés y soviético presentaban una operación 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 de impulsos, 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 . [18] Al año siguiente, el ejército de los Estados Unidos probó con éxito un radar primitivo de superficie a superficie para apuntar los reflectores de la batería costera por la noche. [19] 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, se le pidió a Watson-Watt que juzgara los informes recientes de un rayo de la muerte de radio alemán y entregó la solicitud a Wilkins. Wilkins devolvió una serie 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 las aeronaves que causaban interferencias de radio. Esta revelación condujo al Experimento Daventry del 26 de febrero de 1935, utilizando un potente transmisor de onda corta BBC como fuente y su receptor GPO configurado en un campo mientras un bombardero volaba alrededor del sitio. Cuando se detectó claramente el avión, Hugh Dowding , miembro aéreo de suministro e investigaciónquedó muy impresionado con el potencial de su sistema y se proporcionaron fondos de inmediato para un mayor desarrollo operativo. [20] El equipo de Watson-Watt patentó el dispositivo en GB593017. [21] [22] [23]
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 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 de avance vital que ayudó a la Royal La Fuerza Aérea gana la Batalla de Gran Bretaña; sin él, una cantidad significativa de aviones de combate, que Gran Bretaña no tenía disponibles, siempre tendrían que estar en el aire para responder rápidamente. Si la detección de aviones enemigos se hubiera basado únicamente en las observaciones de individuos en tierra, Gran Bretaña podría haber perdido la Batalla de Gran Bretaña. También fue vital el " sistema Dowding " de informes y coordinación para proporcionar el mejor uso de la información del radar durante las pruebas de despliegue temprano del radar durante 1936 y 1937.
Dados todos los fondos y el apoyo para el desarrollo necesarios, el equipo produjo 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, CH era tosco; en lugar de transmitir y recibir desde una antena dirigida, CH transmitió una señal que iluminaba toda el área frente a ella, y luego usó uno de los radiogoniómetros de Watson-Watt para determinar la dirección de los ecos devueltos. Este hecho significaba que los transmisores de 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.
Durante la Segunda Guerra Mundial [ editar ]
Un desarrollo 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 . [24] [25]
En abril de 1940, Popular Science mostró un ejemplo de una unidad de radar que utiliza la patente Watson-Watt en un artículo sobre defensa aérea. [26] Además, a finales de 1941, Popular Mechanics publicó un artículo en el que un científico estadounidense especulaba sobre el sistema británico de alerta temprana en la costa este inglesa y se acercaba a lo que era y cómo funcionaba. [27] Watson-Watt fue enviado a los Estados Unidos en 1941 para asesorar sobre defensa aérea después del ataque de Japón a Pearl Harbor . [28] Alfred Lee Loomis organizó el laboratorio secreto de radiación del MIT en el Instituto de Tecnología de Massachusetts., Cambridge, Massachusetts, que desarrolló la tecnología de radar de microondas en los años 1941-1945. Más tarde, en 1943, Page mejoró enormemente el radar con la técnica de monopulso que se utilizó durante muchos años en la mayoría de las aplicaciones de radar. [29]
La guerra precipitó la investigación para encontrar una mejor resolución, más portabilidad y más funciones para el radar, incluidos los sistemas de navegación complementarios como el Oboe utilizado por el Pathfinder de la RAF .
Aplicaciones [ editar ]
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 lo 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 en aplicaciones para aviones, barcos y automóviles. [30] [31] [ cita requerida ]
En la aviación , las aeronaves pueden estar equipadas con dispositivos de radar que advierten sobre aeronaves u otros obstáculos en su trayectoria o que se aproximan, muestran información meteorológica y brindan lecturas precisas de altitud. El primer dispositivo comercial instalado en un avión fue una unidad Bell Lab de 1938 en algunos aviones de United Air Lines . [27] Las aeronaves pueden aterrizar en la niebla en aeropuertos equipados con sistemas de aproximación controlados desde tierra asistidos por radar en los que la posición del avión se observa en un radar de aproximación de precisión.pantallas por parte de los operadores que de ese modo dan instrucciones de aterrizaje por radio al piloto, manteniendo la aeronave en una trayectoria definida de aproximación a la pista. Los aviones de combate militares suelen estar equipados con radares de orientación aire-aire, para detectar y apuntar a los aviones enemigos. Además, los aviones militares especializados más grandes llevan potentes radares aerotransportados para observar el tráfico aéreo en una amplia región y dirigir los aviones de combate hacia los objetivos. [32]
Los radares marinos se utilizan para medir el rumbo y la distancia de los barcos para evitar colisiones con otros barcos, para navegar y para fijar su posición en el mar cuando se encuentran dentro del alcance de la costa u otras referencias fijas como islas, boyas y faros. En puerto o en puerto, los sistemas de radar del servicio de tráfico de barcos se utilizan para monitorear y regular los movimientos de los barcos en aguas concurridas. [33]
Los meteorólogos usan el radar para monitorear la precipitación y el viento. Se ha convertido en la herramienta principal para el pronóstico del tiempo a corto plazo y la vigilancia del clima severo como tormentas eléctricas , tornados , tormentas invernales , tipos de precipitación, etc. Los geólogos utilizan radares especializados que penetran el suelo 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 la monitorización del sueño [34]y detección de gestos con las manos y los dedos para la interacción con la computadora. [35] La apertura automática de puertas, la activación de luz y la detección de intrusos también son comunes.
La tecnología de radar se ha utilizado recientemente para el seguimiento de los signos vitales y el seguimiento de la actividad humana. [36] Los latidos del corazón y la frecuencia respiratoria se estiman midiendo los movimientos del cuerpo humano causados por la expulsión de sangre hacia los grandes vasos y la inhalación y exhalación de aire dentro y fuera de los pulmones utilizando un radar. Las actividades humanas se detectan clasificando los patrones de retorno del radar mediante algoritmos de aprendizaje automático.
Principios [ editar ]
Señal de radar [ editar ]
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, generalmente 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 hacia el receptor de radar son las deseables que hacen que la detección de radar funcione. Si el objeto esal acercarse o alejarse 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 capturadas por la antena receptora suelen ser muy débiles. Pueden reforzarse con amplificadores electrónicos . También se utilizan métodos más sofisticados de procesamiento de señales para recuperar señales de radar útiles.
La débil absorción de ondas de radio por el medio a través del cual pasan es lo que permite a los equipos de radar detectar objetos a distancias relativamente largas, rangos en los 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 que cae y el aguanieve, que bloquean la luz visible suelen ser transparentes a las ondas de radio. Ciertas radiofrecuencias que son absorbidas o dispersadas por vapor de agua, gotas de lluvia o gases atmosféricos (especialmente oxígeno) se evitan al diseñar radares, excepto cuando se pretende su detección.
Iluminación [ editar ]
El radar se basa en 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 los objetos se llama iluminación , aunque las ondas de radio son invisibles para el ojo humano y las cámaras ópticas.
Reflexión [ editar ]
Si las ondas electromagnéticas que viajan a través de un material se encuentran con otro material, que tiene una constante dieléctrica o una constante diamagnética diferente de la primera, las ondas se reflejarán o se 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 aeronaves y barcos. Material absorbente de radar , que contiene resistivoya veces sustancias magnéticas , se utiliza en vehículos militares para reducir la reflexión del radar . Este es el equivalente de radio de pintar algo de un color oscuro para que el ojo no pueda verlo por 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 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, 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 la identificación, de los objetivos. Esto se describe mediante la dispersión de Rayleigh , un efecto que crea el cielo azul de la Tierra y las puestas de sol rojas . 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 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 una caja. La estructura reflejará las ondas que ingresan por su abertura directamente de regreso a la fuente. Se utilizan comúnmente como reflectores de radar para facilitar la detección de objetos que de otro modo serían difíciles 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 conduce a un aspecto "extraño".aviones furtivos . Estas precauciones no eliminan por completo la reflexión debido a la difracción , especialmente en longitudes de onda más largas. Los cables de media longitud de onda o las tiras de material conductor, como la paja , son muy reflectantes pero no dirigen la energía dispersa hacia la fuente. La medida en que un objeto refleja o dispersa ondas de radio se denomina sección transversal de radar .
Ecuación de rango de radar [ editar ]
La potencia P r que regresa a la antena receptora viene dada por la ecuación:
dónde
- P t = potencia del transmisor
- G t = ganancia de la antena transmisora
- A r = apertura efectiva (área) de la antena receptora; esto también se puede expresar como , donde
- = longitud de onda transmitida
- G r = ganancia de la antena receptora [37]
- σ = sección transversal del radar , o coeficiente de dispersión, del objetivo
- F = factor de propagación del patrón
- R t = distancia del transmisor al objetivo
- R r = distancia del objetivo al receptor.
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 puede reemplazarse 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 de pulso Doppler , que se puede utilizar 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 trayectoria múltiple y el sombreado y depende de los detalles del entorno. En una situación del mundo real, también se deben considerar los efectos de pérdida de trayectoria .
Efecto Doppler [ editar ]
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 afecte el proceso de detección. Por ejemplo, la indicación de objetivo móvil puede interactuar con Doppler para producir una cancelación de señal a ciertas velocidades radiales, lo que degrada el rendimiento.
Sistemas de radares basados en el mar, el radar homing semiactiva , mensajeras de radar activo , radares meteorológicos , aviones militares, y la astronomía de 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 que se detecten objetos pequeños en un entorno que contiene objetos cercanos de movimiento lento mucho más grandes.
El desplazamiento Doppler depende de si la configuración del radar es activa o pasiva. El radar activo transmite una señal que se refleja de regreso al receptor. El radar pasivo depende de que el objeto envíe una señal al receptor.
El cambio de frecuencia Doppler para un radar activo es el siguiente, donde es la frecuencia Doppler, la frecuencia de transmisión, la velocidad radial y la velocidad de la luz: [38]
- .
El radar pasivo se aplica a las contramedidas electrónicas y la radioastronomía de la siguiente manera:
- .
Solo es relevante la componente radial de la velocidad. Cuando el reflector se mueve en ángulo recto con el haz del radar, no tiene velocidad relativa. Los vehículos y el clima que se mueven en paralelo al rayo del radar producen el máximo cambio 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 arriba y abajo con una distancia de . Como resultado, la medición Doppler solo es no ambigua si el cambio de frecuencia Doppler es menor a la mitad de , llamado frecuencia de Nyquist , ya que la frecuencia devuelta de otra manera no se puede distinguir del cambio de una frecuencia armónica arriba o abajo, por lo que 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 hasta un máximo de 150 m / s (340 mph), por lo que no puede determinar de forma fiable la velocidad radial de una aeronave que se mueve 1000 m. / s (2200 mph).
Polarización [ editar ]
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 la interferencia causada por la lluvia. Los retornos de polarización lineal generalmente indican superficies metálicas. Los retornos de polarización aleatorios generalmente indican una superficie fractal , como rocas o suelo, y son utilizados por radares de navegación.
Factores limitantes [ editar ]
Distancia y trayectoria del haz [ editar ]
Un rayo 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, que se denomina horizonte de radar . Incluso cuando el rayo se emite paralelo al suelo, el rayo se eleva por encima del suelo a medida que la curvatura de la Tierra se hunde por debajo del horizonte. Además, la señal es atenuada por el medio que atraviesa el haz y el haz se dispersa.
El alcance máximo de un radar convencional puede estar limitado por varios factores:
- Línea de visión, que depende de la altura sobre el suelo. Sin una línea de visión directa, el camino del rayo está bloqueado.
- El rango máximo no ambiguo, que está determinado por la frecuencia de repetición del pulso . El rango máximo no ambiguo es la distancia a la que el pulso puede viajar y regresar antes de que se emita el siguiente pulso.
- Sensibilidad del radar y potencia de la señal de retorno calculada en la ecuación del radar. Este componente incluye factores como las condiciones ambientales y el tamaño (o sección transversal del radar) del objetivo.
Ruido [ editar ]
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 del alcance del radar. El piso de ruido y la relación señal / ruido son dos medidas diferentes de rendimiento que afectan el rendimiento del rango. Los reflectores que están demasiado lejos producen muy poca señal para exceder el piso de ruido y no se pueden detectar. La detección requiere una señal que exceda el piso 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 cifra de ruido es una medida del ruido producido por un receptor en comparación con un receptor ideal, y esto debe minimizarse.
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 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 heterodinos (conversión descendente) es el radar de banda ultraancha. Aquí se utiliza un ciclo único, u onda transitoria, de forma similar a las comunicaciones UWB, consulte la Lista de canales UWB .
El ruido también es generado por fuentes externas, sobre todo la radiación térmica natural del fondo que rodea al 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 a un cielo despejado, donde la escena es tan "fría" que genera muy poco ruido térmico . El ruido térmico viene dado por k B TB , donde T es la temperatura, B es el ancho de banda (filtro posterior adaptado) y k B es la constante de Boltzmann. Existe una atractiva interpretación intuitiva de esta relación en un radar. El filtrado combinado permite que toda la energía recibida de un objetivo se comprima en un solo intervalo (ya sea un intervalo, Doppler, elevación o azimut). En la superficie, parecería que entonces, dentro de un intervalo de tiempo fijo, se podría obtener una detección perfecta y sin errores. Para hacer esto, simplemente se comprime toda la energía en un intervalo de tiempo infinitesimal. Lo que limita este enfoque en el mundo real es que, mientras que el tiempo es divisible arbitrariamente, 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 cierta temperatura ( espectro de Plank) esta fuente de ruido no puede erosionarse más. Vemos entonces que el radar, como todas las entidades a macroescala, se ve profundamente afectado por la teoría cuántica.
El ruido es aleatorio y las señales de destino no. El procesamiento de señales puede aprovechar este fenómeno para reducir el ruido de fondo mediante dos estrategias. El tipo de integración de señal que se utiliza con la indicación de objetivo en movimiento puede mejorar el ruido en cada etapa. La señal también se puede dividir entre varios filtros para el procesamiento de la señal de pulso Doppler , lo que reduce el ruido de fondo por el número de filtros. Estas mejoras dependen de la coherencia .
Interferencia [ editar ]
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 será para discriminar los objetivos reales de las señales de ruido.
Desorden [ editar ]
El desorden se refiere a los ecos de radiofrecuencia (RF) devueltos por objetivos que no son interesantes para los operadores del radar. Dichos objetivos incluyen objetos naturales como el suelo, el mar y, cuando no se asignan con fines meteorológicos, precipitaciones (como lluvia, nieve o granizo), tormentas de arena , animales (especialmente aves), turbulencia atmosférica y otros efectos atmosféricos, como reflejos de la ionosfera , rastros de meteoritos y pico de granizo . El desorden también puede ser devuelto por objetos hechos por el hombre, como edificios y, intencionalmente, por contramedidas de radar como paja .
Algunos desorden también pueden ser causados por una guía de ondas de radar larga entre el transceptor de radar y la antena. En un radar típico de indicador de posición en planta (PPI) con una antena giratoria, esto generalmente se verá como un "sol" o un "resplandor solar" en el centro de la pantalla mientras el receptor responde a los ecos de partículas de polvo y RF mal orientada en la guía de ondas. . Ajustar la sincronización entre el momento en que el transmisor envía un pulso y cuando la etapa del receptor está habilitada generalmente reducirá el resplandor solar sin afectar la precisión del rango, ya que la mayoría de los rayos solares son causados por un pulso de transmisión difuso reflejado antes de que salga de la antena. El desorden se considera una fuente de interferencia pasiva, ya que solo aparece en respuesta a las señales de radar enviadas por el radar.
El desorden se detecta y neutraliza de varias formas. El desorden tiende a parecer estático entre las exploraciones de radar; en los ecos de escaneo subsiguientes, los objetivos deseables parecerán moverse y todos los ecos estacionarios pueden eliminarse. El ruido del mar se puede reducir mediante el uso de la polarización horizontal, mientras que la lluvia se reduce con la 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 / ruido.
El desorden se mueve con el viento o está estacionario. Dos estrategias comunes para mejorar la medición o el rendimiento en un entorno desordenado son:
- Indicación de objetivo móvil, que integra pulsos sucesivos y
- Procesamiento Doppler, que utiliza filtros para separar el desorden de las señales deseables.
La técnica de reducción de ruido más eficaz es el radar Doppler de pulso . Doppler separa el desorden de las aeronaves y las naves espaciales utilizando un espectro de frecuencia , por lo que las señales individuales se pueden separar de varios reflectores ubicados en el mismo volumen utilizando diferencias de velocidad. Esto requiere un transmisor coherente. Otra técnica usa un indicador de objetivo en movimiento que resta la señal de recepción de dos pulsos sucesivos usando 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 un 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 en número 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 fuerte, sí ayuda a distinguir las fuentes de objetivos fuertes. En el pasado, el radar AGC se controlaba electrónicamente y afectaba la ganancia de todo el receptor del radar. A medida que evolucionaron los radares, AGC pasó a ser controlado por software y afectó la ganancia con mayor granularidad en células de detección específicas.
El ruido también puede originarse a partir de ecos de trayectos múltiples de objetivos válidos causados por la reflexión del suelo, la conducción atmosférica 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 normales (puntuales) de interés. En un escenario típico, el eco de un avión se refleja desde el suelo debajo, apareciendo al receptor como un objetivo idéntico debajo del correcto. El radar puede intentar unificar los objetivos, notificando el objetivo a una altura incorrecta o eliminándolo sobre la base de la inestabilidad o una imposibilidad física. La interferencia de rebote del terreno explota esta respuesta amplificando la señal del radar y dirigiéndola hacia abajo.[39] Estos problemas pueden superarse incorporando un mapa terrestre de los alrededores del radar y eliminando todos los ecos que parecen originarse bajo tierra o por encima de una cierta altura. El monopulso se puede mejorar modificando el algoritmo de elevación utilizado a baja altura. 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, así como calculando las improbabilidades de retorno.
Jamming [ editar ]
La interferencia de radar se refiere a señales de radiofrecuencia que se originan en fuentes externas al radar, que se transmiten en la frecuencia del radar y, por lo tanto, enmascaran los objetivos de interés. La interferencia puede ser intencional, como con una táctica de guerra electrónica , o no intencional, como con fuerzas amigas que operan equipos que transmiten usando 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 la interferencia hasta el 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 en el momento en que regresan. al receptor del radar de acuerdo con la ley del cuadrado inverso . Por lo tanto, los bloqueadores pueden ser mucho menos poderosos que sus radares interceptados y aún 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 un efecto adicional de afectar los radares a lo largo de otras líneas de visión a través de los lóbulos laterales del receptor de radar ( bloqueo del lóbulo lateral ).
La interferencia del lóbulo principal generalmente solo se puede reducir reduciendo el ángulo sólido del lóbulo principal y no se puede eliminar por completo cuando se enfrenta directamente a una interferencia que usa la misma frecuencia y polarización que el radar. La interferencia de lóbulos laterales 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 las señales que no son del lóbulo principal. Otras técnicas antiinterferencias son el salto de frecuencia y la polarización .
Procesamiento de señales de radar [ editar ]
Medición de distancia [ editar ]
Tiempo de tránsito [ editar ]
Una forma de obtener una medición de distancia se basa en el tiempo de vuelo : transmita un pulso corto de señal de radio (radiación electromagnética) y mida 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 al objeto y regresar. Dado que las ondas de radio viajan a la velocidad de la luz, la medición de distancia precisa 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 transmitir y recibir a una velocidad predeterminada. Un efecto similar también impone un rango máximo. Para maximizar el rango, se deben usar tiempos más largos entre pulsos, denominados tiempo de repetición de pulsos, o su recíproca, frecuencia de repetición de pulsos.
Estos dos efectos tienden a contradecirse, 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 rango 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 utilizando más pulsos, pero esto acortaría el rango máximo. Entonces, cada radar usa un tipo particular de señal. Los radares de largo alcance tienden a usar pulsos largos con grandes retrasos entre ellos, y los radares de corto alcance usan pulsos más pequeños con menos tiempo entre ellos. Como 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 (aproximadamente 10 km (6.2 mi)) y una señal separada para distancias más largas (aproximadamente 100 km (62 mi)).
La resolución de la distancia y las características de la señal recibida en comparación con el ruido dependen de la forma del pulso. El pulso a menudo se modula para lograr un mejor rendimiento mediante una técnica conocida como compresión de pulso .
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.
Modulación de frecuencia [ editar ]
Otra forma de radar de medición de distancia se basa en la modulación de frecuencia. La comparación de frecuencia entre dos señales es considerablemente más precisa, incluso con componentes electrónicos más antiguos, que sincronizar la señal. Midiendo la frecuencia de la señal devuelta y comparándola con la original, la diferencia se puede medir fácilmente.
Esta técnica se puede utilizar en radares de onda continua y, a menudo, se encuentra 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 una onda sinusoidal o un patrón de diente de sierra en las frecuencias de audio. Luego, la señal se envía desde una antena y se recibe en otra, generalmente ubicada en la parte inferior de la aeronave, y la señal se puede comparar continuamente usando un modulador de frecuencia de batido simple que produce un tono de frecuencia de audio a partir de la señal devuelta y una porción de la señal transmitida.
Dado que la frecuencia de la señal está cambiando, cuando la señal regresa a la aeronave, la frecuencia de transmisión ha cambiado. El cambio de frecuencia se utiliza para medir la distancia.
El índice de modulación en la señal de recepción es proporcional al tiempo de retardo entre el radar y el reflector. El cambio de frecuencia se vuelve mayor con un mayor retardo 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 señales 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 .
Una ventaja adicional es que el radar puede funcionar eficazmente a frecuencias relativamente bajas. Esto fue importante en el desarrollo temprano de este tipo cuando la generación de señales de alta frecuencia era difícil o costosa.
El radar terrestre utiliza señales de FM de baja potencia que cubren un rango de frecuencia más amplio. Las múltiples reflexiones 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 los cuerpos de agua.
Medición de velocidad [ editar ]
La velocidad es el cambio en la distancia a un objeto con respecto al tiempo. Por lo tanto, el sistema existente para medir la distancia, combinado con una capacidad de memoria para ver dónde estaba el último objetivo, es suficiente para medir la velocidad. En un momento, la memoria consistía en un usuario que hacía marcas de lápiz con grasa en la pantalla del radar y luego calculaba la velocidad usando una regla de cálculo . Los sistemas de radar modernos realizan la operación equivalente de forma más rápida y precisa utilizando computadoras.
Si la salida del transmisor es coherente (fase sincronizada), 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 el radar Doppler y en los sistemas de radar Doppler de pulso ( 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 siguiendo el acimut del objetivo a lo largo del tiempo.
Es posible hacer 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 por las autoridades de tráfico para medir la velocidad del vehículo de forma rápida y precisa cuando el alcance no es importante.
Cuando se usa un radar de pulsos, la variación entre la fase de retornos sucesivos da la distancia que el objetivo se ha movido entre pulsos y, por lo tanto, se puede calcular su velocidad. Otros desarrollos matemáticos en el procesamiento de señales de radar incluyen el análisis de 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").
Procesamiento de señales pulso-Doppler [ editar ]
El procesamiento de señales pulso-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, al igual que el 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 rendimiento aceptable en entornos hostiles que involucran el clima, el terreno y contramedidas electrónicas.
El propósito 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 está vinculado con los 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, por lo general, las señales individuales no necesitan separarse. Se requiere un filtrado menos sofisticado, y el procesamiento de ambigüedad de alcance normalmente no es necesario con los radares meteorológicos en comparación con los radares militares destinados a rastrear vehículos aéreos.
El propósito alternativo es la capacidad de " mirar hacia abajo / derribar " requerida para mejorar la capacidad de supervivencia del combate aéreo militar. Pulse-Doppler también se utiliza para el radar de vigilancia terrestre necesario para defender al personal y los vehículos. [40] [41] El procesamiento de señales pulso-Doppler aumenta la distancia máxima de detección usando menos radiación en las proximidades de los pilotos de aviones, personal de a bordo, infantería y 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 escondan utilizando técnicas de vuelo nap-of-the-earth y tecnología sigilosa.para evitar la detección hasta que un vehículo de ataque esté demasiado cerca para destruirlo. El procesamiento de señales pulso-Doppler incorpora un filtrado electrónico más sofisticado que elimina de manera segura este tipo de debilidad. Esto requiere el uso de una frecuencia de repetición de pulso media con hardware coherente de fase que tiene un amplio rango dinámico. Las aplicaciones militares requieren una PRF media que evita que el rango se determine directamente, y se requiere un procesamiento de resolución de ambigüedad de rango para identificar el rango real de todas las señales reflejadas. El movimiento radial generalmente está vinculado con la frecuencia Doppler para producir una señal de bloqueo que no puede producirse mediante señales de interferencia de radar. El procesamiento de señales pulso-Doppler también produce señales audibles que se pueden utilizar para la identificación de amenazas. [40]
Reducción de efectos de interferencia [ editar ]
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 de pulso-Doppler , procesadores de detección de objetivos en movimiento, correlación con objetivos de radar de vigilancia secundarios , procesamiento adaptativo de espacio-tiempo y seguimiento antes de detectar . La tasa constante de falsas alarmas y el procesamiento de modelos digitales del terreno también se utilizan en entornos desordenados.
Extracción de tramas y pistas [ editar ]
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 en función del 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 con el control del tráfico aéreo, la estimación de amenazas, la doctrina del sistema de combate, la orientación de armas y la guía de misiles. Los datos de posición se acumulan mediante sensores de radar en un lapso de unos pocos minutos.
Hay cuatro algoritmos de seguimiento comunes. [42]
- Algoritmo del vecino más cercano
- Asociación de datos probabilísticos
- Seguimiento de hipótesis múltiples
- Modelo múltiple interactivo (IMM)
Los retornos de video de radar desde aeronaves pueden someterse a un proceso de extracción de gráficos mediante el cual se descartan las señales espúreas e interferentes. Se puede monitorear una secuencia de retornos de destino a través de un dispositivo conocido como extractor de parcelas.
Los retornos en tiempo real no relevantes se pueden eliminar de la información mostrada y se puede mostrar 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 trazados que pertenecen a objetivos individuales y estimar los rumbos y velocidades de los objetivos.
Ingeniería [ editar ]
Los componentes de un radar son:
- Un transmisor que genera la señal de radio con un oscilador como un klystron o un magnetron y controla su duración mediante un modulador .
- Una guía de ondas que une el transmisor y la antena.
- Un duplexor que sirve como un interruptor entre la antena y el transmisor o el receptor para la señal cuando la antena se utiliza en ambas situaciones.
- Un receptor . Conociendo la forma de la señal recibida deseada (un pulso), se puede diseñar un receptor óptimo usando un filtro adaptado .
- Un procesador de pantalla para producir señales para dispositivos de salida legibles por humanos .
- Una sección electrónica que controla todos esos dispositivos y la antena para realizar el escaneo de radar ordenado por software.
- Un enlace a los dispositivos y pantallas del usuario final.
Diseño de antena [ editar ]
Las señales de radio transmitidas desde una sola antena se esparcirán en todas las direcciones y, de la misma forma, una sola antena recibirá señales por igual desde todas las direcciones. Esto deja al radar con el problema de decidir dónde está ubicado 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 el objetivo, y un mínimo con la antena apuntando directamente hacia él (extremo en). El operador podía determinar la dirección a un objetivo girando la antena para que una pantalla mostrara un máximo mientras que la otra mostrara un mínimo. Una limitación seria 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 lo transmitido. Para obtener una cantidad razonable de potencia en el "objetivo", la antena transmisora también debe ser direccional.
Reflector parabólico [ editar ]
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 a menudo combinan 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 en las dimensiones X e Y y, en consecuencia, tienen una mayor ganancia. El Doppler de pulso NEXRAD El radar meteorológico utiliza una antena simétrica para realizar exploraciones volumétricas detalladas de la atmósfera. Las antenas parabólicas estropeadas producen un haz estrecho en una dimensión y un haz relativamente ancho en la otra. Esta función 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 de haz permite al operador del radar detectar una aeronave en un acimut específico pero a una altura indeterminada. Por el contrario, los llamados radares de búsqueda de altura "cabeceadores" 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.
Tipos de escaneo [ editar ]
- Escaneo primario: una técnica de escaneo en la que la antena principal se mueve para producir un haz de escaneo, los ejemplos incluyen escaneo circular, escaneo de sector, etc.
- Escaneo secundario: una técnica de escaneo en la que la alimentación de la antena se mueve para producir un haz de escaneo, los ejemplos incluyen escaneo cónico, escaneo de sector unidireccional, cambio de lóbulos, etc.
- Palmer Scan: una técnica de escaneo que produce un rayo de escaneo moviendo la antena principal y su alimentación. Un escaneo Palmer es una combinación de un escaneo primario y un escaneo secundario.
- Exploración cónica : el rayo del radar se gira en un pequeño círculo alrededor del eje de "puntería", que apunta al objetivo.
Guía de ondas ranurada [ editar ]
Aplicado 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 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 superficie de aeropuerto y de puertos utilizan ahora este enfoque en lugar de una antena parabólica.
Matriz en fase [ editar ]
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 través 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 través de la cara de la matriz producirán un haz apuntado a 5 grados de la línea central perpendicular a la cara de la matriz. Se reforzarán las señales que viajen a lo largo de ese rayo. Se cancelarán las señales desplazadas de ese haz. La cantidad de refuerzo es la ganancia de la antena . La cantidad de cancelación es la supresión de los lóbulos laterales. [43]
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 condujeron a un rendimiento deficiente. Los radares de matriz en fase se utilizaron originalmente para la defensa antimisiles (ver, por ejemplo, el Programa de protección ). Son el corazón del sistema de combate Aegis a bordo de un barco 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 se produce cuando 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 multifunción de matriz en fase en todo Estados Unidos dentro de 10 años, para estudios meteorológicos y monitoreo de vuelos. [44]
Se pueden construir antenas de matriz en fase 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 arreglos 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 en las que 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 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 de matriz escaneado electrónicamente SBI-16 Zaslon Passive del MiG-31M fue considerado el radar de combate más poderoso del mundo, [45] hasta que se introdujo la matriz escaneada electrónicamente AN / APG-77 Active en el Lockheed Martin F-22 Raptor .
La interferometría en fase o las técnicas de síntesis de apertura , que utilizan una serie de platos separados que se colocan en fase en una sola apertura efectiva, no son típicas de las 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.
La síntesis de apertura mediante el posprocesamiento de datos de movimiento de una sola fuente en movimiento, por otro lado, se usa ampliamente en sistemas de radar espaciales y aéreos .
Bandas de frecuencia [ editar ]
Los nombres de bandas tradicionales 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 de radio, como las industrias de radiodifusión y contramedidas electrónicas , han reemplazado las designaciones militares tradicionales con sus propios sistemas.
| Nombre de banda | Rango de frecuencia | Rango de onda | Notas |
|---|---|---|---|
| HF | 3-30 MHz | 10-100 m | Sistemas de radar costero, radares sobre el horizonte (OTH); 'alta frecuencia' |
| VHF | 30–300 MHz | 1-10 m | Alcance muy largo, penetrante en el suelo; 'muy alta frecuencia' |
| PAG | <300 MHz | > 1 m | 'P' para 'anterior', aplicada retrospectivamente a los primeros sistemas de radar; esencialmente HF + VHF |
| UHF | 300–1000 MHz | 0,3-1 m | Alcance muy largo (por ejemplo , alerta temprana de misiles balísticos ), penetración en el suelo, penetración en el follaje; 'Frecuencia ultra alta' |
| L | 1-2 GHz | 15-30 cm | Control y vigilancia del tráfico aéreo de largo alcance ; 'L' por 'largo' |
| S | 2-4 GHz | 7,5-15 cm | Vigilancia de alcance moderado, control de tráfico aéreo terminal, clima de largo alcance, radar marino; 'S' para 'corto' |
| C | 4–8 GHz | 3,75–7,5 cm | Transpondedores de satélite; un compromiso (de ahí 'C') entre las bandas X y S; tiempo; seguimiento de largo alcance |
| X | 8-12 GHz | 2,5–3,75 cm | Guía de misiles , radar marino , meteorología, cartografía de resolución media y vigilancia terrestre; en los Estados Unidos, el rango estrecho de 10,525 GHz ± 25 MHz se utiliza para los radares de los aeropuertos ; seguimiento de corto alcance. Nombrada banda X porque la frecuencia era un secreto durante la Segunda Guerra Mundial. |
| K u | 12-18 GHz | 1,67–2,5 cm | Alta resolución, también se utiliza para transpondedores de satélite, frecuencia por debajo de la banda K (de ahí 'u') |
| K | 18-24 GHz | 1,11-1,67 cm | Del alemán kurz , que significa "corto"; uso limitado debido a la absorción por el vapor de agua , por lo que K u y K a se utilizaron en su lugar para la vigilancia. La banda K se utiliza para detectar nubes por meteorólogos y por la policía para detectar conductores a exceso de velocidad. Los cañones de radar de banda K funcionan a 24,150 ± 0,100 GHz. |
| K a | 24–40 GHz | 0,75-1,11 cm | Cartografía, corto alcance, vigilancia aeroportuaria; frecuencia justo por encima de la banda K (de ahí 'a') El radar fotográfico, utilizado para disparar cámaras que toman fotografías de matrículas de automóviles con luces rojas, opera a 34.300 ± 0.100 GHz. |
| mm | 40–300 GHz | 1,0–7,5 mm | Banda milimétrica , subdividida como se muestra a continuación. Los rangos de frecuencia dependen del tamaño de la guía de ondas. Los diferentes grupos asignan varias letras a estas bandas. Estos son de Baytron, una empresa ahora desaparecida que fabricaba equipos de prueba. |
| V | 40–75 GHz | 4,0–7,5 mm | Muy fuertemente absorbido por el oxígeno atmosférico, que resuena a 60 GHz. |
| W | 75-110 GHz | 2,7–4,0 mm | Se utiliza como sensor visual para vehículos autónomos experimentales, observación meteorológica de alta resolución e imágenes. |
Moduladores [ editar ]
Los moduladores actúan para proporcionar la forma de onda del pulso de RF. Hay dos diseños de modulador de radar diferentes:
- Interruptor de alto voltaje para osciladores de potencia con llave no coherente [46] Estos moduladores consisten en un generador de pulsos de alto voltaje formado por un suministro de alto voltaje, una red de formación de pulsos y un interruptor de alto voltaje como un tiratrón . Generan pulsos cortos de energía para alimentar, por ejemplo, el magnetrón , un tipo especial de tubo de vacío que convierte la CC (generalmente pulsada) en microondas. Esta tecnología se conoce como potencia pulsada . De esta manera, el pulso transmitido de radiación de RF se mantiene en una duración definida y generalmente muy corta.
- Mezcladores híbridos, [47] alimentados por un generador de forma de onda y un excitador para una forma de onda compleja pero coherente . Esta forma de onda se puede generar mediante señales de entrada de baja potencia / baja tensión. En este caso, el transmisor de radar debe ser un amplificador de potencia, por ejemplo, un klystron o un transmisor de estado sólido. De esta manera, el pulso transmitido se modula intrapulso y el receptor de radar debe utilizar técnicas de compresión de pulsos .
Refrigerante [ editar ]
Los amplificadores de microondas coherentes que funcionan por encima de los 1000 vatios de salida de microondas, como los tubos de onda viajera 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 entrar en la trayectoria del haz de electrones, pero fluye en la dirección opuesta. Esto introduce modulación FM que degrada el rendimiento Doppler. Para evitar esto, se requiere 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 procesamiento Doppler. [48]
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 Marina de los Estados Unidos en 1978 se atribuyó a un incendio de éster de silicato. [49] 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 al aire y las descargas de efluentes. Debido a esto, Coolanol se usa con menos frecuencia en la actualidad.
Regulaciones [ editar ]
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: [50]
Un sistema de radiodeterminación basado en la comparación de señales de referencia con señales de radio reflejadas o retransmitidas desde la posición por determinar. Cada sistema de radiodeterminación será clasificado por el servicio de radiocomunicaciones en el que opere de forma permanente o temporal. Las utilizaciones típicas 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 .
Ver también [ editar ]
- Radar de seguimiento del terreno
- Imágenes de radar
- Navegación por radar
- Ley del cuadrado inverso
- Radar de ondas
- Características de la señal de radar
- Radar Doppler de pulso
- Siglas y abreviaturas en aviónica
- Definiciones
- Monopulso de comparación de amplitud
- Tasa constante de falsas alarmas
- Control de tiempo de sensibilidad
- Solicitud
- Espoleta de proximidad
- Hardware
- Magnetrón de cavidad
- Amplificador de campo cruzado
- Arseniuro de galio
- Klystron
- Tecnología omniview
- Detalles de ingeniería de radar
- Torre de radar
- Radio
- Tubo de onda viajera
- Métodos de detección y rango similares
- Lidar
- LORAN
- Sonar
- Radares históricos
- Lista de radares
- Chain Home y Chain Home Low
- Radar de Würzburg
- Radar Hohentwiel
- Radar H2S
- Radar SCR-270
Notas y referencias [ editar ]
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Bibliografía [ editar ]
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Enlaces externos [ editar ]
 | Busque radar en Wiktionary, el diccionario gratuito. |
 | Wikimedia Commons tiene medios relacionados con el radar . |
- Curso de video del MIT: Introducción a los sistemas de radar Un conjunto de 10 conferencias en video desarrolladas en el Laboratorio Lincoln para desarrollar una comprensión de los sistemas y tecnologías de radar.
