Radar

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El radar (originalmente acrónimo de radio detección y rango) es un sistema de detección que utiliza ondas de radio para determinar la distancia (rango), ángulo y velocidad radial de los objetos en relación con el sitio. Se puede utilizar para detectar aeronaves, barcos, naves espaciales, misiles guiados, vehículos de motor, formaciones meteorológicas y terreno. Un sistema de radar consta de un transmisor que produce ondas electromagnéticas en el dominio de la radio o las microondas, una antena transmisora, una antena receptora (a menudo se usa la misma antena para transmitir y recibir) y un receptor y un procesador para determinar las propiedades de los objetos. Las ondas de radio (pulsadas o continuas) del transmisor se reflejan en los objetos y regresan al receptor, brindando información sobre las ubicaciones y velocidades de los objetos.

El radar fue desarrollado en secreto para uso militar por varios países en el período anterior y durante la Segunda Guerra Mundial. Un desarrollo clave fue el magnetrón de cavidad en el Reino Unido, que permitió la creación de sistemas relativamente pequeños con una resolución inferior al metro. El término RADAR fue acuñado en 1940 por la Armada de los Estados Unidos como un acrónimo de "detección y distancia por radio". El término radardesde entonces ha ingresado al inglés y otros idiomas como un sustantivo común, perdiendo todas las mayúsculas. Los usos modernos del radar son muy diversos, incluidos el control del tráfico aéreo y terrestre, la astronomía por radar, los sistemas de defensa aérea, los sistemas antimisiles, los radares marinos para localizar puntos de referencia y otros barcos, los sistemas anticolisión de aeronaves, los sistemas de vigilancia oceánica, el espacio ultraterrestre. sistemas de vigilancia y encuentro, monitoreo de precipitaciones meteorológicas, sistemas de altimetría y control de vuelo, sistemas de localización de objetivos de misiles guiados, vehículos autónomos y radares de penetración terrestre para observaciones geológicas. Los sistemas de radar de alta tecnología están asociados con el procesamiento de señales digitales, el aprendizaje automático y son capaces de extraer información útil de niveles de ruido muy altos.

Otros sistemas similares al radar hacen uso de otras partes del espectro electromagnético. Un ejemplo es lidar, que utiliza predominantemente luz infrarroja de láseres en lugar de ondas de radio. Con la aparición de vehículos sin conductor, se espera que el radar ayude a la plataforma automatizada a monitorear su entorno, evitando así incidentes no deseados.

Historia

Primeros experimentos

Ya en 1886, el físico alemán Heinrich Hertz demostró que las ondas de radio podían reflejarse en objetos sólidos. En 1895, Alexander Popov, un instructor de física en la escuela de la Armada Imperial Rusa en Kronstadt, desarrolló un aparato usando un tubo cohesor para detectar rayos distantes. Al año siguiente, agregó un transmisor de chispa. En 1897, mientras probaba este equipo para la comunicación entre dos barcos en el Mar Báltico, se percató de una interferencia provocada por el paso de un tercer barco. En su informe, Popov escribió que este fenómeno podría usarse para detectar objetos, pero no hizo nada más con esta observación.

El inventor alemán Christian Hülsmeyer fue el primero en utilizar ondas de radio para detectar "la presencia de objetos metálicos distantes". En 1904, demostró la viabilidad de detectar un barco en una niebla densa, pero no su distancia al transmisor. Obtuvo una patente para su dispositivo de detección en abril de 1904 y luego una patente para una enmienda relacionada para estimar la distancia al barco. También obtuvo una patente británica el 23 de septiembre de 1904 para un sistema de radar completo, al que llamó telemobiloscopio.. Operó en una longitud de onda de 50 cm y la señal de radar pulsada se creó a través de una vía de chispas. Su sistema ya utilizaba la configuración de antena clásica de antena de bocina con reflector parabólico y se presentó a oficiales militares alemanes en pruebas prácticas en el puerto de Colonia y Róterdam, pero fue rechazado.

En 1915, Robert Watson-Watt usó la tecnología de radio para proporcionar una advertencia anticipada a los aviadores y durante la década de 1920 lideró el establecimiento de investigación del Reino Unido para lograr muchos avances utilizando técnicas de radio, incluido el sondeo de la ionosfera y la detección de rayos a largas distancias.. A través de sus experimentos con rayos, Watson-Watt se convirtió en un experto en el uso de radiogoniometría antes de dedicarse a la transmisión de onda corta. Al requerir un receptor adecuado para tales estudios, le dijo al "chico nuevo" Arnold Frederic Wilkins que realizara una revisión exhaustiva de las unidades de onda corta disponibles. Wilkins seleccionaría un modelo de la Oficina General de Correos después de observar la descripción de su manual de un efecto de "desvanecimiento" (el término común para interferencia en ese momento) cuando los aviones volaban por encima.

Al otro lado del Atlántico en 1922, después de colocar un transmisor y un receptor en lados opuestos del río Potomac, los investigadores de la Marina de los EE. UU. A. Hoyt Taylor y Leo C. Young descubrieron que los barcos que pasaban por la trayectoria del haz hacían que la señal recibida se desvaneciera. Taylor presentó un informe, sugiriendo que este fenómeno podría usarse para detectar la presencia de barcos con poca visibilidad, pero la Armada no continuó el trabajo de inmediato. Ocho años más tarde, Lawrence A. Hyland en el Laboratorio de Investigación Naval (NRL) observó efectos de desvanecimiento similares de los aviones que pasaban; esta revelación condujo a una solicitud de patente, así como a una propuesta para una mayor investigación intensiva sobre señales de eco de radio de objetivos en movimiento que se llevaría a cabo en NRL, donde Taylor y Young tenían su sede en ese momento.

De manera similar, en el Reino Unido, LS Alder obtuvo una patente provisional secreta para el radar naval en 1928. WAS Butement y PE Pollard desarrollaron una unidad de prueba de tablero, que operaba a 50 cm (600 MHz) y usaba modulación pulsada que dio resultados de laboratorio exitosos. En enero de 1931, se ingresó una reseña sobre el aparato en el Libro de Invenciones mantenido por los Ingenieros Reales. Este es el primer registro oficial en Gran Bretaña de la tecnología que se utilizó en la defensa costera y se incorporó a Chain Home como Chain Home (bajo).

Justo antes de la Segunda Guerra Mundial

Antes de la Segunda Guerra Mundial, investigadores del Reino Unido, Francia, Alemania, Italia, Japón, los Países Bajos, la Unión Soviética y los Estados Unidos, de forma independiente y en gran secreto, desarrollaron tecnologías que condujeron a la versión moderna del radar. Australia, Canadá, Nueva Zelanda y Sudáfrica siguieron el desarrollo del radar de Gran Bretaña antes de la guerra, y Hungría generó su tecnología de radar durante la guerra.

En Francia, en 1934, siguiendo estudios sistemáticos sobre el magnetrón de ánodo dividido, la rama de investigación de la Compagnie générale de la télégraphie sans fil (CSF) encabezada por Maurice Ponte con Henri Gutton, Sylvain Berline y M. Hugon, comenzó a desarrollar un obstáculo: aparatos de localización de radio, algunos de los cuales se instalaron en el transatlántico Normandie en 1935.

Durante el mismo período, el ingeniero militar soviético PK Oshchepkov, en colaboración con el Instituto Electrotécnico de Leningrado, produjo un aparato experimental, RAPID, capaz de detectar un avión dentro de los 3 km de un receptor. Los soviéticos produjeron sus primeros radares de producción en masa RUS-1 y RUS-2 Redut en 1939, pero el desarrollo posterior se ralentizó tras el arresto de Oshchepkov y su posterior sentencia de gulag. En total, solo se produjeron 607 estaciones Redut durante la guerra. El primer radar aerotransportado ruso, Gneiss-2, entró en servicio en junio de 1943 en bombarderos en picado Pe-2. Más de 230 estaciones Gneiss-2 se produjeron a fines de 1944. Sin embargo, los sistemas francés y soviético presentaban una operación de onda continua que no brindaba el rendimiento completo, en última instancia, sinónimo de los sistemas de radar modernos.

El radar completo evolucionó como un sistema pulsado, y el primer aparato elemental de este tipo fue demostrado en diciembre de 1934 por el estadounidense Robert M. Page, que trabajaba en el Laboratorio de Investigación Naval. Al año siguiente, el Ejército de los Estados Unidos probó con éxito un primitivo radar de superficie a superficie para apuntar los reflectores de baterías costeras durante la noche. Este diseño fue seguido por un sistema pulsado demostrado en mayo de 1935 por Rudolf Kühnhold y la firma GEMA [ de ] en Alemania y luego otro en junio de 1935 por un equipo del Ministerio del Aire dirigido por Robert Watson-Watt en Gran Bretaña.

En 1935, se le pidió a Watson-Watt que juzgara los informes recientes de un rayo de la muerte basado en la radio alemana y entregó la solicitud a Wilkins. Wilkins devolvió un conjunto de cálculos que demostraban que el sistema era básicamente imposible. Cuando Watson-Watt preguntó qué podría hacer ese sistema, Wilkins recordó el informe anterior sobre las aeronaves que causan interferencias de radio. Esta revelación condujo al Experimento Daventry del 26 de febrero de 1935, utilizando un potente transmisor de onda corta de la BBC como fuente y su receptor GPO configurado en un campo mientras un bombardero volaba alrededor del sitio. Cuando se detectó claramente el avión, Hugh Dowding, miembro de Air for Supply and Research, quedó muy impresionado con el potencial de su sistema y se proporcionaron fondos de inmediato para un mayor desarrollo operativo. El equipo de Watson-Watt patentó el dispositivo en GB593017.

El desarrollo del radar se expandió enormemente el 1 de septiembre de 1936, cuando Watson-Watt se convirtió en superintendente de un nuevo establecimiento bajo el Ministerio del Aire Británico, la Estación de Investigación Bawdsey ubicada en Bawdsey Manor, cerca de Felixstowe, Suffolk. El trabajo allí dio como resultado el diseño y la instalación de estaciones de seguimiento y detección de aeronaves llamadas "Cadena de inicio" a lo largo de las costas este y sur de Inglaterra a tiempo para el estallido de la Segunda Guerra Mundial en 1939. Este sistema proporcionó la información anticipada vital que ayudó a la Royal Fuerza Aérea gana la Batalla de Gran Bretaña; sin él, un número significativo de aviones de combate, que Gran Bretaña no tenía disponibles, siempre habrían tenido que estar en el aire para responder rápidamente. Si la detección de aviones alemanes se hubiera basado únicamente en las observaciones de personas en tierra, Gran Bretaña podría haber perdido la Batalla de Gran Bretaña. El radar formaba parte del "sistema Dowding" para recopilar informes de aviones enemigos y coordinar la respuesta.

Dada toda la financiación y el apoyo necesarios para el desarrollo, el equipo produjo sistemas de radar en funcionamiento en 1935 y comenzó el despliegue. En 1936, los primeros cinco sistemas Chain Home (CH) estaban operativos y en 1940 se extendían por todo el Reino Unido, incluida Irlanda del Norte. Incluso para los estándares de la época, CH era tosco; en lugar de transmitir y recibir desde una antena dirigida, CH transmitió una señal que iluminó toda el área frente a ella y luego usó uno de los radiogoniómetros de Watson-Watt para determinar la dirección de los ecos devueltos. Este hecho significaba que los transmisores CH tenían que ser mucho más potentes y tener mejores antenas que los sistemas de la competencia, pero permitió su rápida introducción utilizando las tecnologías existentes.

Durante la Segunda Guerra Mundial

Un desarrollo clave fue el magnetrón de cavidad en el Reino Unido, que permitió la creación de sistemas relativamente pequeños con una resolución inferior al metro. Gran Bretaña compartió la tecnología con los EE. UU. durante la Misión Tizard de 1940.

En abril de 1940, Popular Science mostró un ejemplo de una unidad de radar usando la patente de Watson-Watt en un artículo sobre defensa aérea. Además, a finales de 1941, Popular Mechanics publicó un artículo en el que un científico estadounidense especulaba sobre el sistema de alerta temprana británico en la costa este inglesa y se acercaba a lo que era y cómo funcionaba. Watson-Watt fue enviado a los EE. UU. en 1941 para asesorar sobre defensa aérea después del ataque de Japón a Pearl Harbor. Alfred Lee Loomis organizó el laboratorio secreto de radiación del MIT en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, Cambridge, Massachusetts, que desarrolló la tecnología de radar de microondas en los años 1941-1945. Más tarde, en 1943, Page mejoró mucho el radar con la técnica de monopulso que se utilizó durante muchos años en la mayoría de las aplicaciones de radar.

La guerra precipitó la investigación para encontrar una mejor resolución, más portabilidad y más funciones para el radar, incluidos los sistemas de navegación complementarios como Oboe utilizado por el Pathfinder de la RAF.

Aplicaciones

La información proporcionada por el radar incluye el rumbo y el alcance (y, por lo tanto, la posición) del objeto desde el escáner de radar. Por lo tanto, se utiliza en muchos campos diferentes donde la necesidad de dicho posicionamiento es crucial. El primer uso del radar fue con fines militares: para localizar objetivos aéreos, terrestres y marítimos. Esto evolucionó en el campo civil hacia aplicaciones para aviones, barcos y automóviles.

En la aviación, las aeronaves pueden equiparse con dispositivos de radar que advierten sobre aeronaves u otros obstáculos en su camino o que se aproximan, muestran información meteorológica y brindan lecturas de altitud precisas. El primer dispositivo comercial instalado en un avión fue una unidad Bell Lab de 1938 en algunos aviones de United Air Lines.Las aeronaves pueden aterrizar en la niebla en aeropuertos equipados con sistemas de aproximación controlados desde tierra asistidos por radar en los que los operadores observan la posición del avión en pantallas de radar de aproximación de precisión y, por lo tanto, dan instrucciones de aterrizaje por radio al piloto, manteniendo la aeronave en una ruta de aproximación definida para La pasarela. Los aviones de combate militares suelen estar equipados con radares de orientación aire-aire para detectar y apuntar a los aviones enemigos. Además, los aviones militares especializados más grandes llevan potentes radares aerotransportados para observar el tráfico aéreo en una amplia región y dirigir los aviones de combate hacia los objetivos.

Los radares marinos se utilizan para medir el rumbo y la distancia de los barcos para evitar colisiones con otros barcos, navegar y fijar su posición en el mar cuando se encuentran dentro del alcance de la costa u otras referencias fijas, como islas, boyas y faros. En el puerto o en el puerto, los sistemas de radar del servicio de tráfico de embarcaciones se utilizan para monitorear y regular los movimientos de los barcos en aguas concurridas.

Los meteorólogos usan radares para monitorear la precipitación y el viento. Se ha convertido en la herramienta principal para el pronóstico del tiempo a corto plazo y la observación de condiciones meteorológicas adversas, como tormentas eléctricas, tornados, tormentas de invierno, tipos de precipitaciones, etc. Los geólogos utilizan radares de penetración terrestre especializados para mapear la composición de la corteza terrestre. Las fuerzas policiales utilizan pistolas de radar para controlar la velocidad de los vehículos en las carreteras. Se utilizan sistemas de radar más pequeños para detectar el movimiento humano. Algunos ejemplos son la detección de patrones de respiración para monitorear el sueño y la detección de gestos con las manos y los dedos para la interacción con la computadora. La apertura automática de puertas, la activación de luces y la detección de intrusos también son comunes.

Principios

Señal de radar

Un sistema de radar tiene un transmisor que emite ondas de radio conocidas como señales de radar en direcciones predeterminadas. Cuando estas señales entran en contacto con un objeto, generalmente se reflejan o se dispersan en muchas direcciones, aunque algunas de ellas serán absorbidas y penetrarán en el objetivo. Las señales de radar se reflejan especialmente bien en materiales de considerable conductividad eléctrica, como la mayoría de los metales, el agua de mar y el suelo húmedo. Esto hace posible el uso de altímetros de radar en ciertos casos. Las señales de radar que se reflejan hacia el receptor de radar son las deseables para que funcione la detección de radar. Si el objeto se acerca o se aleja del transmisor, habrá un ligero cambio en la frecuencia de las ondas de radio debido al efecto Doppler.

Los receptores de radar suelen estar, aunque no siempre, en la misma ubicación que el transmisor. Las señales de radar reflejadas captadas por la antena receptora suelen ser muy débiles. Se pueden reforzar con amplificadores electrónicos. También se utilizan métodos más sofisticados de procesamiento de señales para recuperar señales de radar útiles.

La débil absorción de las ondas de radio por el medio a través del cual pasan es lo que permite que los equipos de radar detecten objetos en rangos relativamente largos, rangos en los que otras longitudes de onda electromagnéticas, como la luz visible, la luz infrarroja y la luz ultravioleta, se atenúan demasiado. Los fenómenos meteorológicos, como la niebla, las nubes, la lluvia, la nieve y el aguanieve, que bloquean la luz visible, suelen ser transparentes a las ondas de radio. Ciertas frecuencias de radio que son absorbidas o dispersadas por el vapor de agua, las gotas de lluvia o los gases atmosféricos (especialmente el oxígeno) se evitan al diseñar radares, excepto cuando se pretende su detección.

Iluminación

El radar depende de sus propias transmisiones en lugar de la luz del Sol o la Luna, o de las ondas electromagnéticas emitidas por los propios objetos objetivo, como la radiación infrarroja (calor). Este proceso de dirigir ondas de radio artificiales hacia los objetos se denomina iluminación, aunque las ondas de radio son invisibles para el ojo humano y para las cámaras ópticas.

Reflexión

Si las ondas electromagnéticas que viajan a través de un material se encuentran con otro material que tiene una constante dieléctrica o constante diamagnética diferente de la primera, las ondas se reflejarán o se dispersarán desde el límite entre los materiales. Esto significa que un objeto sólido en el aire o en el vacío, o un cambio significativo en la densidad atómica entre el objeto y lo que lo rodea, generalmente dispersará ondas de radar (radio) desde su superficie. Esto es particularmente cierto para los materiales conductores de electricidad, como el metal y la fibra de carbono, lo que hace que el radar sea muy adecuado para la detección de aeronaves y barcos. El material absorbente de radar, que contiene sustancias resistivas ya veces magnéticas, se utiliza en vehículos militares para reducir la reflexión del radar. Este es el equivalente de radio de pintar algo de un color oscuro para que el ojo no pueda verlo por la noche.

Las ondas de radar se dispersan de varias maneras según el tamaño (longitud de onda) de la onda de radio y la forma del objetivo. Si la longitud de onda es mucho más corta que el tamaño del objetivo, la onda rebotará de manera similar a como la luz se refleja en un espejo. Si la longitud de onda es mucho más larga que el tamaño del objetivo, es posible que el objetivo no sea visible debido a la mala reflexión. La tecnología de radar de baja frecuencia depende de las resonancias para la detección, pero no para la identificación, de objetivos. Esto se describe mediante la dispersión de Rayleigh, un efecto que crea el cielo azul de la Tierra y las puestas de sol rojas. Cuando las dos escalas de longitud son comparables, puede haber resonancias. Los primeros radares usaban longitudes de onda muy largas que eran más grandes que los objetivos y, por lo tanto, recibían una señal vaga,

Las ondas de radio cortas se reflejan en las curvas y esquinas de una manera similar al destello de una pieza redondeada de vidrio. Los objetivos más reflectantes para longitudes de onda cortas tienen ángulos de 90° entre las superficies reflectantes. Un reflector de esquina consta de tres superficies planas que se unen como la esquina interior de un cubo. La estructura reflejará las ondas que ingresan a su abertura directamente de regreso a la fuente. Se utilizan comúnmente como reflectores de radar para facilitar la detección de objetos que de otro modo serían difíciles de detectar. Los reflectores de esquina en los barcos, por ejemplo, los hacen más detectables para evitar colisiones o durante un rescate. Por razones similares, los objetos destinados a evitar la detección no tendrán esquinas internas o superficies y bordes perpendiculares a las posibles direcciones de detección, lo que conduce a aeronaves sigilosas de aspecto "extraño". Estas precauciones no eliminan totalmente la reflexión debido a la difracción, especialmente en longitudes de onda más largas. Los alambres largos de media longitud de onda o las tiras de material conductor, como la paja, son muy reflectantes pero no dirigen la energía dispersa hacia la fuente. La medida en que un objeto refleja o dispersa ondas de radio se denomina sección transversal de radar.

Ecuación de rango de radar

La potencia P _r que regresa a la antena receptora viene dada por la ecuación: ${displaystyle P_{r}={frac {P_{t}G_{t}A_{r}sigma F^{4}}{{(4pi)}^{2}R_{t}^{ 2}R_{r}^{2}}}}$

dónde

P _t = potencia del transmisor
G _t = ganancia de la antena transmitente
A _r = apertura efectiva (área) de la antena receptora; esto también se puede expresar como ${{G_{r}lambda ^{2}} sobre {4pi }}$ , donde

$lambda$ = longitud de onda transmitida
G _r = ganancia de la antena receptora

σ = sección transversal del radar, o coeficiente de dispersión, del objetivo
F = factor de propagación del patrón
R _t = distancia del transmisor al objetivo
R _r = distancia del objetivo al receptor.

En el caso común donde el transmisor y el receptor están en la misma ubicación, R _t = R _r y el término R _t ² R _r ² puede ser reemplazado por R, donde R es el rango. Esto produce: $P_{r}={{P_{t}G_{t}A_{r}sigma F^{4}} over {{(4pi)}^{2}R^{4}}}.$

Esto muestra que la potencia recibida disminuye como la cuarta potencia del rango, lo que significa que la potencia recibida de objetivos distantes es relativamente muy pequeña.

El filtrado adicional y la integración de pulsos modifican ligeramente la ecuación del radar para el rendimiento del radar Doppler de pulsos, que se puede utilizar para aumentar el rango de detección y reducir la potencia de transmisión.

La ecuación anterior con F = 1 es una simplificación para la transmisión en el vacío sin interferencias. El factor de propagación tiene en cuenta los efectos de los trayectos múltiples y el sombreado y depende de los detalles del entorno. En una situación del mundo real, también se consideran los efectos de pérdida de trayectoria.

Efecto Doppler

El cambio de frecuencia es causado por un movimiento que cambia el número de longitudes de onda entre el reflector y el radar. Esto puede degradar o mejorar el rendimiento del radar dependiendo de cómo afecte el proceso de detección. Como ejemplo, la indicación de objetivo en movimiento puede interactuar con Doppler para producir la cancelación de la señal a ciertas velocidades radiales, lo que degrada el rendimiento.

Los sistemas de radar basados en el mar, la localización por radar semiactiva, la localización por radar activa, el radar meteorológico, las aeronaves militares y la astronomía por radar se basan en el efecto Doppler para mejorar el rendimiento. Esto produce información sobre la velocidad del objetivo durante el proceso de detección. Esto también permite detectar objetos pequeños en un entorno que contiene objetos cercanos mucho más grandes que se mueven lentamente.

El desplazamiento Doppler depende de si la configuración del radar es activa o pasiva. El radar activo transmite una señal que se refleja de vuelta al receptor. El radar pasivo depende de que el objeto envíe una señal al receptor.

El cambio de frecuencia Doppler para el radar activo es el siguiente, donde $F_{D}$ es la frecuencia Doppler, la frecuencia de $PIE}$ transmisión, la $V_{R}$ velocidad radial y $C$ la velocidad de la luz: $F_{D}=2times F_{T}times left({frac {V_{R}}{C}}right)$ .

El radar pasivo es aplicable a las contramedidas electrónicas y la radioastronomía de la siguiente manera: $F_{D}=F_{T}times left({frac {V_{R}}{C}}right)$ .

Sólo es relevante la componente radial de la velocidad. Cuando el reflector se mueve en ángulo recto con el haz del radar, no tiene velocidad relativa. Los vehículos y el clima que se mueven paralelos al haz del radar producen el máximo cambio de frecuencia Doppler.

Cuando se pulsa la frecuencia de transmisión ( $PIE}$ ), utilizando una frecuencia de repetición de pulso de $F_{R}$ , el espectro de frecuencia resultante contendrá frecuencias armónicas por encima y por debajo $PIE}$ con una distancia de $F_{R}$ . Como resultado, la medición Doppler solo no es ambigua si el cambio de frecuencia Doppler es inferior a la mitad de $F_{R}$ , llamada frecuencia de Nyquist, ya que, de lo contrario, la frecuencia devuelta no se puede distinguir del cambio de una frecuencia armónica por encima o por debajo, lo que requiere: ${displaystyle |F_{D}|<{frac {F_{R}}{2}}}$

O al sustituir por $F_{D}$ : ${displaystyle |V_{R}|<{frac {F_{R}times {frac {C}{F_{T}}}}{4}}}$

Por ejemplo, un radar meteorológico Doppler con una frecuencia de pulso de 2 kHz y una frecuencia de transmisión de 1 GHz puede medir de forma fiable la velocidad meteorológica hasta un máximo de 150 m/s (340 mph), por lo que no puede determinar de forma fiable la velocidad radial de una aeronave que se desplaza 1000 m. /seg (2200 mph).

Polarización

En toda radiación electromagnética, el campo eléctrico es perpendicular a la dirección de propagación y la dirección del campo eléctrico es la polarización de la onda. Para una señal de radar transmitida, la polarización se puede controlar para producir diferentes efectos. Los radares utilizan polarización horizontal, vertical, lineal y circular para detectar diferentes tipos de reflejos. Por ejemplo, la polarización circular se usa para minimizar la interferencia causada por la lluvia. Los retornos de polarización lineal suelen indicar superficies metálicas. Los retornos de polarización aleatorios suelen indicar una superficie fractal, como rocas o suelo, y los utilizan los radares de navegación.

Factores limitantes

Trayectoria y alcance del haz

Un haz de radar sigue una trayectoria lineal en el vacío pero sigue una trayectoria algo curva en la atmósfera debido a la variación en el índice de refracción del aire, que se denomina horizonte de radar. Incluso cuando el haz se emite paralelo al suelo, el haz se eleva por encima del suelo a medida que la curvatura de la Tierra se hunde por debajo del horizonte. Además, la señal es atenuada por el medio que cruza el haz y el haz se dispersa.

El alcance máximo del radar convencional puede verse limitado por una serie de factores:

Línea de visión, que depende de la altura sobre el suelo. Sin una línea de visión directa, el camino del rayo está bloqueado.
El rango máximo no ambiguo, que está determinado por la frecuencia de repetición del pulso. El rango máximo no ambiguo es la distancia a la que el pulso puede viajar y regresar antes de que se emita el siguiente pulso.
Sensibilidad del radar y potencia de la señal de retorno calculada en la ecuación del radar. Este componente incluye factores como las condiciones ambientales y el tamaño (o sección transversal del radar) del objetivo.

Ruido

El ruido de la señal es una fuente interna de variaciones aleatorias en la señal, que es generada por todos los componentes electrónicos.

Las señales reflejadas disminuyen rápidamente a medida que aumenta la distancia, por lo que el ruido introduce una limitación del alcance del radar. El ruido de fondo y la relación señal-ruido son dos medidas diferentes de rendimiento que afectan el rendimiento del alcance. Los reflectores que están demasiado lejos producen una señal demasiado pequeña para exceder el nivel mínimo de ruido y no se pueden detectar. La detección requiere una señal que supere el ruido de fondo al menos en la relación señal-ruido.

El ruido suele aparecer como variaciones aleatorias superpuestas a la señal de eco deseada recibida en el receptor de radar. Cuanto menor sea la potencia de la señal deseada, más difícil será distinguirla del ruido. La figura de ruido es una medida del ruido producido por un receptor en comparación con un receptor ideal, y esto debe minimizarse.

El ruido de disparo es producido por electrones en tránsito a través de una discontinuidad, lo que ocurre en todos los detectores. El ruido de disparo es la fuente dominante en la mayoría de los receptores. También habrá ruido de parpadeo causado por el tránsito de electrones a través de dispositivos de amplificación, que se reduce usando amplificación heterodina. Otra razón para el procesamiento heterodino es que para el ancho de banda fraccional fijo, el ancho de banda instantáneo aumenta linealmente en frecuencia. Esto permite mejorar la resolución del rango. La única excepción notable a los sistemas de radar heterodinos (conversión descendente) es el radar de banda ultraancha. Aquí se usa un solo ciclo, u onda transitoria, similar a las comunicaciones UWB, consulte la Lista de canales UWB.

El ruido también es generado por fuentes externas, principalmente la radiación térmica natural del fondo que rodea el objetivo de interés. En los sistemas de radar modernos, el ruido interno suele ser igual o menor que el ruido externo. Una excepción es si el radar apunta hacia arriba en un cielo despejado, donde la escena es tan "fría" que genera muy poco ruido térmico. El ruido térmico viene dado por k _BT B, donde T es la temperatura, B es el ancho de banda (filtro posadaptado) y k _Bes la constante de Boltzmann. Hay una atractiva interpretación intuitiva de esta relación en un radar. El filtrado combinado permite que toda la energía recibida de un objetivo se comprima en un solo contenedor (ya sea un contenedor de rango, Doppler, elevación o azimut). Superficialmente, parece que luego, dentro de un intervalo de tiempo fijo, podría obtenerse una detección perfecta y libre de errores. Esto se hace comprimiendo toda la energía en un segmento de tiempo infinitesimal. Lo que limita este enfoque en el mundo real es que, mientras que el tiempo es arbitrariamente divisible, la corriente no lo es. El cuanto de energía eléctrica es un electrón, por lo que lo mejor que se puede hacer es filtrar toda la energía en un solo electrón. Dado que el electrón se mueve a cierta temperatura (espectro de Planck), esta fuente de ruido no puede erosionarse más. En última instancia, el radar,

El ruido es aleatorio y las señales de destino no lo son. El procesamiento de señales puede aprovechar este fenómeno para reducir el ruido de fondo utilizando dos estrategias. El tipo de integración de señal utilizada con la indicación de objetivo en movimiento puede mejorar el ruido hasta ${ sqrt {2}}$ para cada etapa. La señal también se puede dividir entre varios filtros para el procesamiento de la señal de pulso Doppler, lo que reduce el ruido de fondo según la cantidad de filtros. Estas mejoras dependen de la coherencia.

Interferencia

Los sistemas de radar deben superar las señales no deseadas para enfocarse en los objetivos de interés. Estas señales no deseadas pueden tener su origen en fuentes internas y externas, tanto pasivas como activas. La capacidad del sistema de radar para superar estas señales no deseadas define su relación señal-ruido (SNR). SNR se define como la relación entre la potencia de la señal y la potencia del ruido dentro de la señal deseada; compara el nivel de una señal objetivo deseada con el nivel de ruido de fondo (ruido atmosférico y ruido generado dentro del receptor). Cuanto mayor sea la SNR de un sistema, mejor discriminará los objetivos reales de las señales de ruido.

Desorden

Clutter se refiere a ecos de radiofrecuencia (RF) devueltos por objetivos que no son de interés para los operadores de radar. Dichos objetivos incluyen objetos naturales como la tierra, el mar y, cuando no están destinados a fines meteorológicos, precipitaciones (como lluvia, nieve o granizo), tormentas de arena, animales (especialmente aves), turbulencia atmosférica y otros efectos atmosféricos, como reflejos de la ionosfera, estelas de meteoritos y picos de granizo. Los ecos parásitos también pueden ser devueltos por objetos hechos por el hombre, como edificios e, intencionalmente, por contramedidas de radar, como la paja.

Algunos ecos también pueden ser causados por una guía de ondas de radar larga entre el transceptor de radar y la antena. En un radar típico de indicador de posición del plan (PPI) con una antena giratoria, esto generalmente se verá como un "sol" o "rayo de sol" en el centro de la pantalla a medida que el receptor responde a los ecos de las partículas de polvo y la RF equivocada en la guía de ondas.. Ajustar el tiempo entre el momento en que el transmisor envía un pulso y el momento en que se habilita la etapa del receptor generalmente reducirá el resplandor solar sin afectar la precisión del rango, ya que la mayoría de los rayos solares son causados por un pulso de transmisión difuso reflejado antes de que salga de la antena. Los ecos parásitos se consideran una fuente de interferencia pasiva, ya que solo aparecen en respuesta a las señales de radar enviadas por el radar.

El desorden se detecta y neutraliza de varias maneras. El desorden tiende a aparecer estático entre escaneos de radar; en ecos de exploración subsiguientes, los objetivos deseables parecerán moverse y todos los ecos estacionarios pueden eliminarse. Los ecos parásitos del mar se pueden reducir utilizando la polarización horizontal, mientras que la lluvia se reduce con la polarización circular (los radares meteorológicos desean el efecto contrario y, por lo tanto, utilizan la polarización lineal para detectar la precipitación). Otros métodos intentan aumentar la relación señal-turbulencia.

El desorden se mueve con el viento o está estacionario. Dos estrategias comunes para mejorar la medida o el rendimiento en un entorno desordenado son:

Indicación de objetivo en movimiento, que integra pulsos sucesivos
Procesamiento Doppler, que utiliza filtros para separar el desorden de las señales deseables

La técnica de reducción de ecos parásitos más eficaz es el radar Doppler de pulsos. Doppler separa el desorden de las aeronaves y las naves espaciales utilizando un espectro de frecuencia, por lo que las señales individuales pueden separarse de múltiples reflectores ubicados en el mismo volumen utilizando diferencias de velocidad. Esto requiere un transmisor coherente. Otra técnica utiliza un indicador de objetivo en movimiento que resta la señal recibida de dos pulsos sucesivos utilizando la fase para reducir las señales de los objetos que se mueven lentamente. Esto se puede adaptar para sistemas que carecen de un transmisor coherente, como el radar de amplitud de pulso en el dominio del tiempo.

La tasa constante de falsas alarmas, una forma de control automático de ganancia (AGC), es un método que se basa en los retornos de ecos parásitos que superan en número a los ecos de los objetivos de interés. La ganancia del receptor se ajusta automáticamente para mantener un nivel constante de ruido general visible. Si bien esto no ayuda a detectar objetivos enmascarados por un desorden circundante más fuerte, sí ayuda a distinguir fuentes de objetivos fuertes. En el pasado, el radar AGC se controlaba electrónicamente y afectaba la ganancia de todo el receptor del radar. A medida que evolucionaron los radares, el AGC se volvió controlado por software de computadora y afectó la ganancia con mayor granularidad en celdas de detección específicas.

Los ecos parásitos también pueden originarse a partir de ecos de trayectos múltiples de objetivos válidos causados por reflexión en el suelo, conductos atmosféricos o reflexión/refracción ionosférica (p. ej., propagación anómala). Este tipo de ecos parásitos es especialmente molesto porque parece moverse y comportarse como otros objetivos normales (puntuales) de interés. En un escenario típico, el eco de un avión se refleja desde el suelo, apareciendo para el receptor como un objetivo idéntico debajo del objetivo correcto. El radar puede intentar unificar los objetivos, informando el objetivo a una altura incorrecta o eliminándolo en base a la inestabilidad o una imposibilidad física. La interferencia del rebote del terreno explota esta respuesta al amplificar la señal del radar y dirigirla hacia abajo.Estos problemas pueden superarse incorporando un mapa terrestre de los alrededores del radar y eliminando todos los ecos que parecen originarse bajo tierra o por encima de cierta altura. El monopulso se puede mejorar modificando el algoritmo de elevación utilizado a baja altura. En los equipos de radar de control de tráfico aéreo más nuevos, se utilizan algoritmos para identificar los objetivos falsos comparando los retornos de pulso actuales con los adyacentes, así como calculando las improbabilidades de retorno.

Interferencia

La interferencia de radar se refiere a las señales de radiofrecuencia que se originan en fuentes fuera del radar, que se transmiten en la frecuencia del radar y, por lo tanto, enmascaran los objetivos de interés. La interferencia puede ser intencional, como con una táctica de guerra electrónica, o no intencional, como con fuerzas amigas que operan equipos que transmiten utilizando el mismo rango de frecuencia. La interferencia se considera una fuente de interferencia activa, ya que es iniciada por elementos externos al radar y, en general, ajenos a las señales del radar.

La interferencia es problemática para el radar, ya que la señal de interferencia solo necesita viajar en una dirección (desde el bloqueador hasta el receptor del radar), mientras que los ecos del radar viajan en dos direcciones (radar-objetivo-radar) y, por lo tanto, su potencia se reduce significativamente cuando regresan. al receptor de radar de acuerdo con la ley del cuadrado inverso. Por lo tanto, los bloqueadores pueden ser mucho menos potentes que sus radares bloqueados y aun así enmascaran de manera efectiva los objetivos a lo largo de la línea de visión desde el bloqueador hasta el radar (bloqueo del lóbulo principal). Los bloqueadores tienen el efecto adicional de afectar los radares a lo largo de otras líneas de visión a través de los lóbulos laterales del receptor de radar (bloqueo de lóbulos laterales).

La interferencia del lóbulo principal generalmente solo se puede reducir al estrechar el ángulo sólido del lóbulo principal y no se puede eliminar por completo cuando se enfrenta directamente a una interferencia que usa la misma frecuencia y polarización que el radar. La interferencia del lóbulo lateral se puede superar reduciendo los lóbulos laterales de recepción en el diseño de la antena del radar y utilizando una antena omnidireccional para detectar y descartar las señales que no son del lóbulo principal. Otras técnicas antiinterferencias son el salto de frecuencia y la polarización.

Procesamiento de señales de radar

Medida de distancia

Tiempo de transito

Una forma de obtener una medición de distancia se basa en el tiempo de vuelo: transmita un pulso corto de señal de radio (radiación electromagnética) y mida el tiempo que tarda el reflejo en regresar. La distancia es la mitad del tiempo de ida y vuelta multiplicado por la velocidad de la señal. El factor de la mitad proviene del hecho de que la señal tiene que viajar al objeto y regresar. Dado que las ondas de radio viajan a la velocidad de la luz, la medición precisa de la distancia requiere una electrónica de alta velocidad. En la mayoría de los casos, el receptor no detecta el retorno mientras se transmite la señal. Mediante el uso de un duplexor, el radar cambia entre transmitir y recibir a una velocidad predeterminada. Un efecto similar impone también un alcance máximo. Para maximizar el rango, se deben usar tiempos más largos entre pulsos,

Estos dos efectos tienden a estar en desacuerdo entre sí, y no es fácil combinar un buen alcance de corto y largo alcance en un solo radar. Esto se debe a que los pulsos cortos necesarios para una buena transmisión de rango mínimo tienen menos energía total, lo que hace que los retornos sean mucho más pequeños y que el objetivo sea más difícil de detectar. Esto podría compensarse usando más pulsos, pero esto acortaría el rango máximo. Entonces, cada radar usa un tipo particular de señal. Los radares de largo alcance tienden a usar pulsos largos con largos retrasos entre ellos, y los radares de corto alcance usan pulsos más pequeños con menos tiempo entre ellos. Como la electrónica ha mejorado, muchos radares ahora pueden cambiar su frecuencia de repetición de pulso, cambiando así su rango. Los radares más nuevos disparan dos pulsos durante una celda, uno de corto alcance (alrededor de 10 km (6.

La distancia también se puede medir en función del tiempo. La milla de radar es el tiempo que tarda un pulso de radar en viajar una milla náutica, reflejarse en un objetivo y regresar a la antena del radar. Dado que una milla náutica se define como 1.852 m, dividiendo esta distancia por la velocidad de la luz (299.792.458 m/s), y luego multiplicando el resultado por 2, se obtiene un resultado de 12,36 μs de duración.

Modulación de frecuencia

Otra forma de radar de medición de distancia se basa en la modulación de frecuencia. En estos sistemas, la frecuencia de la señal transmitida cambia con el tiempo. Dado que la señal tarda un tiempo finito en viajar hacia y desde el objetivo, la señal recibida tiene una frecuencia diferente a la que transmite el transmisor en el momento en que la señal reflejada regresa al radar. Al comparar la frecuencia de las dos señales, la diferencia se puede medir fácilmente. Esto se logra fácilmente con una precisión muy alta incluso en la electrónica de la década de 1940. Otra ventaja es que el radar puede funcionar de forma eficaz a frecuencias relativamente bajas. Esto fue importante en el desarrollo temprano de este tipo cuando la generación de señales de alta frecuencia era difícil o costosa.

Esta técnica se puede utilizar en radares de onda continua y se encuentra a menudo en altímetros de radar de aeronaves. En estos sistemas, una señal de radar "portadora" se modula en frecuencia de una manera predecible, típicamente variando hacia arriba y hacia abajo con una onda sinusoidal o un patrón de diente de sierra en las frecuencias de audio. Luego, la señal se envía desde una antena y se recibe en otra, generalmente ubicada en la parte inferior de la aeronave, y la señal se puede comparar continuamente utilizando un modulador de frecuencia de pulso simple que produce un tono de frecuencia de audio a partir de la señal devuelta y una parte de la señal transmitida.

El índice de modulación que se encuentra en la señal de recepción es proporcional al tiempo de retardo entre el radar y el reflector. El cambio de frecuencia se vuelve mayor con mayor retardo de tiempo. El cambio de frecuencia es directamente proporcional a la distancia recorrida. Esa distancia se puede mostrar en un instrumento y también puede estar disponible a través del transpondedor. Este procesamiento de señal es similar al utilizado en el radar Doppler de detección de velocidad. Los sistemas de ejemplo que utilizan este enfoque son AZUSA, MISTRAM y UDOP.

El radar terrestre utiliza señales de FM de baja potencia que cubren un rango de frecuencia más amplio. Los múltiples reflejos se analizan matemáticamente en busca de cambios de patrón con múltiples pases creando una imagen sintética computarizada. Se utilizan efectos Doppler que permiten detectar objetos de movimiento lento y eliminar en gran medida el "ruido" de las superficies de las masas de agua.

Compresión de pulso

Las dos técnicas descritas anteriormente tienen sus desventajas. La técnica de sincronización de pulsos tiene una compensación inherente en el sentido de que la precisión de la medición de la distancia está inversamente relacionada con la longitud del pulso, mientras que la energía y, por lo tanto, el rango de dirección, están directamente relacionados. Aumentar la potencia para un alcance más largo mientras se mantiene la precisión exige una potencia máxima extremadamente alta, con los radares de alerta temprana de la década de 1960 que a menudo operan en decenas de megavatios. Los métodos de onda continua distribuyen esta energía en el tiempo y, por lo tanto, requieren una potencia máxima mucho menor en comparación con las técnicas de pulso, pero requieren algún método que permita que las señales enviadas y recibidas operen al mismo tiempo, lo que a menudo exige dos antenas separadas.

La introducción de nueva electrónica en la década de 1960 permitió combinar las dos técnicas. Comienza con un pulso más largo que también está modulado en frecuencia. Distribuir la energía de transmisión en el tiempo significa que se pueden usar energías pico más bajas, con ejemplos modernos típicamente del orden de decenas de kilovatios. En la recepción, la señal se envía a un sistema que retrasa diferentes frecuencias en diferentes tiempos. La salida resultante es un pulso mucho más corto que es adecuado para la medición precisa de la distancia, mientras que también comprime la energía recibida en un pico de energía mucho más alto y, por lo tanto, reduce la relación señal-ruido. La técnica es en gran parte universal en los grandes radares modernos.

Medición de velocidad

La velocidad es el cambio en la distancia a un objeto con respecto al tiempo. Por lo tanto, el sistema existente para medir la distancia, combinado con una capacidad de memoria para ver dónde estuvo el último objetivo, es suficiente para medir la velocidad. En un momento, la memoria consistía en un usuario que hacía marcas con lápiz de grasa en la pantalla del radar y luego calculaba la velocidad usando una regla de cálculo. Los sistemas de radar modernos realizan la operación equivalente de manera más rápida y precisa utilizando computadoras.

Si la salida del transmisor es coherente (fase sincronizada), existe otro efecto que se puede utilizar para realizar mediciones de velocidad casi instantáneas (no se requiere memoria), conocido como el efecto Doppler. La mayoría de los sistemas de radar modernos utilizan este principio en los sistemas de radar Doppler y radar Doppler de pulso (radar meteorológico, radar militar). El efecto Doppler solo puede determinar la velocidad relativa del objetivo a lo largo de la línea de visión desde el radar hasta el objetivo. Cualquier componente de la velocidad del objetivo perpendicular a la línea de visión no se puede determinar utilizando solo el efecto Doppler, pero se puede determinar siguiendo el acimut del objetivo a lo largo del tiempo.

Es posible hacer un radar Doppler sin pulsos, conocido como radar de onda continua (radar CW), enviando una señal muy pura de una frecuencia conocida. El radar CW es ideal para determinar el componente radial de la velocidad de un objetivo. El radar CW se utiliza normalmente en las fuerzas del orden del tráfico para medir la velocidad del vehículo de forma rápida y precisa cuando el alcance no es importante.

Cuando se utiliza un radar pulsado, la variación entre la fase de retornos sucesivos da la distancia que el objetivo se ha movido entre pulsos, y así se puede calcular su velocidad. Otros desarrollos matemáticos en el procesamiento de señales de radar incluyen el análisis de tiempo-frecuencia (Weyl Heisenberg o wavelet), así como la transformada de chirplet que utiliza el cambio de frecuencia de los retornos de objetivos en movimiento ("chirp").

Procesamiento de señales de pulso-Doppler

El procesamiento de la señal de pulso-Doppler incluye filtrado de frecuencia en el proceso de detección. El espacio entre cada pulso de transmisión se divide en celdas de rango o puertas de rango. Cada celda se filtra de forma independiente como el proceso utilizado por un analizador de espectro para producir la pantalla que muestra diferentes frecuencias. Cada distancia diferente produce un espectro diferente. Estos espectros se utilizan para realizar el proceso de detección. Esto es necesario para lograr un rendimiento aceptable en entornos hostiles relacionados con el clima, el terreno y contramedidas electrónicas.

El propósito principal es medir tanto la amplitud como la frecuencia de la señal reflejada agregada desde múltiples distancias. Esto se utiliza con el radar meteorológico para medir la velocidad del viento radial y la tasa de precipitación en cada volumen de aire diferente. Esto está vinculado con los sistemas informáticos para producir un mapa meteorológico electrónico en tiempo real. La seguridad de las aeronaves depende del acceso continuo a información precisa del radar meteorológico que se utiliza para prevenir lesiones y accidentes. El radar meteorológico utiliza un PRF bajo. Los requisitos de coherencia no son tan estrictos como los de los sistemas militares porque normalmente no es necesario separar las señales individuales. Se requiere un filtrado menos sofisticado, y el procesamiento de ambigüedad de rango normalmente no es necesario con el radar meteorológico en comparación con el radar militar destinado a rastrear vehículos aéreos.

El propósito alternativo es la capacidad de "mirar hacia abajo/derribar" requerida para mejorar la capacidad de supervivencia del combate aéreo militar. Pulse-Doppler también se utiliza para el radar de vigilancia terrestre necesario para defender al personal y los vehículos.El procesamiento de señales de pulso Doppler aumenta la distancia máxima de detección utilizando menos radiación en las proximidades de los pilotos de aeronaves, el personal a bordo, la infantería y la artillería. Los reflejos del terreno, el agua y el clima producen señales mucho más grandes que los aviones y los misiles, lo que permite que los vehículos que se mueven rápidamente se escondan utilizando técnicas de vuelo siesta y tecnología sigilosa para evitar la detección hasta que un vehículo de ataque esté demasiado cerca para destruirlo. El procesamiento de la señal Pulse-Doppler incorpora un filtrado electrónico más sofisticado que elimina de manera segura este tipo de debilidad. Esto requiere el uso de una frecuencia de repetición de pulsos media con hardware de fase coherente que tenga un gran rango dinámico. Las aplicaciones militares requieren un PRF medio que evita que el alcance se determine directamente, y se requiere procesamiento de resolución de ambigüedad de rango para identificar el rango real de todas las señales reflejadas. El movimiento radial generalmente está vinculado con la frecuencia Doppler para producir una señal de bloqueo que no pueden producir las señales de interferencia del radar. El procesamiento de señales Pulse-Doppler también produce señales audibles que se pueden usar para la identificación de amenazas.

Reducción de los efectos de interferencia

El procesamiento de señales se emplea en los sistemas de radar para reducir los efectos de interferencia del radar. Las técnicas de procesamiento de señales incluyen la indicación de objetivos en movimiento, el procesamiento de señales de pulso Doppler, los procesadores de detección de objetivos en movimiento, la correlación con objetivos de radar de vigilancia secundarios, el procesamiento adaptativo del espacio-tiempo y el seguimiento antes de la detección. La tasa constante de falsas alarmas y el procesamiento del modelo digital del terreno también se utilizan en entornos desordenados.

Extracción de parcelas y pistas

Un algoritmo de seguimiento es una estrategia de mejora del rendimiento del radar. Los algoritmos de seguimiento brindan la capacidad de predecir la posición futura de múltiples objetos en movimiento en función del historial de las posiciones individuales que informan los sistemas de sensores.

La información histórica se acumula y se utiliza para predecir la posición futura para su uso con el control del tráfico aéreo, la estimación de amenazas, la doctrina del sistema de combate, la puntería de armas y la guía de misiles. Los datos de posición se acumulan mediante sensores de radar en el lapso de unos pocos minutos.

Hay cuatro algoritmos de seguimiento comunes.

Algoritmo de vecino más cercano
Asociación de datos probabilísticos
Seguimiento de hipótesis múltiples
Modelo Múltiple Interactivo (IMM)

Los retornos de video de radar de las aeronaves pueden someterse a un proceso de extracción de gráficos mediante el cual se descartan las señales espurias e interferentes. Una secuencia de retornos de objetivos se puede monitorear a través de un dispositivo conocido como extractor de gráficos.

Los rendimientos en tiempo real no relevantes se pueden eliminar de la información mostrada y mostrar un solo gráfico. En algunos sistemas de radar, o alternativamente en el sistema de mando y control al que está conectado el radar, se utiliza un rastreador de radar para asociar la secuencia de parcelas pertenecientes a objetivos individuales y estimar los rumbos y velocidades de los objetivos.

Ingeniería

Los componentes de un radar son:

Un transmisor que genera la señal de radio con un oscilador como un klistrón o un magnetrón y controla su duración mediante un modulador.
Una guía de ondas que une el transmisor y la antena.
Duplexor que sirve como conmutador entre la antena y el transmisor o el receptor de la señal cuando se utiliza la antena en ambas situaciones.
un receptor Conociendo la forma de la señal recibida deseada (un pulso), se puede diseñar un receptor óptimo utilizando un filtro adaptado.
Un procesador de pantalla para producir señales para dispositivos de salida legibles por humanos.
Una sección electrónica que controla todos esos dispositivos y la antena para realizar el escaneo radar ordenado por software.
Un enlace a los dispositivos y pantallas de los usuarios finales.

Diseño de antena

Las señales de radio transmitidas desde una sola antena se extenderán en todas las direcciones y, de la misma manera, una sola antena recibirá señales por igual de todas las direcciones. Esto deja al radar con el problema de decidir dónde se encuentra el objeto objetivo.

Los primeros sistemas tendían a utilizar antenas de transmisión omnidireccionales, con antenas receptoras direccionales que apuntaban en varias direcciones. Por ejemplo, el primer sistema que se implementó, Chain Home, utilizó dos antenas rectas en ángulo recto para la recepción, cada una en una pantalla diferente. El retorno máximo se detectaría con una antena en ángulo recto con el objetivo, y un mínimo con la antena apuntando directamente hacia él (extremo encendido). El operador podía determinar la dirección hacia un objetivo girando la antena de modo que una pantalla mostrara un máximo mientras que la otra mostraba un mínimo. Una seria limitación con este tipo de solución es que la transmisión se envía en todas las direcciones, por lo que la cantidad de energía en la dirección que se examina es una pequeña parte de la que se transmite. Para obtener una cantidad razonable de energía en el "objetivo",

Reflector parabólico

Los sistemas más modernos utilizan un "disco" parabólico orientable para crear un haz de transmisión ajustado, normalmente utilizando el mismo plato que el receptor. Dichos sistemas a menudo combinan dos frecuencias de radar en la misma antena para permitir la dirección automática o el bloqueo del radar.

Los reflectores parabólicos pueden ser parábolas simétricas o parábolas estropeadas: las antenas parabólicas simétricas producen un haz de "lápiz" estrecho en las dimensiones X e Y y, en consecuencia, tienen una mayor ganancia. El radar meteorológico NEXRAD Pulse-Doppler utiliza una antena simétrica para realizar escaneos volumétricos detallados de la atmósfera. Las antenas parabólicas estropeadas producen un haz estrecho en una dimensión y un haz relativamente ancho en la otra. Esta característica es útil si la detección de objetivos en una amplia gama de ángulos es más importante que la ubicación del objetivo en tres dimensiones. La mayoría de los radares de vigilancia 2D utilizan una antena parabólica estropeada con un ancho de haz azimutal estrecho y un ancho de haz vertical amplio. Esta configuración de haz permite al operador del radar detectar una aeronave en un azimut específico pero a una altura indeterminada. Por el contrario, los llamados "

Tipos de escaneo

Barrido primario: una técnica de barrido en la que la antena de la antena principal se mueve para producir un haz de barrido; los ejemplos incluyen barrido circular, barrido sectorial, etc.
Barrido secundario: una técnica de barrido en la que la alimentación de la antena se mueve para producir un haz de barrido; los ejemplos incluyen barrido cónico, barrido de sector unidireccional, conmutación de lóbulos, etc.
Palmer Scan: Una técnica de exploración que produce un haz de exploración moviendo la antena principal y su alimentación. Un escaneo Palmer es una combinación de un escaneo primario y un escaneo secundario.
Escaneo cónico: el haz del radar gira en un pequeño círculo alrededor del eje de "punto de mira", que apunta al objetivo.

Guía de onda ranurada

Aplicada de manera similar al reflector parabólico, la guía de onda ranurada se mueve mecánicamente para escanear y es particularmente adecuada para sistemas de escaneo de superficie sin seguimiento, donde el patrón vertical puede permanecer constante. Debido a su menor costo y menor exposición al viento, los radares de vigilancia a bordo, en la superficie del aeropuerto y en el puerto ahora utilizan este enfoque en lugar de una antena parabólica.

Matriz en fase

Otro método de dirección se utiliza en un radar de matriz en fase.

Las antenas de matriz en fase se componen de elementos de antena similares espaciados uniformemente, como antenas o filas de guías de ondas ranuradas. Cada elemento de antena o grupo de elementos de antena incorpora un cambio de fase discreto que produce un gradiente de fase a lo largo de la matriz. Por ejemplo, los elementos del arreglo que producen un cambio de fase de 5 grados para cada longitud de onda a lo largo de la cara del arreglo producirán un haz apuntado a 5 grados de la línea central perpendicular a la cara del arreglo. Se reforzarán las señales que viajen a lo largo de ese haz. Las señales desplazadas de ese haz serán canceladas. La cantidad de refuerzo es la ganancia de antena. La cantidad de cancelación es la supresión del lóbulo lateral.

Los radares de matriz en fase se han utilizado desde los primeros años del radar en la Segunda Guerra Mundial (radar Mammut), pero las limitaciones de los dispositivos electrónicos provocaron un rendimiento deficiente. Los radares de matriz en fase se utilizaron originalmente para la defensa antimisiles (ver, por ejemplo, el Programa de salvaguardia). Son el corazón del Sistema de Combate Aegis embarcado y del Sistema de Misiles Patriot. La redundancia masiva asociada con tener una gran cantidad de elementos de matriz aumenta la confiabilidad a expensas de la degradación gradual del rendimiento que ocurre cuando fallan los elementos de fase individuales. En menor medida, los radares de matriz en fase se han utilizado en la vigilancia meteorológica. A partir de 2017, la NOAA planea implementar una red nacional de radares de matriz en fase multifunción en todo Estados Unidos dentro de 10 años, para estudios meteorológicos y monitoreo de vuelos.

Las antenas de matriz en fase se pueden construir para adaptarse a formas específicas, como misiles, vehículos de apoyo de infantería, barcos y aviones.

A medida que el precio de la electrónica ha caído, los radares de matriz en fase se han vuelto más comunes. Casi todos los sistemas de radar militares modernos se basan en conjuntos en fase, donde el pequeño costo adicional se compensa con la confiabilidad mejorada de un sistema sin partes móviles. Los diseños tradicionales de antena móvil todavía se usan ampliamente en funciones en las que el costo es un factor importante, como la vigilancia del tráfico aéreo y sistemas similares.

Los radares de matriz en fase se valoran para su uso en aeronaves, ya que pueden rastrear múltiples objetivos. El primer avión en utilizar un radar de matriz en fase fue el B-1B Lancer. El primer avión de combate en utilizar un radar de matriz en fase fue el Mikoyan MiG-31. El radar de matriz de barrido electrónico pasivo SBI-16 Zaslon del MiG-31M se consideraba el radar de combate más potente del mundo, hasta que se introdujo la matriz de barrido electrónico activo AN/APG-77 en el Lockheed Martin F-22 Raptor.

La interferometría de matriz en fase o las técnicas de síntesis de apertura, que utilizan una matriz de platos separados que se escalonan en una sola apertura efectiva, no son típicas para aplicaciones de radar, aunque se utilizan ampliamente en radioastronomía. Debido a la maldición de la matriz adelgazada, tales matrices de apertura múltiple, cuando se usan en transmisores, dan como resultado haces estrechos a expensas de reducir la potencia total transmitida al objetivo. En principio, tales técnicas podrían aumentar la resolución espacial, pero la menor potencia significa que esto generalmente no es efectivo.

La síntesis de apertura mediante el posprocesamiento de datos de movimiento de una sola fuente en movimiento, por otro lado, se usa ampliamente en sistemas de radar aerotransportados y espaciales.

Bandas de frecuencia

Las antenas generalmente deben tener un tamaño similar a la longitud de onda de la frecuencia operativa, normalmente dentro de un orden de magnitud. Esto proporciona un fuerte incentivo para usar longitudes de onda más cortas, ya que esto dará como resultado antenas más pequeñas. Las longitudes de onda más cortas también dan como resultado una resolución más alta debido a la difracción, lo que significa que el reflector con forma que se ve en la mayoría de los radares también se puede hacer más pequeño para cualquier ancho de haz deseado.

Oponerse al paso a longitudes de onda más pequeñas es una serie de cuestiones prácticas. Por un lado, la electrónica necesaria para producir longitudes de onda muy cortas de alta potencia era generalmente más compleja y costosa que la electrónica necesaria para longitudes de onda más largas o no existía en absoluto. Otro problema es que la cifra de apertura efectiva de la ecuación del radar significa que para cualquier tamaño de antena (o reflector) será más eficiente en longitudes de onda más largas. Además, las longitudes de onda más cortas pueden interactuar con moléculas o gotas de lluvia en el aire, dispersando la señal. Las longitudes de onda muy largas también tienen efectos de difracción adicionales que las hacen adecuadas para los radares sobre el horizonte. Por esta razón, se utiliza una amplia variedad de longitudes de onda en diferentes funciones.

Los nombres de bandas tradicionales se originaron como nombres en clave durante la Segunda Guerra Mundial y todavía se usan en el ejército y la aviación en todo el mundo. Han sido adoptados en los Estados Unidos por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos e internacionalmente por la Unión Internacional de Telecomunicaciones. La mayoría de los países tienen regulaciones adicionales para controlar qué partes de cada banda están disponibles para uso civil o militar.

Otros usuarios del espectro radioeléctrico, como las industrias de radiodifusión y contramedidas electrónicas, han reemplazado las designaciones militares tradicionales con sus propios sistemas.

Nombre de banda	Rango de frecuencia	Rango de onda	notas
AF	3–30 MHz	10–100 m	Sistemas de radar costero, radares sobre el horizonte (OTH); 'alta frecuencia'
ondas métricas	30–300 MHz	1-10 metros	Alcance muy largo, penetración en el suelo; 'muy alta frecuencia'. Los primeros sistemas de radar generalmente operaban en VHF ya que ya se había desarrollado la electrónica adecuada para la transmisión de radio. Hoy en día, esta banda está muy congestionada y ya no es adecuada para el radar debido a la interferencia.
PAGS	< 300 MHz	> 1 metro	'P' de 'anterior', aplicado retrospectivamente a los primeros sistemas de radar; esencialmente HF + VHF. A menudo se utiliza para la detección remota debido a la buena penetración de la vegetación.
frecuencia ultraelevada	300–1000 MHz	0,3–1 metro	Alcance muy largo (por ejemplo, alerta temprana de misiles balísticos), penetración en el suelo, penetración en el follaje; 'Frecuencia ultra alta'. Se producen y reciben de manera eficiente a niveles de energía muy altos, y también reducen los efectos del apagón nuclear, lo que los hace útiles en la función de detección de misiles.
L	1–2 GHz	15–30 cm	Control y vigilancia del tráfico aéreo de largo alcance; 'L' por 'largo'. Ampliamente utilizado para radares de alerta temprana de largo alcance, ya que combinan buenas cualidades de recepción con una resolución razonable.
S	2–4 GHz	7,5–15 cm	Vigilancia de alcance moderado, control de tráfico aéreo terminal, tiempo de largo alcance, radar marino; 'S' de 'sentimetric', su nombre en clave durante la Segunda Guerra Mundial. Menos eficientes que L, pero ofrecen una resolución más alta, lo que los hace especialmente adecuados para tareas de intercepción controlada desde tierra de largo alcance.
C	4–8 GHz	3,75–7,5 cm	transpondedores de satélite; un compromiso (de ahí 'C') entre las bandas X y S; clima; seguimiento de largo alcance
X	8–12 GHz	2,5–3,75 cm	Guiado de misiles, radar marino, meteorología, cartografía de resolución media y vigilancia terrestre; en los Estados Unidos, el rango estrecho de 10,525 GHz ±25 MHz se utiliza para el radar de aeropuerto; seguimiento de corto alcance. Llamada banda X porque la frecuencia era un secreto durante la Segunda Guerra Mundial. La difracción de las gotas de lluvia durante las lluvias intensas limita el rango en el rol de detección y lo hace adecuado solo para roles de corto alcance o aquellos que detectan lluvia deliberadamente.
k	18–24 GHz	1,11–1,67 cm	Del alemán kurz, que significa 'corto'. Uso limitado debido a la absorción por vapor de agua a 22 GHz, por lo que K _u y K _a en ambos lados se usan para vigilancia. La banda K se utiliza para detectar nubes por meteorólogos y por la policía para detectar automovilistas a alta velocidad. Las pistolas de radar de banda K funcionan a 24,150 ± 0,100 GHz.
k _tu	12–18 GHz	1,67–2,5 cm	Alta resolución, también utilizada para transpondedores de satélite, frecuencia por debajo de la banda K (de ahí 'u')
Ka _{_}	24–40 GHz	0,75–1,11 cm	Cartografía, corto alcance, vigilancia de aeropuertos; frecuencia justo por encima de la banda K (de ahí 'a') El radar fotográfico, que se utiliza para disparar cámaras que toman fotografías de las matrículas de los automóviles que se pasan los semáforos en rojo, funciona a 34,300 ± 0,100 GHz.
milímetro	40–300 GHz	1,0–7,5 mm	Banda milimétrica, subdividida como se muestra a continuación. El oxígeno en el aire es un atenuador extremadamente efectivo alrededor de 60 GHz, al igual que otras moléculas en otras frecuencias, lo que lleva a la llamada ventana de propagación a 94 GHz. Incluso en esta ventana la atenuación es mayor que la debida al agua a 22,2 GHz. Esto hace que estas frecuencias sean generalmente útiles solo para radares altamente específicos de corto alcance, como sistemas para evitar líneas eléctricas para helicópteros o uso en el espacio donde la atenuación no es un problema. Diferentes grupos asignan varias letras a estas bandas. Estos son de Baytron, una empresa ya desaparecida que fabricaba equipos de prueba.
V	40–75 GHz	4,0–7,5 mm	Muy fuertemente absorbido por el oxígeno atmosférico, que resuena a 60 GHz.
W	75–110 GHz	2,7–4,0 mm	Se utiliza como sensor visual para vehículos autónomos experimentales, observación meteorológica de alta resolución e imágenes.

Moduladores

Los moduladores actúan para proporcionar la forma de onda del pulso de RF. Hay dos diseños diferentes de moduladores de radar:

Conmutador de alto voltaje para osciladores de potencia con clave no coherente Estos moduladores constan de un generador de pulsos de alto voltaje formado a partir de un suministro de alto voltaje, una red de formación de pulsos y un conmutador de alto voltaje como un tiratrón. Generan pulsos cortos de energía para alimentar, por ejemplo, el magnetrón, un tipo especial de tubo de vacío que convierte la CC (generalmente pulsada) en microondas. Esta tecnología se conoce como potencia pulsada. De esta manera, el pulso transmitido de radiación RF se mantiene en una duración definida y generalmente muy corta.
Mezcladores híbridos, alimentados por un generador de forma de onda y un excitador para una forma de onda compleja pero coherente. Esta forma de onda puede ser generada por señales de entrada de baja potencia/bajo voltaje. En este caso, el transmisor de radar debe ser un amplificador de potencia, por ejemplo, un klystron o un transmisor de estado sólido. De esta forma, el pulso transmitido se modula intrapulso y el receptor de radar debe utilizar técnicas de compresión de pulso.

Refrigerante

Los amplificadores de microondas coherentes que funcionan por encima de los 1000 vatios de salida de microondas, como los tubos de ondas viajeras y los klistrones, requieren refrigerante líquido. El haz de electrones debe contener de 5 a 10 veces más potencia que la salida de microondas, que puede producir suficiente calor para generar plasma. Este plasma fluye desde el colector hacia el cátodo. El mismo enfoque magnético que guía el haz de electrones fuerza al plasma en el camino del haz de electrones pero fluyendo en la dirección opuesta. Esto introduce modulación FM que degrada el rendimiento Doppler. Para evitar esto, se requiere refrigerante líquido con presión y caudal mínimos, y normalmente se usa agua desionizada en la mayoría de los sistemas de radar de superficie de alta potencia que utilizan procesamiento Doppler.

Coolanol (éster de silicato) se utilizó en varios radares militares en la década de 1970. Sin embargo, es higroscópico, lo que lleva a la hidrólisis y formación de alcohol altamente inflamable. La pérdida de un avión de la Marina de los EE. UU. en 1978 se atribuyó a un incendio de éster de silicato. Coolanol también es caro y tóxico. La Marina de los EE. UU. ha instituido un programa llamado Prevención de la Contaminación (P2) para eliminar o reducir el volumen y la toxicidad de los desechos, las emisiones al aire y las descargas de efluentes. Debido a esto, Coolanol se usa con menos frecuencia hoy en día.

Reglamento

El radar (también: RADAR) se define en el artículo 1.100 del Reglamento de Radiocomunicaciones (RR) de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) como:

Sistema de radiodeterminación basado en la comparación de señales de referencia con señales de radio reflejadas o retransmitidas desde la posición a determinar. Cada sistema de radiodeterminación se clasificará según el servicio de radiocomunicaciones en el que opere de forma permanente o temporal. Las utilizaciones típicas del radar son el radar primario y el radar secundario, que pueden funcionar en el servicio de radiolocalización o en el servicio de radiolocalización por satélite.

Configuraciones

Los radares vienen en una variedad de configuraciones en el emisor, el receptor, la antena, la longitud de onda, las estrategias de exploración, etc.

Radar biestático
Radar de onda continua
radar doppler
radar fm-cw
radar monopulso
Radar pasivo
Radar de matriz plana
Pulso doppler
Radar de Apertura Sintética
- Radar de apertura sintéticamente adelgazada
Radar sobre el horizonte con transmisor Chirp

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