Radar: Ecos de vigilancia silenciosa, revelando el centinela tecnológico

Por Fouad Sabry

Qué es el radar

El radar es un sistema que utiliza ondas de radio para determinar la distancia (alcance), la dirección y la velocidad radial de los objetos en relación con el sitio. Es un método de radiodeterminación utilizado para detectar y rastrear aviones, barcos, naves espaciales, misiles guiados, vehículos de motor, mapear formaciones climáticas y terreno.

Cómo se beneficiará

(I) Insights y validaciones sobre los siguientes temas:

Capítulo 1: Radar

Capítulo 2: Phased array

Capítulo 3: Doppler radar

Capítulo 4: Radar de apertura sintética

Capítulo 5: Radiogoniometría

Capítulo 6: Conjunto activo escaneado electrónicamente

Capítulo 7 : Frecuencia de repetición de pulso

Capítulo 8: Radar de imágenes

Capítulo 9: Historia del radar

Capítulo 10: Radar de pulso-Doppler

(II) Responder las principales preguntas del público sobre el radar.

Para quién es este libro

Profesionales, estudiantes de pregrado y posgrado, entusiastas, aficionados y aquellos que quieran ir más allá del conocimiento o información básica para cualquier tipo de Radar.

 

• Idioma: Español
• Editorial: Mil Millones De Conocimientos [Spanish]
• Fecha de lanzamiento: 20 jun 2024

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Capítulo 1: Radar

El radar es un sistema de radiolocalización que mide la distancia, el acimut y la velocidad radial con la ayuda de ondas de radio. Puede mapear patrones climáticos y características del terreno, así como detectar y rastrear naves aéreas, marítimas y espaciales, así como misiles guiados y automóviles. Un sistema de radar consiste en un transmisor que genera ondas electromagnéticas en el rango de radio o microondas, una antena para enviar y recibir señales (a menudo se usa la misma antena para ambos) y un receptor y procesador para analizar los datos. La ubicación y la velocidad de los objetos se pueden determinar mediante el uso de ondas de radio (pulsadas o continuas) enviadas desde el transmisor y reflejadas al receptor.

Varios países trabajaron en el radar en secreto para uso militar antes, durante y después de la Segunda Guerra Mundial. El magnetrón de cavidad, inventado en el Reino Unido, fue fundamental para permitir el desarrollo de sistemas compactos capaces de alcanzar una precisión inferior al metro. Originalmente un acrónimo de detección y alcance por radio, el término RADAR fue creado en 1940 por la Marina de los Estados Unidos. Desde entonces, radar se ha convertido en un sustantivo común en inglés y otros idiomas, y se ha eliminado su uso inicial de mayúsculas.

El control del tráfico aéreo y terrestre, la astronomía de radar, la defensa aérea, los sistemas antimisiles, los radares marinos para localizar puntos de referencia y otros buques, los sistemas anticolisión de aeronaves, los sistemas de vigilancia oceánica, los sistemas de vigilancia y encuentro en el espacio ultraterrestre, la vigilancia de las precipitaciones meteorológicas, los sistemas de altimetría y control de vuelo, los sistemas de localización de objetivos de misiles guiados, los vehículos autónomos y los radares de penetración terrestre son sólo algunas de las muchas aplicaciones modernas del radar. Para extraer información útil de entornos extremadamente ruidosos, los modernos sistemas de radar de alta tecnología utilizan el procesamiento digital de señales y el aprendizaje automático.

Existen sistemas similares que utilizan diferentes partes del espectro electromagnético para radarizar. El Lidar es una de esas técnicas, y se diferencia del radar en que utiliza luz láser infrarroja en lugar de ondas de radio. A medida que los vehículos autónomos entren en el mercado, es probable que se utilicen radares para ayudar al vehículo a vigilar su entorno y evitar cualquier percance.

El físico alemán Heinrich Hertz demostró la reflectividad de las ondas de radio en 1886. En 1895, Alexander Popov, un instructor de física en la escuela de la Armada Imperial Rusa en Kronstadt, utilizó un tubo cohesivo para crear un dispositivo que podía detectar rayos desde una gran distancia. Al año siguiente se añadió un transmisor de chispa. En 1897, estaba realizando pruebas de esta tecnología en el Mar Báltico para facilitar la comunicación entre dos barcos cuando notó un golpe de interferencia provocado por el paso de un tercer barco. Popov mencionó la posibilidad de utilizar este fenómeno para la detección de objetos en su informe, pero no dio seguimiento a esta idea. y en la década de 1920, llevó al establecimiento de investigación británico a muchos avances utilizando técnicas de radio, como el sondeo de la ionosfera y la detección de rayos a larga distancia. Antes de centrar su atención en la transmisión de onda corta, Watson-Watt se convirtió en un experto en radiogoniometría a través de sus experimentos con rayos. Como necesitaba un buen receptor para su investigación, instruyó a Arnold Frederic Wilkins, el chico nuevo, para que buscara los mejores receptores de onda corta del mercado. Después de leer sobre el efecto de desvanecimiento (el término común para la interferencia en ese momento) descrito en el manual de un modelo de la Oficina General de Correos, Wilkins haría su selección.

Los científicos de la Marina de los Estados Unidos A. Hoyt Taylor y Leo C. Young hicieron este descubrimiento en 1922 al otro lado del Atlántico cuando instalaron un transmisor y un receptor en lados opuestos del río Potomac y observaron que la señal recibida se desvanecía a medida que los barcos pasaban por la trayectoria del haz. La Armada no buscó de inmediato el informe de Taylor, que sugería que este fenómeno podría usarse para detectar la presencia de barcos en baja visibilidad. Este fenómeno fue notado por primera vez por Lawrence A. Hyland, investigador del Laboratorio de Investigación Naval (NRL), ocho años después.

La forma moderna de radar fue desarrollada de forma independiente y en secreto por científicos del Reino Unido, Francia, Alemania, Italia, Japón, los Países Bajos, la Unión Soviética y los Estados Unidos antes de la Segunda Guerra Mundial. Siguiendo el ejemplo de Gran Bretaña en el desarrollo de radares antes de la Segunda Guerra Mundial, Canadá, Nueva Zelanda y Sudáfrica hicieron lo mismo, y Hungría desarrolló su propia tecnología de radar en medio del conflicto.

El año 1934 en Francia, después de una extensa investigación sobre el magnetrón de ánodo dividido, la rama de investigación de la Compagnie générale de la télégraphie sans fil (CSF) dirigida por Maurice Ponte con Henri Gutton, parafraseando, "Sylvain Berline y M.

Hugon, comenzó a trabajar en un sistema de detección de obstáculos basado en radio, en 1935, el transatlántico Normandie tenía instalados algunos de estos componentes.

Los de Francia y la Unión Soviética, sin embargo, presentaban una operación de onda continua que no llegaba a proporcionar el máximo rendimiento que se ha llegado a asociar con el radar contemporáneo.

Los primeros radares verdaderos fueron sistemas de pulsos, además, el estadounidense Robert M. Wilson mostró el primer dispositivo tan simple en diciembre de 1934.

Page, en las Pruebas y Evaluación Experimental de la Armada.

Este diseño fue seguido por un sistema pulsado demostrado en mayo de 1935 por Rudolf Kühnhold y la firma GEMA en Alemania y luego otro en junio de 1935 por un equipo del Ministerio del Aire dirigido por Robert Watson-Watt en Gran Bretaña.

En 1935, Watson-Watt delegó a Wilkins la tarea de evaluar los informes de un rayo de la muerte basado en la radio alemana. Wilkins envió algunos números que mostraban que el sistema no podía funcionar. Cuando Watson-Watt siguió con una pregunta sobre los usos potenciales de este sistema, Wilkins mencionó a los aviones como una posible fuente de interferencia de radio. Este descubrimiento dio lugar al Experimento Daventry, que tuvo lugar el 26 de febrero de 1935, e involucró a un bombardero volando alrededor de un campo donde se había instalado un receptor GPO y un potente transmisor de onda corta de la BBC. Hugh Dowding, miembro de Suministro e Investigación de Air, quedó tan impresionado por el potencial de su sistema después de que detectara con éxito el avión que inmediatamente aprobó la financiación para su desarrollo operativo continuo.

Cuando Watson-Watt fue nombrado superintendente de la nueva Estación de Investigación Bawdsey del Ministerio del Aire británico el 1 de septiembre de 1936, en Bawdsey Manor, cerca de Felixstowe, Suffolk, el progreso de la tecnología de radar despegó. Gracias a sus esfuerzos, las estaciones de detección y seguimiento del aire Chain Home a lo largo de las costas este y sur de Inglaterra estaban listas para su uso cuando estalló la Segunda Guerra Mundial en 1939. Sin este sistema, la Royal Air Force siempre habría necesitado un gran número de aviones de combate, que Gran Bretaña no tenía, en el aire para responder rápidamente, perdiendo la Batalla de Inglaterra. Gran Bretaña podría haber perdido la Batalla de Inglaterra si hubiera tenido que confiar únicamente en las observaciones de individuos en tierra para detectar aviones alemanes. En el sistema Dowding, que recopilaba informes de aviones enemigos y coordinaba una respuesta, el radar desempeñó un papel clave en ambos procesos.

Cuando el grupo recibió los recursos que necesitaban para desarrollar y producir sistemas de radar funcionales, comenzaron a desplegarlos en 1935. Los primeros cinco sistemas Chain Home (CH) se pusieron en marcha en 1936 y, en 1940, cubrían todo el Reino Unido e Irlanda del Norte. CH era rudimentario incluso para su época; en lugar de transmitir y recibir desde una antena enfocada, iluminó el área frente a ella con una señal y utilizó uno de los radiogoniómetros de Watt para localizar la fuente de las señales reflejadas. Esto requirió antenas más potentes y de mayor calidad para los transmisores CH que las de los sistemas de la competencia, pero permitió un despliegue rápido gracias a la infraestructura ya existente.

El magnetrón de cavidad, desarrollado en el Reino Unido, fue fundamental para permitir el desarrollo de sistemas compactos capaces de alcanzar una precisión inferior al metro. Durante la Misión Tizard de 1940, Gran Bretaña entregó a los Estados Unidos esta tecnología.

La necesidad de una mayor resolución, portabilidad y funcionalidad en el radar durante la guerra impulsó el desarrollo de nuevas tecnologías, como el sistema de navegación suplementario Oboe, en el que se basó el avión Pathfinder de la Royal Air Force.

El radar puede decirle dónde se encuentra algo al darle su orientación y alcance desde el escáner de radar. Como resultado, encuentra una aplicación generalizada donde el posicionamiento preciso es una necesidad absoluta. El radar fue utilizado por primera vez por los militares para detectar amenazas terrestres, aéreas y marítimas. Como resultado, surgieron aplicaciones para aviones, barcos y automóviles en el sector civil. Las características de seguridad comunes incluyen apertura automática de puertas, iluminación y detección de intrusos.

El transmisor del sistema de radar envía señales de ondas de radio (señales de radar) en un patrón predeterminado. Cuando estas ondas chocan con un objeto, algunas de ellas se reflejarán o dispersarán en todas direcciones, mientras que otras serán absorbidas por el objeto y viajarán más adentro. Los materiales con alta conductividad eléctrica, como la mayoría de los metales, el agua y el suelo húmedo, son excelentes reflectores de señales de radar. Debido a esto, los altímetros de radar se pueden usar en algunas situaciones. Para que se produzca la detección del radar, las señales de radar reflejadas deben llegar al receptor del radar. Debido al efecto Doppler, la frecuencia de las ondas de radio cambiará ligeramente dependiendo de si el objeto se acerca o se aleja del transmisor.

Es común que los receptores de radar estén situados cerca del transmisor del radar, pero no siempre es así. Las señales de radar que son reflejadas y captadas por la antena receptora suelen ser muy débiles. Se pueden utilizar amplificadores electrónicos para amplificarlos. Las señales de radar se recuperan utilizando técnicas de procesamiento de señales más complejas.

Los sistemas de radar pueden detectar objetos a distancias relativamente largas porque las ondas de radio solo son absorbidas débilmente por el medio a través del cual pasan, a diferencia de otras longitudes de onda electromagnéticas como la luz visible, la luz infrarroja y la luz ultravioleta. La niebla, las nubes, la lluvia, la nieve y el aguanieve son ejemplos de fenómenos meteorológicos que pueden oscurecer la visibilidad, pero permiten el paso de las ondas de radio. El vapor de agua, las gotas de lluvia y los gases atmosféricos (especialmente el oxígeno) absorben o dispersan ciertas frecuencias de radio, por lo que se evitan al diseñar radares.

En lugar de utilizar la luz natural del Sol o la Luna, o las ondas electromagnéticas (EMW) emitidas por los propios objetos objetivo (como la radiación infrarroja), el radar utiliza sus propias transmisiones para detectarlas y rastrearlas (calor). Aunque ni los ojos humanos ni las cámaras ópticas pueden ver las ondas de radio, se pueden utilizar para iluminar artificialmente objetos.

Las ondas electromagnéticas se reflejarán o dispersarán en el límite entre los materiales si viajan a través de uno y luego se encuentran con otro con una constante dieléctrica o una constante diamagnética diferente. Las ondas de radar (radio) normalmente se dispersan desde la superficie de un objeto sólido en el aire o en el vacío, o cuando hay una diferencia significativa en la densidad atómica entre el objeto y su entorno. Los radares son especialmente eficaces para detectar aviones y barcos porque están hechos de materiales conductores de electricidad como el metal y la fibra de carbono. Los vehículos militares tienen material absorbente de radar, que se compone de sustancias resistivas y, a veces, magnéticas, para reducir la reflexión del radar. Si quisieras hacer algo invisible por la noche con tus ojos, esto es lo que harías con las ondas de radio.

El tamaño de la onda de radar (longitud de onda) y la forma del objetivo determinan cómo se dispersa la onda de radar. Si la longitud de onda es más pequeña que el tamaño del objetivo, la onda se reflejará en él como la luz que rebota en un espejo. Es posible que no pueda ver el objetivo si la longitud de onda es significativamente más larga que su tamaño. Las resonancias son esenciales para la detección, pero no la identificación, de objetivos mediante la tecnología de radar de baja frecuencia. La dispersión de Rayleigh, el fenómeno responsable de la coloración de los cielos y puestas de sol de la Tierra, describe este fenómeno. Pueden producirse resonancias si las dos escalas de longitud son aproximadamente iguales. Muchos sistemas de radar modernos utilizan longitudes de onda más cortas (unos pocos centímetros o menos) que pueden obtener imágenes de objetos tan pequeños como una hogaza de pan, mientras que los primeros radares utilizaban longitudes de onda muy largas que eran más grandes que los objetivos y, por lo tanto, recibían una señal vaga.

El reflejo de las ondas de radio cortas en las esquinas y curvas es análogo al brillo de una esfera de vidrio.

Los objetivos más reflectantes para longitudes de onda cortas tienen ángulos de 90° entre las superficies reflectantes.

Un reflector de esquina tiene tres superficies paralelas que se encuentran en ángulo recto, al igual que el interior de un cubo.

Las ondas que atraviesan la abertura de la estructura se reflejarán en la misma dirección en la que vinieron.

Se utilizan con frecuencia como reflectores de radar, lo que mejora la detectabilidad de objetivos que de otro modo serían difíciles.

Los barcos con reflectores de esquina, por ejemplo, aumentan su visibilidad para ayudar en los esfuerzos de rescate y evitar colisiones.

De manera similar, las esquinas interiores y las superficies/bordes perpendiculares a las direcciones probables de detección no son características de los objetos diseñados para evadir la detección, por lo que las aeronaves furtivas terminan pareciendo extrañas.

Incluso con estas medidas, todavía se producirá cierta reflexión debido a la difracción, más aún en longitudes de onda más grandes.

Los cables o tiras largas y conductoras, equivalentes a la mitad de una longitud de onda, similares a la paja, reflejan mucha luz, pero no envían nada de esa energía de regreso a su lugar de origen.

La sección transversal del radar mide cuánto refleja o dispersa un objeto las ondas de radio.

La potencia Pr que regresa a la antena receptora viene dada por la ecuación:

{\displaystyle P_{r}={\frac {P_{t}G_{t}A_{r}\sigma F^{4}}{{(4\pi )}^{2}R_{t}^{2}R_{r}^{2}}}}

Dónde

Pt = potencia del transmisor

Gt = ganancia de la antena transmisora

Ar = apertura efectiva (área) de la antena receptora; también puede expresarse como {{G_{r}\lambda ^{2}} \over {4\pi }} , donde

\lambda = longitud de onda transmitida

Gr = ganancia de la antena receptora

σ = sección transversal del radar, coeficiente de dispersión, del objetivo

F = factor de propagación del diagrama

Rt = distancia entre el transmisor y el objetivo

Rr = distancia entre el objetivo y el receptor.

Cuando tanto el emisor como el receptor están en la misma ubicación física, Rt = Rr y el término Rt² Rr² se puede reemplazar por R4, , donde R denota un rango.

Esto produce:

P_{r}={{P_{t}G_{t}A_{r}\sigma F^{4}} \over {{(4\pi )}^{2}R^{4}}}.

Dado que la potencia recibida cae como la cuarta potencia del rango, las señales débiles solo se pueden detectar desde objetivos extremadamente lejanos.

Para mejorar el alcance de detección y disminuir la potencia de transmisión de los radares Doppler de impulsos, la ecuación del radar se modifica ligeramente añadiendo filtrado e integración de impulsos.

Para una transmisión sin interferencias en el vacío, la ecuación anterior puede simplificarse a F = 1. El factor de propagación tiene en cuenta factores ambientales como la propagación por trayectos múltiples y el sombreado. Los efectos de pérdida de trayectoria también se tienen en cuenta en el mundo real.

Cuando la distancia entre el radar y el reflector cambia, la frecuencia cambia como resultado. Dependiendo de cómo afecte esto a la detección, el rendimiento del radar puede verse afectado o mejorar. Por ejemplo, la degradación de la señal se produce cuando la indicación de objetivo en movimiento interactúa con el Doppler a velocidades radiales específicas.

El efecto Doppler se utiliza para mejorar el rendimiento de los sistemas de radar basados en el mar, el guiado por radar semiactivo, el guiado por radar activo, el radar meteorológico, las aeronaves militares y la astronomía de radar. Durante el proceso de detección, esto arroja datos sobre la velocidad del objetivo. Esto también permite la detección de objetos pequeños en un entorno con objetos cercanos, relativamente lentos, de tamaños mucho más grandes.

La configuración activa o pasiva del radar determina la cantidad de efecto Doppler. La señal de un sistema de radar activo se emite y luego se recibe después de ser reflejada. Para que el radar pasivo funcione, un objeto debe transmitir activamente una señal a una antena receptora.

Para el radar operativo, el desplazamiento de frecuencia Doppler se ve así: donde es la F_{D} frecuencia Doppler, F_{T} es la frecuencia de transmisión, V_{R} es la velocidad radial y C es la velocidad de la luz:

F_{D}=2\times F_{T}\times \left({\frac {V_{R}}{C}}\right) .

Tanto la radioastronomía como las contramedidas electrónicas pueden beneficiarse del radar pasivo:

F_{D}=F_{T}\times \left({\frac {V_{R}}{C}}\right) .

La única parte de la velocidad que importa es la parte radial. En un ángulo de 90 grados con respecto al haz del radar, la velocidad relativa del reflector es cero. Los desplazamientos de frecuencia Doppler son mayores para los objetivos que se mueven perpendicularmente al haz del radar.

Cuando se impulsa la frecuencia de transmisión ( F_{T} ), utilizando una frecuencia de repetición de pulsos de F_{R} , el espectro de frecuencias resultante contendrá frecuencias armónicas por encima y por debajo F_{T} con una distancia de F_{R} .

Esto significa que la medición Doppler solo es no ambigua si el desplazamiento de frecuencia Doppler es menor que la mitad de F_{R} , La frecuencia de Nyquist, para darle su nombre propio, Dado que la ausencia de esta condición hace que la frecuencia devuelta sea indistinguible de la suma o resta de una frecuencia armónica, por lo que se requiere:

{\displaystyle |F_{D}|<{\frac {F_{R}}{2}}}

O cuando se sustituye por F_{D} :

{\displaystyle |V_{R}|<{\frac {F_{R}\times {\frac {C}{F_{T}}}}{4}}}

Por ejemplo, una aeronave que viaja a 1.000 metros por segundo sería demasiado rápida para que un radar meteorológico Doppler con una frecuencia de pulso de 2 kilohercios y una frecuencia de transmisión de 1 gigahercio mida con precisión su velocidad radial (2.200 mph).

El campo eléctrico, que es la polarización de la onda, es siempre perpendicular a la dirección de propagación de la radiación electromagnética. Las señales de radar enviadas a través del espacio pueden ser alteradas en apariencia manipulando su polarización. Los radares pueden detectar una amplia variedad de reflejos gracias a su capacidad para cambiar entre polarización horizontal, vertical, lineal y circular. La polarización circular, por ejemplo, se utiliza para disminuir el impacto de la precipitación en una señal. En la mayoría de los casos, las superficies metálicas se pueden identificar por los retornos de polarización lineal. Los radares de navegación utilizan retornos de polarización aleatorios, que suelen indicar una superficie fractal como rocas o suelo.

Debido a las diferencias en el índice de refracción del aire, el horizonte de radar hace que un haz de radar se desvíe ligeramente de su trayectoria recta en el vacío. El haz todavía se eleva por encima del suelo debido a la curvatura de la Tierra, incluso cuando se emite perpendicularmente al suelo. Además, el haz se extiende y la señal se debilita a medida que viaja a través del medio.

Varios factores limitan el alcance máximo de los radares convencionales:

Visibilidad, que se ve afectada por la altitud. Si hay algo en el camino de la viga, no pasará.

Rango en el que no se pierde ningún significado, limitado solo por la frecuencia de los pulsos que se envían. El rango máximo no ambiguo de un pulso es la distancia máxima que puede recorrer antes de que se deba emitir otro pulso.

La ecuación de radar para calcular la sensibilidad del radar y la intensidad de la señal devuelta. Este aspecto tiene en cuenta variables como el clima y las dimensiones del objetivo (su sección transversal de radar).

Todos los componentes electrónicos contribuyen a lo que se denomina ruido de señal, o fluctuaciones aleatorias en la señal.

El ruido limita el alcance del radar porque las señales reflejadas se debilitan exponencialmente con la distancia. Las métricas de rendimiento, como el alcance, se ven afectadas tanto por el ruido de fondo como por la relación señal-ruido. La señal de los reflectores distantes es demasiado débil para ser detectada porque no se eleva por encima del nivel de ruido de fondo. Para ser detectada, una señal debe ser al menos tan grande como la relación señal-ruido por encima del nivel de ruido de fondo.

En un receptor de radar, el ruido se manifiesta como variaciones erráticas superpuestas a la señal de eco esperada. Distinguir una señal débil del ruido de fondo es más difícil. Para lograr los mejores resultados, el ruido del receptor, medido por el factor de ruido, debe reducirse al mínimo posible.

Todos los detectores experimentan ruido de disparo, que es causado por electrones que pasan a través de un espacio o barrera. La principal contribución de ruido de la mayoría de los receptores proviene del ruido de disparo. La amplificación heterodina se utiliza para disminuir el ruido de parpadeo producido por el tránsito de electrones a través de dispositivos de amplificación. Otra ventaja del procesamiento heterodino es que el ancho de banda instantáneo crece linealmente con la frecuencia para un ancho de banda fraccionario dado. El resultado es una mejor resolución de rango. Sin embargo, el radar de banda ultraancha es una desviación notable de los sistemas de radar heterodinos (conversión descendente) en general. Al igual que las comunicaciones de banda ultraancha (UWB) (para una lista de canales UWB), aquí se utiliza un ciclo de onda única.

También existen fuentes externas de ruido, especialmente el calor ambiental del ambiente que rodea al objeto de estudio.

Con la tecnología de radar