Radar

Radar
Para otros usos de este t茅rmino, v茅ase Radar (desambiguaci贸n).
Antena de radar de detecci贸n a larga distancia

El radar (t茅rmino derivado del acr贸nimo ingl茅s radio detection and ranging, 鈥渄etecci贸n y medici贸n de distancias por radio鈥) es un sistema que usa ondas electromagn茅ticas para medir distancias, altitudes, direcciones y velocidades de objetos est谩ticos o m贸viles como aeronaves, barcos, veh铆culos motorizados, formaciones meteorol贸gicas y el propio terreno. Su funcionamiento se basa en emitir un impulso de radio, que se refleja en el objetivo y se recibe t铆picamente en la misma posici贸n del emisor. A partir de este "eco" se puede extraer gran cantidad de informaci贸n. El uso de ondas electromagn茅ticas permite detectar objetos m谩s all谩 del rango de otro tipo de emisiones (luz visible, sonido, etc.)

Entre sus 谩mbitos de aplicaci贸n se incluyen la meteorolog铆a, el control del tr谩fico a茅reo y terrestre y gran variedad de usos militares.

Contenido

Historia

  • En 1864, James Clerk Maxwell describe las leyes del electromagnetismo.
  • En 1888, Heinrich Rudolf Hertz demuestra que las ondas electromagn茅ticas se reflejan en las superficies met谩licas.
  • Durante el Siglo XX, muchos inventores, cient铆ficos e ingenieros han contribuido en el desarrollo del radar, impulsados sobre todo por el ambiente preb茅lico que precedi贸 a la Segunda Guerra Mundial, y a la propia Guerra. Los grandes pa铆ses que participaron en ella fueron desarrollando de forma paralela distintos sistemas radar, aportando grandes avances cada uno de ellos para llegar a lo que hoy conocemos sobre los sistemas radar.
  • En 1904 Christian Huelsmeyer patenta el primer sistema anticolisi贸n de buques utilizando ondas electromagn茅ticas
  • Desarrollo de la radio y de la transmisi贸n inal谩mbrica (por Guglielmo Marconi, entre otros), gracias a lo cual se desarrollan las antenas.
  • En 1917, Nikola Tesla establece los principios te贸ricos del futuro radar (frecuencias y niveles de potencia).
  • En 1934, y gracias a un estudio sistem谩tico del magnetr贸n, se realizan ensayos sobre sistemas de detecci贸n de onda corta siguiendo los principios de Nikola Tesla. De este modo nacen los radares de ondas decim茅tricas.

A帽os previos a la Segunda Guerra Mundial

Alemania

En 1934 el GEMA (Gesellschaft f眉r Elektroakustische und Mechanische Apparate), uno de cuyos fundadores fue Hans Hollmann, construye un magnetr贸n capaz de trabajar a 650 MHz. 脡se fue el paso tecnol贸gico que permiti贸 el desarrollo del Freya, un radar de vigilancia a茅rea que trabajaba a 125 MHz con un alcance entre 80 y 150 millas. Era un radar para trabajar en superficie por sus dimensiones, por ello, una versi贸n posterior fue el Seetakt que trabajaba a 375 MHz y ten铆a un alcance de 10 millas adaptado para ser montado en buques. Este radar fue utilizado en el verano de 1938 en la Guerra Civil Espa帽ola.

La competencia en la industria alemana de la 茅poca hizo que, en el a帽o 1935, la empresa alemana Telefunken lanzara un radar de antena parab贸lica giratoria, antecesor del radar de alerta a茅rea W眉rzburg, radar de tiro de 560 MHz de trabajo y con deflector de 3m de di谩metro.

El Freya y el W眉rzburg fueron la base de la defensa terrestre de los alemanes durante la Segunda Guerra Mundial, y el Steetakt pieza fundamental para la de detecci贸n a bordo de los buques de la Armada Alemana. Al inicio de la Segunda Guerra Mundial, Alemania estaba al frente de la tecnolog铆a de radares, pero su decisi贸n de alistar a cient铆ficos e ingenieros en el frente, pensando que la guerra ser铆a corta y satisfactoria, hizo que no se produjeran avances sustanciosos en esos a帽os, en contramedida de sus adversarios, que siguieron avanzando.

Gran Breta帽a

El modelo de radar actual fue creado en 1935 y desarrollado principalmente en Inglaterra durante la Segunda Guerra Mundial por el f铆sico Robert Watson-Watt. Supuso una notable ventaja t谩ctica para la Royal Air Force en la Batalla de Inglaterra, cuando a煤n era denominado RDF (Radio Direction Finding). Aunque fue desarrollado con fines b茅licos, en la actualidad cuenta con multitud de usos civiles, siendo la mejor herramienta para el control de tr谩fico a茅reo.

En los momentos anteriores a la II Guerra Mundial, Robert Watson-Watt, f铆sico y director del Laboratorio de Investigaci贸n de Radio y su ayudante, el f铆sico Arnold Wilkins, estuvieron a cargo de la invenci贸n de un 鈥渞ayo de la muerte鈥 que ser铆a utilizado en esa guerra. La idea de Watson-Watt era elevar la temperatura del piloto atacante a 41 掳C aproximadamente para que, al provocarle fiebre, quedara incapacitado.

Como lo escribi贸 el propio Wilkins:

Mi c谩lculo mostr贸 que, como era de esperarse, se necesitaba generar una potencia enorme a cualquier frecuencia de radio para producir fiebre en el cuerpo de un piloto de avi贸n, aun en el improbable caso de que su cuerpo no estuviera protegido por el metal del fuselaje [...]. Como nada cercano a dicha potencia se pod铆a producir, estaba claro que no era factible un rayo de la muerte por medio de la radio. Le dije esto a Watson-Watt al darle mi c谩lculo y me respondi贸: "Bien, si un rayo de la muerte no es posible, 驴c贸mo podemos entonces ayudarles? Yo contest茅 que los ingenieros de la Oficina de Correos se hab铆an dado cuenta de perturbaciones en la recepci贸n de muy altas frecuencias cuando alg煤n avi贸n volaba en la vecindad de sus receptores y que este fen贸meno podr铆a ser 煤til para detectar aviones enemigos"

Esta observaci贸n, hecha en enero de 1935, dio lugar una serie de hechos que culminaron con la invenci贸n del radar. Los hechos a los que Wilkins se refiri贸 hab铆an sido observados en muchos lugares y en todos se consider贸 esta perturbaci贸n como un estorbo que mucha gente hab铆a tratado de eliminar. De hecho, en 1932, la Oficina Postal Brit谩nica public贸 un informe en el que sus cient铆ficos documentaron fen贸menos naturales que afectaban la intensidad de la se帽al electromagn茅tica recibida: tormentas el茅ctricas, vientos, lluvia y el paso de un aeroplano en la vecindad del laboratorio. Wilkins conoci贸 este informe de manera accidental, conversando con la gente de la Oficina Postal, que se quejaba por la interferencia.

Cuando Wilkins sugiri贸 la posibilidad de utilizar el fen贸meno de interferencia de ondas de radio para detectar aviones enemigos, Watson-Watt lo comision贸 inmediatamente para trabajar en el c谩lculo de los aspectos cuantitativos.

Al terminar sus c谩lculos, a Wilkins le pareci贸 incre铆ble que el efecto deseado pudiera detectarse; revis贸 sus c谩lculos, no encontr贸 ning煤n error y se los dio a Watson-Watt, quien los vio fant谩sticos y verific贸 los c谩lculos matem谩ticos. Al no encontrar error, envi贸 los resultados. El hecho de que un rayo de la muerte no fuera factible no sorprendi贸, sin embargo atrajo la idea de poder detectar un avi贸n.

EEUU

Dos cient铆ficos del Naval Research Laboratory (NRL) Hoyt Taylor y L. Young dieron forma a las especulaciones de Marconi y las plasmaron en un experimento en el que transmitieron una se帽al de radio de onda continua a trav茅s del r铆o Potomac detectando que al pasar los buques se produc铆an alteraciones en la calidad de la se帽al recibida. Lograron perturbaciones con distancias de hasta tres millas. Observando esto, concluyeron con que se podr铆a dise帽ar un elemento que detectara buques en el mar.

Al mismo tiempo, la Armada de los EE.UU. se encontraba muy ocupada dotando a los buques de comunicaciones sin hilos. A pesar de esto, se continu贸 con su investigaci贸n a nivel cient铆fico en muchos campos. Es as铆 que el NRL, en cooperaci贸n con el Carnegie Institute , durante el a帽o 1925 investig贸 la reflexi贸n de ondas en la ionosfera y la modulaci贸n por pulsos de la onda, de tal manera que conociendo el instante de salida de un pulso y midiendo su retardo se podr铆a calcular la distancia del rebote. A partir de estas investigaciones se dise帽贸 a principio de los a帽os 30 el primer radar de impulsos, obteni茅ndose los primeros pulsos reflejados por aviones en diciembre de 1934. Aunque no fue hasta julio de 1936 cuando consiguieron que funcionara correctamente, debido a un error en el dise帽o del ancho de banda del receptor (demasiado estrecho). El radar trabajaba a 200 MHz con una anchura de pulso de 10碌s. Este radar utilizaba una 煤nica antena en emisi贸n y recepci贸n pues inclu铆a el primer duplexor, una novedad tecnol贸gica que supuso una gran diferencia entre pa铆ses durante varios a帽os.

Principios

Reflexi贸n

Las ondas electromagn茅ticas se dispersan cuando hay cambios significativos en las constantes diel茅ctricas o diamagn茅ticas. Esto significa que un objeto s贸lido en el aire o en el vac铆o (es decir, un cambio en la densidad at贸mica entre el objeto y su entorno) producir谩 dispersi贸n de las ondas de radio, como las del radar. Esto ocurre particularmente en el caso de los materiales conductores como el metal y la fibra de carbono, lo que hace que el radar sea especialmente indicado para la detecci贸n de aeronaves. En ocasiones los aviones militares utilizan materiales con sustancias resistivas y magn茅ticas que absorben las ondas del radar, reduciendo as铆 el nivel de reflexi贸n. Estableciendo una analog铆a entre las ondas del radar y el espectro visible, estos materiales equivaldr铆an a pintar algo con un color oscuro.

La reflexi贸n de las ondas del radar var铆a en funci贸n de su longitud de onda y de la forma del blanco. Si la longitud de onda es mucho menor que el tama帽o del blanco, la onda rebotar谩 del mismo modo que la luz contra un espejo. Si por el contrario es mucho m谩s grande que el tama帽o del blanco, lo que ocurre es que este se polariza (separaci贸n f铆sica de las cargas positivas y negativas) como en un dipolo (v茅ase: Dispersi贸n de Rayleigh). Cuando las dos escalas son similares pueden darse efectos de resonancia. Los primeros radares utilizaban longitudes de onda muy elevadas, mayores que los objetivos; las se帽ales que recib铆an eran tenues. Los radares actuales emplean longitudes de onda m谩s peque帽as (de pocos cent铆metros o inferiores) que permiten detectar objetos del tama帽o de una barra de pan.

Las se帽ales de radio de onda corta (3 kHz-30 MHz) se reflejan en las curvas y aristas, del mismo modo que la luz produce destellos en un trozo de cristal curvo. Para estas longitudes de onda los objetos que m谩s reflejan son aquellos con 谩ngulos de 90潞 entre las superficies reflectivas. Una estructura que conste de tres superficies que se juntan en una esquina (como la de una caja) siempre reflejar谩 hacia el emisor aquellas ondas que entren por su abertura.

Reflector de esquina

Este tipo de reflectores, denominados reflectores de esquina (corner reflectors, ver imagen a la derecha), se suelen usar para hacer "visibles" al radar objetos que en otras circunstancias no lo ser铆an (se suelen instalar en barcos para mejorar su detectabilidad y evitar choques). Siguiendo el mismo razonamiento, si se desea que una nave no sea detectada, en su dise帽o se procurar谩 eliminar estas esquinas interiores, as铆 como superficies y bordes perpendiculares a las posibles direcciones de detecci贸n. De ah铆 el aspecto extra帽o de los aviones "stealth" (avi贸n furtivo). Todas estas medidas no eliminan por completo la reflexi贸n debido a la difracci贸n, especialmente para longitudes de onda grandes. Otra contramedida habitual es arrojar cables y tiras met谩licas cuyo largo es media longitud de onda (chaffs) con la idea de cegar al radar; son efectivas, si bien la direcci贸n hacia la que se reflejan las ondas es aleatoria cuando lo 贸ptimo ser铆a dirigir la reflexi贸n hacia el radar que se quiere evitar. El factor que da la medida de cu谩nto refleja un objeto las ondas de radio se llama "secci贸n radar cruzada" (), traducci贸n del ingl茅s RCS ("Radar Cross Section").

Ecuaci贸n radar

La potencia Pr reflejada a la antena de recepci贸n est谩 dada por la ecuaci贸n radar:

P_r = {{P_t G_t A_r \sigma F^4}\over{{(4\pi)}^2 R_t^2R_r^2}}

donde

  • Pt = potencia transmitida
  • Gt = ganancia de la antena de transmisi贸n
  • Ar = apertura efectiva (谩rea) de la antena de recepci贸n
  • = secci贸n transversal del radar, o coeficiente de decaimiento del objetivo
  • F = factor de propagaci贸n del patr贸n
  • Rt = distancia del transmisor al objetivo
  • Rr = distancia del objetivo al receptor.

En el caso com煤n donde el transmisor y el receptor est谩n en el mismo lugar, Rt = Rr y el t茅rmino RtRr虏 puede ser reemplazado por R4, donde R es la distancia. Esto resulta en:

P_r = {{P_t G_t A_r \sigma}\over{{(4\pi)}^2 R^4}}

Esto dice que la potencia en el receptor se reduce proporcionalmente a la cuarta potencia de la distancia, lo que significa que la potencia reflejada desde el objetivo distante es muy muy peque帽a.

La ecuaci贸n anterior con F = 1 es una simplificaci贸n para el vac铆o sin interferencia. El factor de propagaci贸n engloba los efectos de la propagaci贸n multicamino y del shadowing, y depende del entorno en el que se est茅n propagando las ondas. En una situaci贸n real los efectos de atenuaci贸n en el recorrido deben ser considerados.

Otros desarrollos matem谩ticos en procesamiento de se帽ales de radar incluyen an谩lisis de tiempo-frecuencia (Weyl Heisenberg o wavelet), as铆 como la transformada chirplet que se basa en el hecho de que los ecos devueltos por blancos m贸viles var铆an su frecuencia en funci贸n del tiempo, como lo hace el sonido de un ave o un murci茅lago.

Polarizaci贸n

El campo el茅ctrico de la se帽al que emite un radar es perpendicular a la direcci贸n de propagaci贸n. La direcci贸n de dicho campo determina la polarizaci贸n de la onda. Los radares usan polarizaciones horizontales, verticales, lineales o circulares, en funci贸n de la aplicaci贸n. Por ejemplo, la polarizaci贸n circular es adecuada para minimizar la interferencia causada por la lluvia (pero debe evitarse para radares meteorol贸gicos que lo que buscan es cuantificar las precipitaciones). La lineal permite detectar superficies de metal. La polarizaci贸n aleatoria es adecuada para detectar superficies irregulares como rocas y se usa en radares de navegaci贸n.

Interferencias

Los sistemas radar deben hacer frente a la presencia de diferentes tipos de se帽ales indeseadas y conseguir centrarse en el blanco que realmente interesa. Dichas se帽ales espurias pueden tener su origen en fuentes tanto internas como externas y pueden ser de naturaleza pasiva o activa. La capacidad del sistema radar de sobreponerse a la presencia de estas se帽ales define su relaci贸n se帽al/ruido (SNR). Cuanto mayor sea la SNR del sistema, tanto mejor podr谩 aislar los objetivos reales de las se帽ales de ruido del entorno.

Ruido

El ruido es una fuente interna de variaciones aleatorias de la se帽al, generado en mayor o menor medida por todos los componentes electr贸nicos. T铆picamente se manifiesta en variaciones aleatorias superpuestas a la se帽al de eco recibida en el radar.

Cuanta menor sea la potencia con que llega la se帽al de inter茅s, m谩s dif铆cil ser谩 diferenciarla del fondo de ruido. Por tanto, la m谩s importante fuente de ruido aparece en el receptor, por lo que debe dedicarse un gran esfuerzo a tratar de minimizar estos factores. La figura de ruido es una medida del ruido producido por el receptor en comparaci贸n con un receptor ideal y debe ser minimizada.

El ruido tambi茅n puede estar causado por fuentes externas al sistema, siendo sobre todo de gran impacto la radiaci贸n t茅rmica natural del entorno que rodea al blanco que se desea detectar. En sistemas radar modernos, debido al gran rendimiento de sus receptores, el ruido interno es t铆picamente igual o menor que el externo. Una excepci贸n es el caso en el que el radar est谩 dirigido al cielo abierto; en este caso apenas se produce ruido de Johnson-Nyquist, tambi茅n conocido como ruido t茅rmico.

Clutter

El t茅rmino clutter hace referencia a todos aquellos ecos (se帽ales de RF) recibidos por el radar que son, por definici贸n, no deseados. Pueden estar causados por objetos del entorno, el mar, precipitaciones (lluvia, nieve o granizo), tormentas de arena, animales (especialmente p谩jaros), turbulencias atmosf茅ricas y otros efectos atmosf茅ricos como reflexiones ionosf茅ricas y estelas de meteoritos. Tambi茅n puede haber clutter debido a objetos fabricados por el hombre, sin intenci贸n de enga帽ar al radar (edificios) o con ella ("chaffs").

Algunas veces el clutter est谩 causado por una longitud excesiva de la gu铆a de onda que conecta el transceptor del radar y la antena. En un radar de tipo PPI (representaci贸n de distancia en funci贸n del azimut) con antena giratoria, este clutter se ver谩 como un destello en el centro de la pantalla. En este caso el receptor estar铆a interpretando ecos de part铆culas de polvo y se帽ales de RF indeseadas que vagan por la guiaonda. Este tipo de clutter se reduce reajustando el lapso entre el env铆o del pulso por parte del transmisor y el instante en que se activa la etapa de recepci贸n. La explicaci贸n para esto es que la mayor parte de estos brillos est谩n causados por el propio pulso transmitido antes de abandonar la antena.

Se puede dar la circunstancia de que una determinada fuente de clutter sea indeseable para una aplicaci贸n radar (ej: nubarrones en un radar de defensa a茅rea) pero positiva para otra (meteorol贸gica). El clutter es considerado una fuente pasiva de interferencias, ya que s贸lo aparece como respuesta a los pulsos enviados por el radar.

Hay bastantes m茅todos para detectar y neutralizar el clutter. Muchos de ellos se fundamentan en el principio de que el clutter apenas var铆a entre diferentes barridos del radar. Por tanto, al comparar barridos consecutivos se comprobar谩 que el blanco real se mueve, mientras que los ecos de clutter son estacionarios. El clutter mar铆timo se puede reducir empleando polarizaci贸n horizontal, mientras que el de la lluvia se reduce con polarizaciones circulares (n贸tese que los radares meteorol贸gicos utilizan polarizaci贸n lineal porque lo que les interesa es precisamente detectar la lluvia). Otros m茅todos se centran en reducir la relaci贸n se帽al/clutter.

El m茅todo CFAR es otra t茅cnica basada en el hecho de que los ecos debidos al clutter son mucho m谩s numerosos que los ecos producidos por objetivos de inter茅s. Este m茅todo permite mantener un valor constante de la probabilidad de falsa alarma haciendo un promediado adaptativo del nivel real de ruido y ajustando autom谩ticamente la ganancia del receptor. Si bien esto no ayuda cuando el blanco est谩 rodeado por clutter muy fuerte, puede permitir identificar objetivos m谩s o menos claros. En radares actuales este proceso est谩 controlado por software. Es beneficioso en sistemas en los que sea cr铆tico mantener una determinada probabilidad de falsa alarma.

El multitrayecto de la se帽al de eco hace que el radar detecte "blancos fantasma"

Finalmente, tambi茅n hay clutter originado por la multitrayectoria de la se帽al de eco de un objetivo v谩lido. Los factores que pueden causar estos caminos m煤ltiples son la reflexi贸n terrestre y las refracciones atmosf茅rica e ionosf茅rica. Este clutter es especialmente molesto, ya que parece moverse y se comporta como si fuera un blanco de inter茅s real, de modo que el radar detecta un objetivo "fantasma" que en realidad no existe. En un escenario t铆pico, un blanco fantasma causado por reflexi贸n terrestre ser铆a interpretado por el radar como un objetivo id茅ntico al real situado justo por debajo de este. El radar puede intentar unificar los objetivos considerando que el blanco fantasma est谩 a una altura incorrecta o directamente eliminarlo por considerar que est谩 causado por jitter o que su ubicaci贸n es f铆sicamente imposible. Una buena opci贸n para minimizar el impacto de este efecto es incorporar al radar un mapa topogr谩fico de los alrededores que ayude a eliminar aquellos ecos que se detecten a alturas imposibles (por debajo del nivel del suelo o por encima de una determinada altura). En radares de control de tr谩fico a茅reo actuales se emplean algoritmos para identificar blancos falsos comparando los ecos recibidos con otros adyacentes y calculando la probabilidad de que sea real en base a datos de altura, distancia y tiempo.

Jamming

Pantalla de un radar marino.

Se conoce como jamming a aquellas se帽ales externas al sistema radar emitidas en las frecuencias de funcionamiento del mismo y que por tanto enmascaran los objetivos de inter茅s. Puede ser intencionado para funcionar como contramedida electr贸nica o fortuito (por ejemplo, fuerzas amigas cuyos sistemas de comunicaciones usan la misma banda). El jamming est谩 considerado como una fuente activa de interferencias, ya que est谩 originado fuera del sistema radar y en general se trata de se帽ales sin relaci贸n alguna con este.

El jamming es muy problem谩tico para los radares, pues suele tratarse de se帽ales de mayor potencia que los ecos de inter茅s (hay que tener en cuenta que la se帽al de inter茅s recorre un camino de ida y vuelta radar-objetivo-radar, mientras que la se帽al interferente realiza solo un camino de ida). Las fuentes de jamming intencionado pueden por tanto ser efectivas emitiendo con mucha menos potencia que los radares que quieren confundir. La interferencia puede llegar al radar a trav茅s de la l铆nea de visi贸n directa ("Mainlobe Jamming" o "jamming de l贸bulo principal") o por otros caminos ("Sidelobe Jamming" o "jamming de l贸bulos secundarios o laterales").

La 煤nica manera de reducir el jamming de l贸bulo principal es disminuir el 谩ngulo s贸lido de dicho l贸bulo (estrechar el "pincel"). Un jamming de l贸bulo principal a la misma frecuencia y con la misma polarizaci贸n que el radar no se puede eliminar completamente. El efecto del jamming de l贸bulo lateral se puede atenuar reduciendo los l贸bulos laterales del diagrama de radiaci贸n de la antena durante la fase de dise帽o de la misma. Una manera de conseguir esto es emplear arrays de tipo thinned o sparse. El uso de antenas omnidireccionales puede ayudar a identificar e ignorar se帽ales que entran por los l贸bulos secundarios. Otras t茅cnicas anti-jamming son el frequency hopping o el uso de una determinada polarizaci贸n, ya que si la polarizaci贸n del jamming es diferente a la de la antena su efecto se ve muy reducido.

La reciente proliferaci贸n de sistemas WiFi que operan en banda C (en torno a 5,66 GHz) se ha convertido en un problema para radares meteorol贸gicos, que sufren interferencias.[1]

Procesado de se帽al en un sistema radar

Medida de distancias

Tiempo de tr谩nsito

Radar pulsado
Sonar Principle EN.svg

Una forma de medir la distancia entre el radar y un objeto es transmitir un peque帽o pulso electromagn茅tico y medir el tiempo que tarda el eco en volver. La distancia ser谩 la mitad del tiempo de tr谩nsito multiplicado por la velocidad del pulso (300.000 km/s):


r={c \cdot t \over 2}
  • r = distancia estimada
  • c = velocidad de la luz
  • t = tiempo de tr谩nsito

Una estimaci贸n precisa de la distancia exige una electr贸nica de elevado rendimiento. La mayor parte los radares usan la misma antena para enviar y recibir, separando la circuiter铆a de transmisi贸n y recepci贸n mediante un circulador o duplexor. Por ello, mientras se est谩 transmitiendo el pulso no se puede recibir ning煤n eco. Esto determina la llamada "distancia ciega" del radar, por debajo de la cual 茅ste es in煤til. Esta distancia viene dada por:


r_{BLIND}={c \cdot \tau \over 2}
  • rBLIND = distancia ciega
  • c = velocidad de la luz
  • = tiempo que se tarda en transmitir un pulso

Si se quiere detectar objetos m谩s cercanos hay que transmitir pulsos m谩s cortos. Del mismo modo, hay un rango de detecci贸n m谩ximo (llamado "distancia m谩xima sin ambig眉edad"): si el eco llega cuando se est谩 mandando el siguiente pulso, el receptor no podr谩 distinguirlo. Para maximizar el rango hay que aumentar el tiempo entre pulsos (T):


r_{UNAMB}={c \cdot T \over 2}
  • rUNAMB = Distancia m谩xima sin ambig眉edad
  • c = Velocidad de la luz
  • T = Tiempo entre dos pulsos

Hay un compromiso entre estos dos factores, siendo dif铆cil combinar detecci贸n a corta y a larga distancia: para detectar a corta distancia hay que hacer los pulsos m谩s cortos, lo que implica menor potencia, lo que implica ecos m谩s d茅biles y por tanto menor alcance. Se puede aumentar la probabilidad de detecci贸n mandando pulsos con mayor frecuencia, pero nuevamente, esto acorta la distancia m谩xima sin ambig眉edad. La combinaci贸n de T y que se elija se llama "patr贸n de pulsos" del radar. En la actualidad los radares pueden muchas veces cambiar su patr贸n de pulsos de forma electr贸nica, ajustando din谩micamente su rango de funcionamiento. Los m谩s modernos funcionan disparando en el mismo ciclo dos pulsos diferentes, uno para detecci贸n a larga distancia y otro para distancias cortas.

La resoluci贸n en distancia y las caracter铆sticas de la se帽al recibida en comparaci贸n con el ruido dependen tambi茅n de la forma del pulso. A menudo este se modula para mejorar su rendimiento gracias a una t茅cnica conocida como "compresi贸n de pulsos".

Modulaci贸n en frecuencia

Otra forma de estimar distancias en un radar se basa en la modulaci贸n en frecuencia. La comparaci贸n de la frecuencia de se帽ales es por norma m谩s precisa y sencilla que la comparaci贸n de tiempos. Por eso, lo que se hace es emitir una se帽al (una sinusoide) a una frecuencia que va variando de forma constante en el tiempo, de modo que cuando llega el eco, su frecuencia ser谩 diferente de la de la se帽al original; compar谩ndolas se puede saber cu谩nto tiempo ha transcurrido y por tanto cu谩nta distancia hay hasta el blanco. A mayor desv铆o en frecuencia mayor distancia.

Esta t茅cnica puede emplearse en radares de onda continua (CW, en lugar de a pulsos se transmite todo el tiempo) y a menudo se encuentra en alt铆metros a bordo de aviones. La comparaci贸n en frecuencias es similar que la que se usa para medir velocidades (ver subapartado siguiente). Algunos sistemas que usan esta t茅cnica son el AZUSA, el MISTRAM y el UDOP.

Medida de velocidades

Radar de pistola para la medici贸n de velocidad

La velocidad es el cambio de distancia de un objeto respecto al tiempo. Por tanto, para que un sistema radar pueda medir velocidades no hace falta m谩s que a帽adirle memoria para guardar constancia de d贸nde estuvo el objetivo por 煤ltima vez. En los primeros radares, el operador hac铆a marcas con un l谩piz de cera en la pantalla del radar, y med铆a la velocidad con una regla de c谩lculo. Hoy d铆a, este proceso se hace de forma m谩s r谩pida y precisa usando ordenadores.

Sin embargo, si la salida del transmisor es coherente (sincronizada en fase), hay otro efecto que puede usarse para medir velocidades de forma casi instant谩nea sin necesidad de dotar al sistema de memoria: el efecto Doppler. Estos radares aprovechan que la se帽al de retorno de un blanco en movimiento est谩 desplazada en frecuencia. Con ello, son capaces de medir la velocidad relativa del objeto con respecto al radar. Las componentes de la velocidad perpendiculares a la l铆nea de visi贸n del radar no pueden ser estimadas s贸lo con el efecto Doppler y para calcularlas s铆 har铆a falta memoria, haciendo un seguimiento de la evoluci贸n de la posici贸n en azimut del objetivo.

Tambi茅n es posible utilizar radares no pulsados (CW) que funcionen a una frecuencia muy pura para medici贸n de velocidades, como hacen los de tr谩fico. Son adecuados para determinar la componente radial de la velocidad de un objetivo, pero no pueden determinar distancias.

Reducci贸n del efecto de inteferencias

Los sistemas radar usan procesado de se帽al para reducir los efectos de las interferencias. Estas t茅cnicas incluyen la indicaci贸n de objetivo m贸vil (MTI), radares doppler pulsados, procesadores de detecci贸n de objetivos m贸viles (MTD), correlaci贸n con blancos de radares secundarios (SSR) y procesado adaptativo espacio-temporal (STAP). En entornos con fuerte presencia de clutter se usan t茅cnicas CFAR y DTM.

Dise帽o de radares

Componentes de un radar

Un radar consta de los siguientes bloques l贸gicos:

  • Un transmisor que genera las se帽ales de radio por medio de un oscilador controlado por un modulador.
  • Un receptor en el que los ecos recibidos se llevan a una frecuencia intermedia con un mezclador. No debe a帽adir ruido adicional.
  • Un duplexor que permite usar la antena para transmitir o recibir.
  • Hardware de control y de procesado de se帽al.
  • Interfaz de usuario.

Dise帽o del transmisor

Oscilador

El n煤cleo del transmisor lo forma un dispositivo oscilador. La elecci贸n de este se realiza en virtud de las caracter铆sticas que se requieren del sistema radar (coste, vida 煤til, potencia de pico, longitud de los pulsos, frecuencia...) Los osciladores m谩s utilizados son:

  • Magnetr贸n: es el m谩s utilizado a pesar de que se trata de una tecnolog铆a algo vieja. Son peque帽os y ligeros. Pueden funcionar a frecuencias de entre 30 MHz y 100 GHz y proporcionan buena potencia de salida.
  • Klistr贸n: algo m谩s grandes que los anteriores, llegan a funcionar solamente hasta los 10 GHz. La potencia de salida que proporcionan puede quedarse corta en algunos casos.
  • TWT (Tubo de ondas progresivas): para radares de 30 MHz a 15 GHz, buena potencia de salida.

Modulador

El modulador o pulsador es el elemento encargado de proporcionar peque帽os pulsos de potencia al magnetr贸n. Esta tecnolog铆a recibe el nombre de "potencia pulsada". Gracias al modulador, los pulsos de RF que emite el oscilador est谩n limitados a una duraci贸n fija. Estos dispositivos est谩n formados por una fuente de alimentaci贸n de alto voltaje, una red de formaci贸n de pulsos (PFN) y un conmutador de alto voltaje (como un tiratr贸n).

Si en lugar de magnetr贸n se usa un tubo klistr贸n, este puede actuar como amplificador, as铆 que la salida del modulador puede ser de baja potencia.

Dise帽o de la antena

Las se帽ales de radio difundidas (broadcast) por una sola antena se propagan en todas las direcciones y, del mismo modo, una antena recibir谩 se帽ales desde cualquier direcci贸n. Esto hace que el radar se encuentre con el problema de saber d贸nde se ubica el blanco.

Los primeros sistemas sol铆an utilizar antenas omnidireccionales, con antenas receptoras directivas apuntando en distintas direcciones. Por ejemplo, el primer sistema que se instal贸 (Chain Home) utilizaba dos antenas receptoras cuyas direcciones de observaci贸n formaban un 谩ngulo recto, cada una asociada a una pantalla diferente. El mayor nivel de eco se obten铆a cuando la direcci贸n de observaci贸n de la antena y la l铆nea radar-blanco formaban 谩ngulo recto y, por el contrario, era m铆nimo cuando la antena apuntaba directamente hacia el objetivo. El operador pod铆a determinar la direcci贸n de un blanco rotando la antena de modo que una pantalla mostrase un m谩ximo y otra un m铆nimo.

Una importante limitaci贸n de este tipo de soluci贸n era que el pulso se transmit铆a en todas las direcciones, de modo que la cantidad de energ铆a en la direcci贸n que se examinaba era solo una peque帽a parte de la transmitida. Para que llegue una potencia razonable al blanco se requieren antenas direccionales.

Reflector parab贸lico

Art铆culo principal: Antena parab贸lica

Los sistemas m谩s modernos usan reflectores parab贸licos dirigibles para estrechar el haz en el que se emite en broadcast el pulso. Generalmente el mismo reflector se utiliza tambi茅n como receptor. En estos sistemas, a menudo se usan dos frecuencias radar en la misma antena para permitir control autom谩tico ("radar lock").

Guiaonda ranurada

Art铆culo principal: Gu铆a de onda ranurada

La gu铆a de onda ranurada se mueve mec谩nicamente para hacer el barrido y es adecuada para sistemas de b煤squeda (no de seguimiento). Las guiaondas ranuradas son muy direccionales en el plano de la antena pero, al contrario que las parab贸licas, no son capaces de distinguir en el plano vertical. Suelen usarse en detrimento de las parab贸licas en cubiertas de barcos y exteriores de aeropuertos y puertos, por motivos de coste y resistencia al viento.

Phased array: no es necesario movimiento f铆sico para hacer el barrido

Phased arrays

Art铆culo principal: Phased array

Otro tipo de antenas que se suele usar para radares son los phased arrays. Un phased array consiste en una matriz (array) de elementos radiantes. La fase de la se帽al que alimenta cada uno de estos est谩 controlada de tal manera que la radiaci贸n del conjunto sea muy directiva. Es decir, se juega con las fases de las se帽ales para que se cancelen en las direcciones no deseadas y se interfieran constructivamente en las direcciones de inter茅s.

El diagrama de radiaci贸n del array se obtiene como la interferencia de los campos radiados por cada una de las antenas. En recepci贸n la se帽al recibida es una combinaci贸n lineal de las se帽ales que capta cada antena. El diagrama de radiaci贸n total viene dado por el diagrama de radiaci贸n conjunto y el diagrama de radiaci贸n del elemento aislado.

En el dise帽o de arrays intervienen muchos par谩metros : n煤mero de elementos, disposici贸n f铆sica de los elementos, amplitud de la corriente de alimentaci贸n, fase relativa de la alimentci贸n y tipo de antena elemental utilizada. Configurando estos par谩metros se pueden mejorar las caracter铆sticas de radiaci贸n del diagrama de radiaci贸n individual : mejorar la directividad, mejorar la relaci贸n de l贸bulo principal a secundario, conformar el diagrama para cubrir la zona de inter茅s y tener la posibilidad de controlar electr贸nicamente el apuntamiento del haz principal.

El uso de los phased arrays se remonta a la Segunda Guerra Mundial, pero las limitaciones de la electr贸nica hac铆an que fueran poco precisos. Su aplicaci贸n original era la defensa anti-misiles. En la actualidad son parte imprescindible del sistema AEGIS y el sistema bal铆stico MIM-104 Patriot. Su uso se va extendiendo debido a la fiabilidad derivada del hecho de que no tienen partes m贸viles. Casi todos los radares militares modernos se basan en phased arrays, relegando los sistemas basados en antenas rotatorias a aplicaciones donde el costo es un factor determinante (tr谩fico a茅reo, meteorolog铆a,...) Su uso est谩 tambi茅n extendido en aeronaves militares debido a su capacidad de seguir m煤ltiples objetivos. El primer avi贸n en usar uno fue el B-1B Lancer. El primer caza, el MiG-31 ruso. El sistema radar de dicho avi贸n est谩 considerado como el m谩s potente de entre todos los cazas [1].

En radioastronom铆a tambi茅n se emplean los phased arrays para, por medio de t茅cnicas de apertura sint茅tica, obtener haces de radiaci贸n muy estrechos. La apertura sint茅tica se usa tambi茅n en radares de aviones.

Clasificaci贸n de los sistemas de radar

Se puede hacer una clasificaci贸n general de los radares en funci贸n de una serie de aspectos b谩sicos:

Seg煤n el n煤mero de antenas

  • Monoest谩tico: una sola antena transmite y recibe.
  • Biest谩tico: una antena transmite y otra recibe, en un mismo o diferentes emplazamientos.
  • Multiest谩tico: combina la informaci贸n recibida por varias antenas.

Seg煤n el blanco

  • Radar primario: funciona con independencia del blanco, dependiendo solamente de la RCS del mismo.
  • Radar secundario: el radar interroga al blanco, que responde, normalmente con una serie de datos (altura del avi贸n, etc). En el caso de veh铆culos militares, se incluye el identificador amigo-enemigo.

Seg煤n la forma de onda

  • Radar de onda continua (CW): transmite ininterrumpidamente. El radar de la polic铆a suele ser de onda continua y detecta velocidades gracias al efecto Doppler.
  • Radar de onda continua con modulaci贸n (CW-FM, CW-PM): se le a帽ade a la se帽al modulaci贸n de fase o frecuencia con objeto de determinar cuando se transmiti贸 la se帽al correspondiente a un eco (permite estimar distancias).
  • Radar de onda pulsada: es el funcionamiento habitual. Se transmite peri贸dicamente un pulso, que puede estar modulado o no. Si aparecen ecos de pulsos anteriores al 煤ltimo transmitido, se interpretar谩n como pertenecientes a este 煤ltimo, de modo que aparecer谩n trazas de blancos inexistentes.

Seg煤n su finalidad

  • Radar de seguimiento: es capaz de seguir el movimiento de un blanco. Por ejemplo el radar de gu铆a de misiles.
  • Radar de b煤squeda: explora todo el espacio, o un sector de 茅l, mostrando todos los blancos que aparecen. Existen radares con capacidad de funcionar en ambos modos.

Seg煤n su frecuencia de trabajo

Nombre de la banda Frecuencias Longitudes de onda Observaciones
HF 3-30 MHz 10-100 m Radares de vigilancia costera, vigilancia OTH (over-the-horizon)
P < 300 MHz 1 m+ 'P' de "previo", aplicado de forma retrospectiva a los sistemas radar primitivos
VHF 50-330 MHz 0.9-6 m Vigilancia a distancias muy elevadas, penetraci贸n en el terreno
UHF 300-1000 MHz 0.3-1 m Vigilancia a distancias muy elevadas (ej: detecci贸n de misiles), penetraci贸n en el terreno y a trav茅s de la vegetaci贸n
L 1-2 GHz 15-30 cm Distancias elevadas, control de tr谩fico en ruta
S 2-4 GHz 7.5-15 cm Vigilancia a distancias intermedias. Control de tr谩fico en terminales. Condiciones meteorol贸gicas a largas distancias
C 4-8 GHz 3.75-7.5 cm Seguimiento a distancias elevadas. Meteorolog铆a
X 8-12 GHz 2.5-3.75 cm Gu铆a de misiles, meteorolog铆a, cartograf铆a de resoluci贸n media, radares de superficie aeroportuarios. Seguimiento a distancias cortas
Ku 12-18 GHz 1.67-2.5 cm Cartograf铆a de alta resoluci贸n. Alt铆metros para sat茅lites
K 18-27 GHz 1.11-1.67 cm Absorci贸n del vapor de agua. Se usa para meteorolog铆a, para detectar nubes. Tambi茅n para control de velocidad de motoristas.
Ka 27-40 GHz 0.75-1.11 cm Cartograf铆a de muy alta resoluci贸n vigilancia de aeropuertos. Usado para accionar c谩maras para fotograf铆ar matr铆culas de coches infractores
mm 40-300 GHz 7.5 mm - 1 mm Banda milim茅trica, se subdivide como sigue. Nota: la denominaci贸n de las bandas no est谩 un谩nimemente aceptada.
Q 40-60 GHz 7.5 mm - 5 mm Comunicaciones militares
V 50-75 GHz 6.0-4 mm Absorbido por la atm贸sfera
E 60-90 GHz 6.0-3.33 mm
W 75-110 GHz 2.7 - 4.0 mm Se usa como sensor para veh铆culos aut贸nomos experimentales, meteorolog铆a de alta resoluci贸n y tratamiento de im谩genes.

Seg煤n su 谩mbito de aplicaci贸n

  • Militar: radares de detecci贸n terrestre, radares de misiles autodirectivos, radares de artiller铆a, radares de sat茅lites para la observaci贸n de la Tierra.
  • Aeron谩utico : control del tr谩fico a茅reo, gu铆a de aproximaci贸n al aeropuerto, radares de navegaci贸n.
  • Mar铆timo: radar de navegaci贸n, radar anti-colisi贸n.
  • Meteorol贸gico: detecci贸n de precipitaciones (lluvia, nieve, granizo, etc茅tera).
  • Circulaci贸n y seguridad en ruta: control de velocidad de autom贸viles, radares de asistencia de frenado de urgencia (ACC, Adaptive Cruise Control).
  • Cient铆fico: en sat茅lites para la observaci贸n de la Tierra, para ver el nivel de los oc茅anos, encontrar restos arqueol贸gicos, etc.

Otras tecnolog铆as

  • Radar tridimensional: es capaz de determinar la altura del blanco, adem谩s de su posici贸n sobre el plano.
  • Radar de im谩genes laterales o radar de apertura sint茅tica (SAR): permite la obtenci贸n de im谩genes del terreno, similares a fotograf铆as. Funcionan combinando mediante complicados algoritmos matem谩ticos diferentes series de observaciones de un radar con una antena peque帽a, creando artificialmente la sensaci贸n de que se trata de una sola muestra hecha por una antena muy grande.
  • Radares que operan utilizando la tecnolog铆a Ultra Wideband: pueden detectar un humano a trav茅s de paredes. Esto se hace posible gracias a que las caracter铆sticas reflectivas de los humanos son generalmente mayores que las de los materiales utilizados en la construcci贸n. Sin embargo, como los humanos reflejan mucho menos que el metal, estos sistemas requieren tecnolog铆a sofisticada para aislar a los objetivos humanos y luego construir una imagen detallada.

V茅ase tambi茅n

Referencias

Bibliograf铆a

  • Principles of Modern Radar. J.L. Eaves, E.K. Reedy. Van Nostrand Reinhold, New York, 1987. (en ingl茅s)
  • Introduction to Radar Systems. M.I. Skolnik. McGraw鈥揌ill (Second Edition), 1980. (en ingl茅s)
  • Radar Principles. N. Levanon. John Wiley and Sons. 1988. (en ingl茅s)
  • Introduction to Radar Analysis. B.R. Mahafza. CRC Press LLC 1998. (en ingl茅s)
  • Sistemas Radar (Temas I, II y III). F茅lix P茅rez Mart铆nez. 199?. Escuela T茅cnica Superior de Ingenieros de Telecomunicaci贸n. Universidad Polit茅cnica de Madrid
  • Antennas for radar and communications: a polarimetic approach. Harold Mott, John Wiley and Sons. 1992.
  • Handbook of computer simulation in radio engineering, communicacions and radar. Sergey A. Leonov. Artecht House. 2001
  • Radar Technology, Guy Kouemou (Ed.), InTech, 2010, ISBN 978-953-307-029-2, ([2]).
  • Radar handbook, Merrill I. Skolnik,2nd ed, New York, McGraw-Hill, 1990

Enlaces externos


Wikimedia foundation. 2010.

Mira otros diccionarios:

  • RADAR 鈥 Pour les articles homonymes, voir Radar (homonymie). Cette antenne radar longue port茅e, connue sous le nom ALTAIR, est utilis茅e pour d茅tecter et pister les objets spatiaux 鈥   Wikip茅dia en Fran莽ais

  • RADAR 鈥 On d茅signe sous le nom de radar (RAdio Detection And Ranging ) un syst猫me qui illumine une portion de l鈥檈space avec une onde 茅lectromagn茅tique et re莽oit les ondes r茅fl茅chies par les objets qui s鈥檡 trouvent, ce qui permet de d茅tecter leur… 鈥   Encyclop茅die Universelle

  • RADAR 鈥 ist die Abk眉rzung f眉r Radio Detection and Ranging (frei 眉bersetzt: 鈥濬unkortung und abstandsmessung鈥), urspr眉nglich Radio Aircraft Detection and Ranging (frei 眉bersetzt: 鈥濬unkbasierte Flugzeugortung und abstandsmessung鈥) und ist die Bezeichnung… 鈥   Deutsch Wikipedia

  • RaDAR 鈥 ist die Abk眉rzung f眉r Radio Detection and Ranging (frei 眉bersetzt: 鈥濬unkortung und abstandsmessung鈥), urspr眉nglich Radio Aircraft Detection and Ranging (frei 眉bersetzt: 鈥濬unkbasierte Flugzeugortung und abstandsmessung鈥) und ist die Bezeichnung… 鈥   Deutsch Wikipedia

  • Radar 鈥 ist die Abk眉rzung f眉r Radio Detection and Ranging (frei 眉bersetzt: 鈥濬unkortung und abstandsmessung鈥), urspr眉nglich Radio Aircraft Detection and Ranging (frei 眉bersetzt: 鈥瀎unkbasierte Flugzeugortung und abstandsmessung鈥) und ist die Bezeichnung… 鈥   Deutsch Wikipedia

  • Radar 鈥 芦Radar禄 小懈薪谐谢 袘褉懈褌薪懈 小锌懈褉褋 懈蟹 邪谢褜斜芯屑邪 Circus 袙褘锌褍褖械薪 鈥   袙懈泻懈锌械写懈褟

  • radar 鈥 RAD脕R, radare, s.n. Aparat care emite unde electromagnetice 艧i apoi le recep牛ioneaz膬, dup膬 ce au fost reflectate de un obiect, folosit pentru a detecta 艧i a localiza un obiect prin m膬surarea timpului trecut 卯ntre emisia 艧i recep牛ia undelor. 鈾… 鈥   Dic葲ionar Rom芒n

  • radar 鈥 ra鈥ar [藞re瑟d蓱 莵 d蓱藧r] noun [uncountable] 1. be off/鈥媌elow the radar ( screen) used when saying that people do not know about or are not thinking about something, especially something that will later become important: 鈥 Many of these technologies 鈥   Financial and business terms

  • Radar 鈥 Smn erw. fach. (20. Jh.) Entlehnung. Entlehnt aus ne. radar, einem Initialwort aus ne. Radio Detecting And Ranging. 聽聽聽Ebenso nndl. radar, ne. radar, nfrz. radar, nschw. radar, nisl. radar; Radius. 鉁 DF 3 (1977), 109; Rey Debove/Gagnon (1988),… 鈥   Etymologisches W枚rterbuch der deutschen sprache

  • Radar 3D 鈥 Saltar a navegaci贸n, b煤squeda Un radar 3D es un radar que proporciona cobertura en las tres dimensiones. La mayor parte de los radares son bidimensionales, es decir, funcionan en distancia y acimut. Los radares tridimensionales proporcionan… 鈥   Wikipedia Espa帽ol

  • radar 鈥 r葋d膩r m DEFINICIJA 1. tehn. sprava koja oda拧ilje i prima elektromagnetske valove i omogu膰uje da se odredi smjer i udaljenost nekog objekta na zemlji, u zraku ili u vodi [navigacijski radar; meteorolo拧ki radar; ni拧anski radar] 2. sport bilje拧ke o… 鈥   Hrvatski jezi膷ni portal


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