Radar

Per a atres usos d'este terme vore Radar (desambiguació).

El radar (terme derivat del acrònim anglés rava donar detection and ranging, “detecció i distanciometría de radi”)^[1]^[2] és un sistema que usa ones electromagnètiques per a medir distàncies, altituts, direccions i velocitats d'objectes com aeronaus, barcos, vehículs motorisats, formacions meteorològiques i el propi terreny. El seu funcionament es basa en emetre un impuls de radi, que es reflectix en l'objectiu i es rep típicament en la mateixa posició de l'emissor. A partir d'este "eco" es pot extraure gran cantitat d'informació. L'us d'ones electromagnètiques en diverses llongituts d'ona permet detectar objectes més allà del ranc d'un atre tipo d'emissions (llum visible, sò, etc.)

Entre els seus àmbits d'aplicació s'inclouen la meteorologia, el control del tràfic aéreu i terrestre i gran varietat d'usos militars.

Història

En 1886, Heinrich Rudolf Hertz demostra que les ones electromagnètiques es reflectixen en les superfícies metàliques.
En 1904 Christian Hülsmeyer patenta el primer sistema anticolisión de bucs utilisant ones electromagnètiques
Desenroll de la ràdio i de la transmissió inalàmbrica (per Guglielmo Marconi, entre uns atres), gràcies a la qual cosa es desenrollen les antenes.
En 1917, Nikola Tesla establix els principis teòrics del futur radar (freqüències i nivells de potència).
En 1934, i gràcies a un estudi sistemàtic del magnetrón, es realisen ensajos sobre sistemes de detecció d'ona curta seguint els principis de Nikola Tesla. D'esta manera naixen els radars d'ones decimétricas.
Durant el XX molts inventors, científics i ingeniers han contribuït en el desenroll del radar, impulsats sobretot per l'ambient prebélico que va precedir a la Segona Guerra Mundial, i a la pròpia Guerra. Els grans països que varen participar en ella varen ser desenrollant de forma paralela distints sistemes radar, aportant grans alvanços cada u d'ells per a aplegar a lo que hui coneixem sobre els sistemes radar.

Anys previs a la Segona Guerra Mundial

Alemània

En 1934 el GEMA (La societat d'aparats electro-acústic i mecànic), un dels fundadors del qual va ser Hans Hollmann, construïx un magnetrón capaç de treballar a 650 MHz. Eixe va ser el pas tecnològic que va permetre el desenroll del Freya, un radar de vigilància aérea que treballava a 125 MHz en un alcanç d'entre 80 i 150 millas. Era un radar per a treballar en superfície per les seues dimensions, per això, una versió posterior va ser el Seetakt que treballava a 375 MHz i tenia un alcanç de 10 milles adaptat per a ser montat en bucs. Este radar va ser utilisat en l'estiu de 1938 en la guerra civil espanyola.

La competència en l'indústria alemana de l'época va fer que, en l'any 1935, l'empresa alemana Telefunken llançara un radar d'antena parabòlica giratòria, antecessor del radar d'alerta aérea Würzburg, radar de tir de 560 MHz de treball i en deflector de 3m de diàmetro.

El Freya i el Würzburg varen ser la base de la defensa terrestre dels alemans durant la Segona Guerra Mundial, i el Seetakt peça fonamental per a la detecció a bordo dels bucs de l'Armada Alemana.

A l'inici de la Segona Guerra Mundial Alemània va decidir allistar a científics i ingeniers en el front, pensant que la guerra seria curta i satisfactòria, #lo que va fer que no alvançara significativament en eixos anys. En conseqüència va quedar retardada sobre els seus adversaris, que varen seguir alvançant.

Regne Unit

El model de radar actual va ser creat en 1935 i desenrollat principalment en Anglaterra durant la Segona Guerra Mundial pel físic Robert Watson-Watt. Va supondre una notable ventaja tàctica per a la Real Força Aérea britànica en la Batalla d'Anglaterra, quan encara era denominat RDF (Ràdio Direction Finding). Encara que va ser desenrollat en fins bèlics, en l'actualitat conta en multitut d'usos civils, sent la millor ferramenta per al control de tràfic aéreu.

En els moments anteriors a la II Guerra Mundial, Robert Watson-Watt, físic i director del Laboratori d'Investigació de Radi i el seu ajudant, el físic Arnold Wilkins, varen estar a càrrec de l'invenció d'un "raig de la mort" que seria utilisat en eixa guerra. L'idea de Watson-Watt era elevar la temperatura del pilot atacant a 41 °C aproximadament per a que, en provocar-li febra, quedara incapacitat.

Com ho va escriure el propi Wilkins:

El meu càlcul va mostrar que, com era d'esperar-se, es necessitava generar una potència enorme a qualsevol freqüència de radi per a produir febra en el cos d'un pilot d'avió, encara en l'improvable cas de que el seu cos no estiguera protegit pel metal del fuselage [...]. Com res propenc a dita potència es podia produir, estava clar que no era factible un raig de la mort per mig de la ràdio. Li vaig dir açò a Watson-Watt en donar-li el meu càlcul i em va respondre: "Be, si un raig de la mort no és possible, ¿cóm podem llavors ajudar-los? Yo vaig contestar que els ingeniers de l'Oficina de Correus s'havien donat conte de #destorbament en la recepció de molt altes freqüències quan algun avió volava en el veïnat dels seus receptors i que este fenomen podria ser útil per a detectar avions enemics"

Esta observació, feta en giner de 1935, va donar lloc una série de fets que varen culminar en l'invenció del radar. Els fets als que Wilkins es va referir havien segut observats en molts llocs i en tots es va considerar este destorbament com una nosa que molta gent havia tractat d'eliminar. De fet, en 1932, l'Oficina Postal Britànica va publicar un informe en el que els seus científics varen documentar fenomens naturals que afectaven l'intensitat de la senyal electromagnètica rebuda: tormentes elèctriques, vents, pluja i el pas d'un aeroplano en el veïnat del laboratori. Wilkins va conéixer este informe de manera accidental, conversant en la gent de l'Oficina Postal, que es queixava per l'interferència.

Quan Wilkins va sugerir la possibilitat d'utilisar el fenomen d'interferència d'ones de radi per a detectar avions enemics, Watson-Watt ho va comissionar immediatament per a treballar en el càlcul dels aspectes quantitatius.

En terminar els seus càlculs, a Wilkins li va semblar increible que l'efecte desijat poguera detectar-se; va revisar els seus càlculs, no va trobar cap error i li'ls va donar a Watson-Watt, qui els va vore fantàstics i va verificar els càlculs matemàtics. Al no trobar error, va enviar els resultats. El fet de que un raig de la mort no fora factible no va sorprendre, no obstant va atraure l'idea de poder detectar un avió.

Estats Units

Dos científics del Naval Research Laboratory (NRL) Hoyt Taylor i L. Young varen donar forma a les especulacions de Marconi i les varen plasmar en un experiment en el que varen transmetre una senyal de radi d'ona contínua a través del riu Potomac detectant que en passar els bucs es produïen alteracions en la calitat de la senyal rebuda. Varen conseguir #destorbament en distàncies de fins a tres milles. Observant açò, varen concloure en que es podria dissenyar un element que detectara bucs en l'mar.

Al mateix temps, la Armada dels Estats Units. es trobava molt ocupada dotant als bucs de comunicacions sense fils. A pesar d'açò, es va continuar en la seua investigació a nivell científic en molts camps. És aixina que el NRL, en cooperació en el Carnegie Institute, durant l'any 1925 va investigar la reflexió d'ones en l'ionosfera i la modulació per polsos de l'ona, de tal manera que coneixent l'instant d'eixida d'un pols i medint el seu retardo es podria calcular la distància del rebot. A partir d'estes investigacions es va dissenyar a principi dels anys 30 el primer radar d'impulsos, obtenint-se els primers polsos reflectits per avions en decembre de 1934. Encara que no va ser fins a juliol de 1936 quan varen conseguir que funcionara correctament, per un error en el disseny de l'ample de banda del receptor (massa estret). El radar treballava a 200 MHz en un esgambi de pols de 10µs. Este radar utilisava una única antena en emissió i recepció puix incloïa el primer duplexor, una novetat tecnològica que va supondre una gran diferència entre els eixèrcits que ho tenien i els que no.

Principis

Reflexió

Les ones electromagnètiques es dispersen quan hi ha canvis significatius en les constants dielèctriques o diamagnéticas. Açò significa que un objecte sòlit en el aire o en el buit (és dir, un canvi en la densitat atòmica entre l'objecte i el seu entorn) produirà dispersió de les ones de radi, com les del radar. Açò ocorre particularment en el cas dels materials conductors com el metal i la fibra de carbono, #lo que fa que el radar siga especialment indicat per a la detecció d'aeronaus. En ocasions els avions militars utilisen materials en substàncies resistivas i magnètiques que absorbixen les ones del radar, reduint aixina el nivell de reflexió. Establint una analogia entre les ones del radar i el espectre visible, estos materials equivaldrien a pintar alguna cosa en un color obscur.

La reflexió de les ones del radar varia en funció de la seua llongitut d'ona i de la forma del blanc. Si la llongitut d'ona és molt menor que el tamany del blanc, l'ona rebotarà de la mateixa manera que la llum contra un espill. Si pel contrari és molt més gran que el tamany del blanc, #lo que ocorre és que este es polarisa (separació física de les càrregues positives i negatives) com en un dipol (vejau: Dispersió de Rayleigh). Quan les dos escales són similars poden donar-se efectes de resonància. Els primers radars utilisaven llongituts d'ona molt elevades, majors que els objectius; les senyals que rebien eren tènues. Els radars actuals ampren llongituts d'ona més menudes (de pocs centímetros o inferiors) que permeten detectar objectes del tamany d'una barra de pa.

Les senyals de radi d'ona curta (3 kHz-30 MHz) es reflectixen en les curves i arestes, de la mateixa manera que la llum produïx centelleigs/centellejos en un tros de cristal curve. Per a estes llongituts d'ona els objectes que més reflectixen són aquells en ànguls de 90° entre les superfícies reflectivas. Una estructura que conste de tres superfícies que es junten en un cantó (com la d'una caixa) sempre reflectirà cap a l'emissor aquelles ones que entren per la seua obertura.

Este tipo de reflectores, denominats reflectores de cantó (corner reflectors, vore image la dreta), se solen usar per a fer "visibles" al radar objectes que en atres circumstàncies no ho serien (se solen instalar en barcos per a millorar el seu detectabilidad i evitar chocs). Seguint el mateix raonament, si es desija que una nau no siga detectada, en el seu disseny es procurarà eliminar estos cantons interiors, aixina com superfícies i vores perpendiculars a les possibles direccions de detecció. D'ahí l'aspecte estrany dels avions "stealth" (avió furtivo). Totes estes mides no eliminen per complet la reflexió per la difracció, especialment per a llongituts d'ona grans. Una atra contramedida habitual és tirar cables i tires metàliques que el seu llarc és mija llongitut d'ona (chaffs) en l'idea de cegar al radar; són efectives, si be la direcció cap a la que es reflectixen les ones és aleatòria quan lo òptim seria dirigir la reflexió cap al radar que es vol evitar. El factor que dona la mida de quànt reflectix un objecte les ones de ràdio es diu "secció travessera de radar" (σ), traducció de l'anglés RCS ("Radar Cross Section").

Equació radar

La potencia P_r reflectida a l'antena de recepció està donada per l'equació radar:

P_{r} = \frac{P_{t} G_{t} A_{r} σ F^{4}}{{(4 π)}^{2} R_{t}^{2} R_{r}^{2}}

a on

P_t = potència transmesa
G_t = guany de l'antena de transmissió
A_r = obertura efectiva (àrea) de l'antena de recepció
σ = secció travessera del radar, o coeficient de decaiguda de l'objectiu
F = factor de propagació del patró
R_t = distància del transmissor a l'objectiu
R_r = distància de l'objectiu al receptor.

En el cas comú a on el transmissor i el receptor estan en el mateix lloc, R_t = R_r i el terme R_t² R_r² pot ser reemplaçat per R⁴, a on R és la distància. Açò resulta en:

P_{r} = \frac{P_{t} G_{t} A_{r} σ}{{(4 π)}^{2} R^{4}}

Açò diu que la potència en el receptor es reduïx proporcionalment a la quarta potència de la distància, #lo que significa que la potència reflectida des de l'objectiu distant és molt menuda.

L'equació anterior en F = 1 és una simplificació per al buit sense interferència. El factor de propagació engloba els efectes de la propagació multicamino i del shadowing, i depén de l'entorn en el que s'estiguen propagant les ones. En una situació real els efectes d'atenuació en el recorregut deuen ser considerats.

Atres desenrolls matemàtics en processament de senyals de radar inclouen anàlisis de temps-freqüència (Weyl Heisenberg o wavelet), aixina com la transformada chirplet que es basa en el fet de que els ecos tornats per blancs mòvils varien la seua freqüència en funció del temps, com ho fa el sò d'un au o un #rat penat.

Polarisació

El camp elèctric de la senyal que emet un radar és perpendicular a la direcció de propagació. La direcció de dit camp determina la polarisació de l'ona. Els radars usen #polarisació horisontals, verticals, llineals o circulares, en funció de l'aplicació. Per eixemple, la polarisació circular és adequada per a minimisar l'interferència causada per la pluja (pero deu evitar-se per a radars meteorològics que lo que busquen és quantificar les precipitacions). La llineal permet detectar superfícies de metal. La polarisació aleatòria és adequada per a detectar superfícies irregulars com a roques i s'usa en radars de navegació.

Centelleo

El centelleo és una fluctuació en l'amplitut d'un objectiu sobre la pantalla d'un radar. Està estretament relacionat en el centelleig objectiu, un desplaçament evident de l'objectiu de la seua posició.

Interferències

Els sistemes radar deuen fer front a la presència de diferents tipos de senyals indeseadas i conseguir centrar-se en el blanc que realment interessa. Dites senyals espurias poden tindre el seu orige en fonts tant internes com a externes i poden ser de naturalea passiva o activa. La capacitat del sistema radar de sobrepondre's a la presència d'estes senyals definix la seua relació senyal/soroll (SNR). Quant major siga la SNR del sistema, tant millor podrà aïllar els objectius reals de les senyals de soroll de l'entorn.

Este efecte pot ser causat per un canvi del punt de reflexió eficaç sobre l'objectiu, pero també té atres causes. Les fluctuacions poden ser llentes (exploració a exploració) o ràpides (pols a pols).

El centelleo i el centelleig són en realitat dos manifestacions del mateix fenomen.

Soroll

El soroll és una font interna de variacions aleatòries de la senyal, generat en major o menor mida per tots els components electrònics. Típicament es manifesta en variacions aleatòries superpostes a la senyal d'eco rebuda en el radar.

Quanta menor siga la potència en que aplega la senyal d'interés, més difícil serà diferenciar-la del fondo de soroll. Per tant, la més important font de soroll apareix en el receptor, per #lo que deu dedicar-se un gran esforç a tractar de minimisar estos factors. La figura de soroll és una mida del soroll produït pel receptor en comparació a un receptor ideal i deu ser minimisada.

El soroll també pot estar causat per fonts externes al sistema, sent sobretot de gran impacte la radiació tèrmica natural de l'entorn que rodeja al blanc que es desija detectar. En sistemes radar moderns, pel gran rendiment dels seus receptors, el soroll intern és típicament igual o menor que l'extern. Una excepció és el cas en el que el radar està dirigit al cel obert; en este cas a penes es produïx soroll de Johnson-Nyquist, també conegut com a soroll tèrmic.

Clutter

El terme clutter fa referència a tots aquells ecos (senyals de RF) rebuts pel radar que són, per definició, no desijats. Poden estar causats per objectes de l'entorn, la mar, precipitacions (pluja, neu o graniç), tormentes d'arena, animals (especialment pardals), turbulèncias atmosfèriques i atres efectes atmosfèrics com a reflexions ionosféricas i esteles de meteorits. També pot haver clutter per objectes fabricats per l'home, sense intenció d'enganyar al radar (edificis) o en ella ("chaffs").

Algunes voltes el clutter està causat per una llongitut excessiva de la guia d'ona que conecta el transceptor del radar i l'antena. En un radar de tipo PPI (representació de distància en funció del azimut) en antena giratòria, este clutter es vorà com un centelleig en el centre de la pantalla. En este cas el receptor estaria interpretant ecos de partícules de pols i senyals de RF indeseadas que vaguen per la guiaonda. Este tipo de clutter es reduïx reajustant el lapsus entre l'enviament del pols per part del transmissor i l'instant en que s'activa l'etapa de recepció. L'explicació per a açò és que la major part d'estes lluentors estan causats pel propi pols transmés abans d'abandonar l'antena.

Es pot donar la circumstància de que una determinada font de clutter siga indesijable per a una aplicació radar (ej: nubarrones en un radar de defensa aérea) pero positiva per a una atra (meteorològica). El clutter és considerat una font passiva d'interferències, ya que solament apareix com a resposta als polsos enviats pel radar.

Hi ha prou métodos per a detectar i neutralisar el clutter. Molts d'ells es fonamenten en el principi de que el clutter a penes varia entre diferents #agranada del radar. Per tant, en comparar #agranada consecutives es comprovarà que el blanc real es mou, mentres que els ecos de clutter són estacionarios. El clutter marítim es pot reduir amprant polarisació horisontal, mentres que el de la pluja es reduïx en #polarisació circulares (note's que els radars meteorològics utilisen polarisació llineal perque lo que els interessa és precisament detectar la pluja). Atres métodos se centren en aumentar la relació senyal/clutter.

El método CFAR (Constant False-Alarm Rate) és una atra tècnica basada en el fet de que els ecos deguts al clutter són molt més numerosos que els ecos produïts per objectius d'interés. Este método permet mantindre un valor constant de la provabilitat de falsa alarma fent un promediado adaptatiu del nivell real de soroll i ajustant automàticament el guany del receptor. Si ben açò no ajuda quan el blanc està rodejat per clutter molt fort, pot permetre identificar objectius més o menys clars. En radars actuals este procés està controlat per software. És beneficiós en sistemes en els que siga crític mantindre una determinada provabilitat de falsa alarma.

Finalment, també hi ha clutter originat per la multitrayectoria de la senyal d'eco d'un objectiu vàlit. Els factors que poden causar estos camins múltiples són la reflexió terrestre i les #refracció atmosfèrica i ionosférica. Este clutter és especialment molest, ya que sembla moure's i es comporta com si fora un blanc d'interés real, de modo que el radar detecta un objectiu "fantasma" que en realitat no existix. En un escenari típic, un blanc fantasma causat per reflexió terrestre seria interpretat pel radar com un objectiu idèntic al real situat just per baix d'est.^[3] El radar pot intentar unificar els objectius considerant que el blanc fantasma està a una altura incorrecta o directament eliminar-ho per considerar que està causat per jitter o que la seua ubicació és físicament impossible. Una bona opció per a minimisar l'impacte d'este efecte és incorporar al radar un mapa topogràfic de les afores que ajude a eliminar aquells ecos que es detecten a altituts impossibles (per baix del nivell del sol o per damunt d'una determinada altitut). En radars de control de tràfic aéreu actuals s'ampren algoritmes per a identificar blancs falsos comparant els ecos rebuts en atres adjacents i calculant la provabilitat de que siga real sobre la base de senyes d'altura, distància i temps.

Jamming

Es coneix com jamming a aquelles senyals externes al sistema radar emeses en les freqüències de funcionament del mateix i que per tant emmaixqueren els objectius d'interés. Pot ser intencionat per a funcionar com contramedida electrònica o fortuït (per eixemple, forces amigues els sistemes de les quals de comunicacions usen la mateixa banda). El jamming està considerat com una font activa d'interferències, ya que està originat fòra del sistema radar i en general es tracta de senyals sense relació alguna en est.

El jamming és molt problemàtic per als radars, puix sol tractar-se de senyals de major potència que els ecos d'interés (cal tindre en conte que la senyal d'interés recorre un camí d'anada i tornada radar-objectiu-radar, mentres que la senyal interferente realisa solament un camí d'anada). Les fonts de jamming intencionat poden per tant ser efectives emetent en molta menys potència que els radars que volen confondre. L'interferència pot aplegar al radar a través de la llínea de visió directa ("Mainlobe Jamming" o "jamming de lòbul principal") o per atres camins ("Sidelobe Jamming" o "jamming de lòbuls secundaris o laterals").

L'única manera de reduir el jamming de lòbul principal és disminuir el àngul sòlit de dit lòbul (estretir el "pinzell"). Un jamming de lòbul principal a la mateixa freqüència i en la mateixa polarisació que el radar no es pot eliminar completament. L'efecte del jamming de lòbul lateral es pot atenuar reduint els lòbuls laterals del diagrama de radiació de l'antena durant la fase de disseny de la mateixa. Una manera de conseguir açò és amprar arrays de tipo thinned o sparse. L'us d'antenes omnidireccionales pot ajudar a identificar i ignorar senyals que entren pels lòbuls secundaris. Atres tècniques anti-jamming són el frequency hopping o l'us d'una determinada polarisació, ya que si la polarisació del jamming és diferent a la de l'antena el seu efecte es veu molt reduït.

La recent proliferació de sistemes WiFi que operen en banda C (entorn a 5,66 GHz) s'ha convertit en un problema per a radars meteorològics, que sofrixen interferències.^[4]

Processat de senyal en un sistema radar

Mida de distàncies

Temps de trànsit

Una forma de medir la distància entre el radar i un objecte és transmetre un menut pols electromagnètic i medir el temps que tarda l'eco en tornar. La distància serà la mitat del temps de trànsit multiplicat per la velocitat del pols (300 000 km/s):

r = \frac{c \cdot t}{2}

r = distancia estimada
c = velocitat de la llum
t = temps de trànsit

Una estimació precisa de la distància exigix una electrònica d'elevat rendiment. La major partix els radars usen la mateixa antena per a enviar i rebre, separant la circuitería de transmissió i recepció per mig d'un circulador o duplexor. Per això, mentres s'està transmetent el pols no es pot rebre cap eco. Açò determina la cridada "distància cega" del radar, per baix de la qual este és inútil. Esta distància ve donada per:

r_{B L I N D} = \frac{c \cdot τ}{2}

r_BLIND = distància cega
c = velocitat de la llum
$τ$ = temps que es tarda en transmetre un pols

Si es vol detectar objectes més propencs cal transmetre polsos més curts. De la mateixa manera, hi ha un ranc de detecció màxim (cridat "distància màxima sense ambigüitat"): si l'eco aplega quan s'està manant el següent pols, el receptor no podrà distinguir-ho. Per a maximizar el ranc cal aumentar el temps entre polsos (T):

r_{U N A M B} = \frac{c \cdot T}{2}

r_UNAMB = Distància màxima sense ambigüitat
c = Velocitat de la llum
T = Temps entre dos polsos

Hi ha un compromís entre estos dos factors, sent difícil combinar detecció a curta i a llarga distància: per a detectar a curta distància cal fer els polsos més curts, #lo que implica menor potència, #lo que implica ecos més dèbils i per tant menor alcanç. Es pot aumentar la provabilitat de detecció manant polsos en major freqüència, pero novament, açò acurta la distància màxima sense ambigüitat. La combinació de T i $τ$ que s'elegixca es diu "patró de polsos" del radar. En l'actualitat els radars poden moltes voltes canviar el seu patró de polsos de forma electrònica, ajustant dinàmicament el seu ranc de funcionament. Els més moderns funcionen disparant en el mateix cicle dos polsos diferents, un per a detecció a llarga distància i un atre per a distàncies curtes.

La resolució en distància i les característiques de la senyal rebuda en comparació al soroll depenen també de la forma del pols. A sovint este es modula per a millorar el seu rendiment gràcies a una tècnica coneguda com "compressió de polsos".

Modulació en freqüència

Una atra forma d'estimar distàncies en un radar es basa en la modulació en freqüència. La comparació de la freqüència de senyals és per norma més precisa i senzilla que la comparació de temps. Per això, #lo que es fa és emetre una senyal (una #sinusoide) a una freqüència que va variant de forma constant en el temps, de modo que quan aplega l'eco, la seua freqüència serà diferent de la senyal original; comparant-les es pot saber quànt temps ha transcorregut i per tant quanta distància hi ha fins al blanc. A major desviació en freqüència major distància.

Esta tècnica pot amprar-se en radars d'ona contínua (CW, en lloc de polsos es transmet tot el temps) i a sovint es troba en altímetros a bordo d'avions. La comparació en freqüències és similar que la que s'usa per a medir velocitats (vore subapartat següent). Alguns sistemes que usen esta tècnica són el AZUSA, el MISTRAM i el UDOP.

Mida de velocitats

Artícul principal → Radar de tràfic.

La velocitat és el canvi de distància d'un objecte respecte al temps. Per tant, per a que un sistema radar puga medir velocitats no fa falta més que afegir-li memòria per a guardar constància d'on va estar l'objectiu per última volta. En els primers radars, l'operador feya marques en un llapis de cera en la pantalla del radar, i media la velocitat en una regla de càlcul. Hui dia, este procés es fa de forma més ràpida i precisa usant ordenadors.

No obstant, si l'eixida del transmissor és coherent (sincronisada en fase), hi ha un atre efecte que pot usar-se per a medir velocitats de forma casi instantànea sense necessitat de dotar al sistema de memòria: el efecte Doppler. Estos radars aprofiten que la senyal de tornada d'un blanc en moviment està desplaçada en freqüència. En això, són capaços de medir la velocitat relativa de l'objecte sobre el radar. Les components de la velocitat perpendiculars a la llínea de visió del radar no poden ser estimades solament en l'efecte Doppler i per a calcular-les sí faria falta memòria, fent un seguiment de l'evolució de la posició en azimut de l'objectiu.

També és possible utilisar radars no pulsats (CW) que funcionen a una freqüència molt pura per a medició de velocitats, com fan els de tràfic. Són adequats per a determinar la component radial de la velocitat d'un objectiu, pero no poden determinar distàncies.

Reducció de l'efecte d'interferències

Els sistemes radar usen processat de senyal per a reduir els efectes de les interferències. Estes tècniques inclouen l'indicació d'objectiu mòvil (MTI), radars doppler pulsats, processadors de detecció d'objectius mòvils (MTD), correlació en blancs de radars secundaris (SSR) i processat adaptatiu espai-temporal (STAP). En entorns en forta presència de clutter s'usen tècniques CFAR i DTM.

Disseny de radars

Un radar consta dels següents blocs llògics:

Un transmissor que genera les senyals de radi per mig d'un oscilador controlat per un modulador.
Un receptor en el que els ecos rebuts es duen a una freqüència intermija en un mezclador. No deu afegir soroll adicional.
Un duplexor que permet usar l'antena per a transmetre o rebre.
Hardware de control i de processat de senyal.
Interfaç d'usuari.

Disseny del transmissor

Oscilador

El núcleu del transmissor ho forma un dispositiu oscilador. L'elecció d'este es realisa en virtut de les característiques que es requerixen del sistema radar (cost, vida útil, potència de pico, llongitut dels polsos, freqüència, etc.) Els osciladors més utilisats són:

Magnetrón: és el més utilisat a pesar de que es tracta d'una tecnologia alguna cosa vella. Són menuts i llaugers. Poden funcionar a freqüències d'entre 30 MHz i 100 GHz i proporcionen bona potència d'eixida.
Klistrón: alguna cosa més grans que els anteriors, apleguen a funcionar solament fins als 10 GHz. La potència d'eixida que proporcionen pot quedar-se curta en alguns casos.
TWT (Tubo d'ones progressives): per a radars de 30 MHz a 15 GHz, bona potència d'eixida.

Modulador

El modulador o pulsador és l'element encarregat de proporcionar menuts polsos de potència al magnetrón. Esta tecnologia rep el nom de "potència pulsada". Gràcies al modulador, els polsos de RF que emet l'oscilador estan llimitats a una duració fixa. Estos dispositius estan formats per una font d'alimentació d'alt voltage, una ret de formació de polsos (PFN) i un commutador d'alt voltage (com un tiratrón).^[5]

Si en lloc de magnetrón s'usa un tubo klistrón, est pot actuar com a amplificador, aixina que l'eixida del modulador pot ser de baixa potència.

Disseny de l'antena

Les senyals de radi difoses (broadcast) per una sola antena es propaguen en totes les direccions i, de la mateixa manera, una antena rebrà senyals des de qualsevol direcció. Açò fa que el radar es trobe en el problema de saber on s'ubica el blanc.

Els primers sistemes solien utilisar antenes omnidireccionales, en antenes receptores directives apuntant en distintes direccions. Per eixemple, el primer sistema que es va instalar (Chain Home) utilisava dos antenes receptores les direccions de les quals d'observació formaven un àngul recte, cada una associada a una pantalla diferent. El major nivell d'eco s'obtenia quan la direcció d'observació de l'antena i la llínea radar-blanc formaven àngul recte i, pel contrari, era mínim quan l'antena apuntava directament cap a l'objectiu. L'operador podia determinar la direcció d'un blanc rotando l'antena de modo que una pantalla mostrara un màxim i una atra un mínim.

Una important llimitació d'este tipo de solució era que el pols es transmetia en totes les direccions, de modo que la cantitat d'energia en la direcció que s'examinava era solament una menuda part de la transmesa. Per a que aplegue una potència raonable al blanc es requerixen antenes direccionals.

Reflector parabòlic

Artícul principal → Antena parabòlica.

Els sistemes més moderns usen reflectores parabòlics dirigibles per a estretir el fes en el que s'emet en broadcast el pols. Generalment el mateix reflector s'utilisa també com a receptor. En estos sistemes, a sovint s'usen dos freqüències radar en la mateixa antena per a permetre control automàtic ("radar lock").

Guia d'ona ranurada

Artícul principal → Guia d'ona ranurada.

La guia d'ona ranurada es mou mecánicamente per a fer l'agranada i és adequada per a sistemes de busca (no de seguiment). Les guiaondas ranuradas són molt direccionals en el pla de l'antena pero, al contrari que les parabòliques, no són capaces de distinguir en el pla vertical. Solen usar-se en detriment de les parabòliques en cobertes de barcos i exteriors d'aeroports i ports, per motius de cost i resistència al vent.

Phased arrays

Artícul principal → Phased array.

Un atre tipo d'antenes que se sol usar per a radars són els phased arrays. Un phased array consistix en una matriu (array) d'elements radiants. La fase de la senyal que alimenta cada u d'estos està controlada de tal manera que la radiació del conjunt siga molt directiva. És dir, es juga en les fases de les senyals per a que es cancelen en les direccions no desijades i s'interferixquen constructivamente en les direccions d'interés.

Existixen dos classificacions de radars d'apany de fase. els Pasive Electronically Scanned Array l'antena del qual solament conta en els elements radiants i variadors de fase la senyal de la qual prové d'una font externa (TWT, Klystron), i els Active Electronically Scanned Array que a diferència dels PESA la seua senyal s'amplifica per mig d'amplificadors d'estat sòlit.

El diagrama de radiació del array s'obté com l'interferència dels camps radiados per cada una de les antenes. En recepció la senyal rebuda és una combinació llineal de les senyals que capta cada antena. El diagrama de radiació total ve dau pel diagrama de radiació conjunt i el diagrama de radiació de l'element aïllat.

En el disseny de arrays intervenen molts paràmetros : número d'elements, disposició física dels elements, amplitut de la corrent d'alimentació, fase relativa de la alimentción i tipo d'antena elemental utilisada. Configurant estos paràmetros es poden millorar les característiques de radiació del diagrama de radiació individual : millorar la directividad, millorar la relació de lòbul principal a secundari, conformar el diagrama per a cobrir la zona d'interés i tindre la possibilitat de controlar electrònicament el apuntamiento del fes principal.

L'us dels phased arrays es remonta a la Segona Guerra Mundial, pero les llimitacions de l'electrònica feyen que anaren poc precisos. La seua aplicació original era la defensa antimissilés. En l'actualitat són part imprescindible del sistema AEGIS i el sistema balístic MIM-104 Patriot. El seu us es va estenent per la fiabilitat derivada del fet de que no tenen parts mòvils. Casi tots els radars militars moderns es basen en phased arrays, relegant els sistemes basats en antenes rotatòries a aplicacions a on el cost és un factor determinant (tràfic aéreu, meteorologia,...) El seu us està també estés en aeronaus militars per la seua capacitat de seguir múltiples objectius. El primer avió en usar un va ser el B-1B Lancer. El primer caça, el MiG-31 rus. El sistema radar de dit avió està considerat com el més potent d'entre tots els caces.^[6]

En radioastronomía també s'ampren els phased arrays para, per mig de tècniques d'obertura sintètica, obtindre fas de radiació molt estrets. L'obertura sintètica s'usa també en radars d'avions.

Classificació dels sistemes de radar

Es pot fer una classificació general dels radars en funció d'una série d'aspectes bàsics:

Segons el número d'antenes

Monoestático: una sola antena transmet i rep.
Biestático: una antena transmet i una atra rep, en un mateix o diferents emplaçaments.
Multiestático: combina l'informació rebuda per vàries antenes.

Segons el blanc

Radar primari: funciona en independència del blanc, depenent solament de la RCS del mateix.
Radar secundari: el radar interroga al blanc, que respon, normalment en una série de senyes (altura de l'avió, etc). En el cas de vehículs militars, s'inclou l'identificador amic-enemic.

Segons la forma d'ona

Radar d'ona contínua (CW): transmet ininterrompudament. El radar de la policia sol ser d'ona contínua i detecta velocitats gràcies al efecte Doppler.
Radar d'ona contínua en modulació (CW-FM, CW-PM): se li afig a la senyal modulació de fase o freqüència a l'objecte de determinar quan es va transmetre la senyal corresponent a un eco (permet estimar distàncies).
Radar d'ona pulsada: és el funcionament habitual. Es transmet periòdicament un pols, que pot estar modulat o no. Si apareixen ecos de polsos anteriors a l'últim transmés, s'interpretaran com a pertanyents a este últim, de modo que apareixeran traces de blancs inexistents.

Segons la seua finalitat

Radar de seguiment: és capaç de seguir el moviment d'un blanc. Per eixemple el radar de guia de missils.
Radar de busca: explora tot l'espai, o un sector d'ell, mostrant tots els blancs que apareixen.

Existixen radars en capacitat de funcionar en abdós modos.

Segons la seua freqüència de treball

Nom de la banda	Freqüències	Llongituts d'ona	Observacions
HF	3-30 MHz	10-100 m	Radars de vigilància costera, vigilància OTH (over-the-horizon)
P	< 300 MHz	1 m+	'P' de "previ", aplicat de forma retrospectiva als sistemes radar primitius
VHF	50-330 MHz	0.9-6 m	Vigilància a distàncies molt elevades, penetració en el terreny
UHF	300-1000 MHz	0.3-1 m	Vigilància a distàncies molt elevades (ej: detecció de missils), penetració en el terreny i a través de la vegetació
L	1-2 GHz	15-30 cm	Distàncies elevades, control de tràfic en ruta
S	2-4 GHz	7.5-15 cm	Vigilància a distàncies intermiges. Control de tràfic en terminals. Condicions meteorològiques a llargues distàncies
C	4-8 GHz	3.75-7.5 cm	Seguiment a distàncies elevades. Meteorologia
X	8-12 GHz	2.5-3.75 cm	Guia de missilés, meteorologia, cartografia de resolució mija, radars de superfície aeroportuario. Seguiment a distàncies curtes
K_o	12-18 GHz	1.67-2.5 cm	Cartografia d'alta resolució. Altímetros per a satèlits
K	18-27 GHz	1.11-1.67 cm	Absorció del vapor d'aigua. S'usa per a meteorologia, per a detectar núvols. També per a control de velocitat de motoristes.
K_a	27-40 GHz	0.75-1.11 cm	Cartografia de molt alta resolució vigilància d'aeroports. Usat per a accionar cambres per a fotografiar matrícules de coches infractors
mm	40-300 GHz	7.5 mm - 1 mm	Banda milimétrica, es subdivide com seguix. Nota: la denominació de les bandes no està unànimement acceptada.
Q	40-60 GHz	7.5 mm - 5 mm	Comunicacions militars
V	50-75 GHz	6.0-4 mm	Absorbit per l'atmòsfera
I	60-90 GHz	6.0-3.33 mm
W	75-110 GHz	2.7 - 4.0 mm	S'usa com a sensor per a vehículs autònoms experimentals, meteorologia d'alta resolució i tractament d'imàgens.

Segons el seu àmbit d'aplicació

Militar: radars de detecció terrestre, radars de missils autodirectivos, radars d'artilleria, radars de satèlits per a l'observació de la Terra.
Aeronàutic : control del tràfic aéreu, guia d'aproximació a l'aeroport, radars de navegació.
Marítim : radar de navegació, radar anti-colisió, radar per a detecció d'aus.
Circulació i seguritat en ruta : radar de control de velocitat d'automòvils, radars d'assistència de frenat d'urgència (ACC, Adaptive Cruise Control).
Meteorològic : detecció de precipitacions (pluja, neu, graniç, etcétera).
Científic : en satèlits per a l'observació de la Terra, per a vore el nivell dels oceans, trobar restants arqueològics, etc.

Atres tecnologies

Radar tridimensional: és capaç de determinar l'altura del blanc, ademés de la seua posició sobre el pla.
Radar d'imàgens laterals o radar d'obertura sintètica (SAR): permet l'obtenció d'imàgens del terreny, similars a fotografies. Funcionen combinant per mig de complicats algoritmes matemàtics diferents séries d'observacions d'un radar en una antena menuda, creant artificialment la sensació de que es tracta d'una sola mostra feta per una antena molt gran.
Radars que operen utilisant la tecnologia Ultra Wideband: poden detectar un humà a través de parets. Açò es fa possible gràcies a que les característiques reflectivas dels humans són generalment majors que les dels materials utilisats en la construcció. No obstant, com els humans reflectixen molt manco que el metal, estos sistemes requerixen tecnologia sofisticada per a aïllar als objectius humans i després construir una image detallada.

Vore també

Referències

↑ Nature.152(3857)
391–392.doi:10.1038/152391b0.
↑ «Remote Sensing Core Curriculum: Ràdio Detection and Ranging (RADAR)». University of Minnesota. University of Minnesota. Archivat des d'el original, el 2 de juny de 2021. Consultat el 2021-05-31.
↑ Strasser, Nancy C.. «Investigation of Terrain Bounce Electronic Countermeasure». DTIC. Archivat des d'el original, el 2012-11-30. Consultat el 2012-09-11.
↑ «Resolving wireless network interference using Ronja FSO link». ronja.twibright.com.
↑ «Radar Modulator». radartutorial.eu.
↑ «MiG-31 FOXHOUND». www.globalsecurity.org.

Bibliografia

Principles of Modern Radar. J.L. Eaves, I.K. Reedy. Van Nostrand Reinhold, New York, 1987 (anglés).
Introduction to Radar Systems. M.I. Skolnik. McGraw–Hill (Second Edition), 1980 (anglés).
Radar Principles. N. Levanon. John Wiley and Sons. 1988 (anglés).
Introduction to Radar Analysis. B.R. Mahafza. CRC Press LLC 1998 (anglés).
Sistemes Radar (Temes I, II i III). Félix Pérez Martínez. 199?. Escola Tècnica Superior d'Ingeniers de Telecomunicació. Universitat Politècnica de Madrit.
Antennas for radar and communications: a polarimetic approach. Harold Mott, John Wiley and Sons. 1992 (anglés).
Handbook of computer simulation in ràdio engineering, communicacions and radar. Sergey A. Leonov. Artecht House. 2001 (anglés).
Radar Technology, Guy Kouemou (Ed.), InTech, 2010, ISBN 978-953-307-029-2, ([1]) (anglés).
Radar handbook, Merrill I. Skolnik,2nd ed, New York, McGraw-Hill, 1990 (anglés).

Enllaços externs

Commons

Wikimedia Commons alberga contingut multimèdia sobre Radar.

Christian Huelsmeyer, the inventor - Radar World (anglés)
radar de la nau

Referències

Este artícul conté una traducció derivada de «Radar» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.

[1] Nature.152(3857)
391–392.doi:10.1038/152391b0.

[2] «Remote Sensing Core Curriculum: Ràdio Detection and Ranging (RADAR)». University of Minnesota. University of Minnesota. Archivat des d'el original, el 2 de juny de 2021. Consultat el 2021-05-31.

[3] Strasser, Nancy C.. «Investigation of Terrain Bounce Electronic Countermeasure». DTIC. Archivat des d'el original, el 2012-11-30. Consultat el 2012-09-11.

[4] «Resolving wireless network interference using Ronja FSO link». ronja.twibright.com.

[5] «Radar Modulator». radartutorial.eu.

[6] «MiG-31 FOXHOUND». www.globalsecurity.org.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]