Radar

antena de radar de longo alcance, usada para rastrear objetos espaciais e mísseis balísticos

Radar do tipo usado para detecção de aeronaves. Ele gira firmemente, varrendo o espaço aéreo com um feixe estreito.

Radar é um sistema de radiolocalização que usa ondas de rádio para determinar a distância (variação), ângulo (azimute) e velocidade radial de objetos em relação ao local. Ele é usado para detectar e rastrear aeronaves, navios, espaçonaves, mísseis guiados e veículos motorizados, além de mapear formações meteorológicas e terrenos. Um sistema de radar consiste em um transmissor que produz ondas eletromagnéticas no domínio do rádio ou das micro-ondas, uma antena transmissora, uma antena receptora (muitas vezes a mesma antena é usada para transmitir e receber) e um receptor e processador para determinar as propriedades dos objetos. As ondas de rádio (pulsadas ou contínuas) do transmissor refletem nos objetos e retornam ao receptor, fornecendo informações sobre a localização dos objetos. locais e velocidades.

O radar foi desenvolvido secretamente para uso militar por vários países no período anterior e durante a Segunda Guerra Mundial. Um desenvolvimento importante foi o magnetron de cavidade no Reino Unido, que permitiu a criação de sistemas relativamente pequenos com resolução submétrica. O termo RADAR foi cunhado em 1940 pela Marinha dos Estados Unidos como um acrônimo para detecção de rádio e alcance. O termo radar desde então entrou no inglês e em outros idiomas como um substantivo comum, perdendo todas as letras maiúsculas.

Os usos modernos do radar são altamente diversos, incluindo controle de tráfego aéreo e terrestre, radar astronômico, sistemas de defesa aérea, sistemas antimísseis, radares marítimos para localizar marcos e outros navios, sistemas anticolisão de aeronaves, sistemas de vigilância oceânica, vigilância espacial e sistemas de encontro, monitoramento de precipitação meteorológica, altimetria e sistemas de controle de vôo, sistemas de localização de alvos de mísseis guiados, carros autônomos e radar de penetração no solo para observações geológicas. Os modernos sistemas de radar de alta tecnologia usam processamento de sinal digital e aprendizado de máquina e são capazes de extrair informações úteis de níveis de ruído muito altos.

Outros sistemas semelhantes ao radar utilizam outras partes do espectro eletromagnético. Um exemplo é o lidar, que usa predominantemente luz infravermelha de lasers em vez de ondas de rádio. Com o surgimento de veículos sem motorista, espera-se que o radar auxilie a plataforma automatizada a monitorar seu ambiente, evitando assim incidentes indesejados.

História

Primeiros experimentos

Já em 1886, o físico alemão Heinrich Hertz mostrou que as ondas de rádio podiam ser refletidas de objetos sólidos. Em 1895, Alexander Popov, um instrutor de física na escola da Marinha Imperial Russa em Kronstadt, desenvolveu um aparelho usando um tubo coerente para detectar raios distantes. No ano seguinte, ele adicionou um transmissor centelhador. Em 1897, ao testar esse equipamento de comunicação entre dois navios no mar Báltico, ele notou um batimento de interferência causado pela passagem de uma terceira embarcação. Em seu relatório, Popov escreveu que esse fenômeno poderia ser usado para detectar objetos, mas não fez mais nada com essa observação.

O inventor alemão Christian Hülsmeyer foi o primeiro a usar ondas de rádio para detectar "a presença de objetos metálicos distantes". Em 1904, ele demonstrou a viabilidade de detectar um navio em meio a um nevoeiro denso, mas não sua distância do transmissor. Ele obteve uma patente para seu dispositivo de detecção em abril de 1904 e, posteriormente, uma patente para uma emenda relacionada para estimar a distância até o navio. Ele também obteve uma patente britânica em 23 de setembro de 1904 para um sistema de radar completo, que ele chamou de telemobiloscópio. Ele operou em um comprimento de onda de 50 cm e o sinal de radar pulsado foi criado por meio de um centelhador. Seu sistema já usava a configuração clássica de antena de corneta com refletor parabólico e foi apresentado a oficiais militares alemães em testes práticos em Colônia e no porto de Roterdã, mas foi rejeitado.

Em 1915, Robert Watson-Watt usou a tecnologia de rádio para fornecer aviso prévio aos aviadores e, durante a década de 1920, liderou o estabelecimento de pesquisa do Reino Unido para fazer muitos avanços usando técnicas de rádio, incluindo a sondagem da ionosfera e a detecção de raios em longas distâncias. Por meio de seus experimentos com raios, Watson-Watt tornou-se um especialista no uso de localização de direção por rádio antes de voltar sua investigação para a transmissão de ondas curtas. Exigindo um receptor adequado para tais estudos, ele disse ao "novo garoto" Arnold Frederic Wilkins para realizar uma extensa revisão das unidades de ondas curtas disponíveis. Wilkins selecionaria um modelo do General Post Office depois de observar a descrição de seu manual de um "desbotamento" efeito (o termo comum para interferência na época) quando a aeronave sobrevoava.

Do outro lado do Atlântico em 1922, depois de colocar um transmissor e um receptor em lados opostos do rio Potomac, os pesquisadores da Marinha dos EUA A. Hoyt Taylor e Leo C. Young descobriram que os navios que passavam pelo caminho do feixe faziam com que o sinal recebido desaparecesse e fora. Taylor apresentou um relatório, sugerindo que esse fenômeno poderia ser usado para detectar a presença de navios em baixa visibilidade, mas a Marinha não deu continuidade ao trabalho imediatamente. Oito anos depois, Lawrence A. Hyland, do Laboratório de Pesquisa Naval (NRL), observou efeitos de desbotamento semelhantes ao passar por aeronaves; essa revelação levou a um pedido de patente, bem como a uma proposta de pesquisa intensiva adicional sobre sinais de eco de rádio de alvos móveis a serem realizados no NRL, onde Taylor e Young trabalhavam na época.

Da mesma forma, no Reino Unido, L. S. Alder obteve uma patente provisória secreta para o radar naval em 1928. W.A.S. Butement e P. E. Pollard desenvolveram uma unidade de teste breadboard, operando a 50 cm (600 MHz) e usando modulação pulsada que deu resultados de laboratório bem-sucedidos. Em janeiro de 1931, uma descrição do aparelho foi incluída no Livro de Invenções mantido pelos Engenheiros Reais. Este é o primeiro registro oficial na Grã-Bretanha da tecnologia que foi usada na defesa costeira e foi incorporada ao Chain Home como Chain Home (baixo).

Antes da Segunda Guerra Mundial

Antena de radar experimental, Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA, Anacostia, D. C., do final da década de 1930 (foto tomada em 1945)

Antes da Segunda Guerra Mundial, pesquisadores no Reino Unido, França, Alemanha, Itália, Japão, Holanda, União Soviética e Estados Unidos, de forma independente e em grande sigilo, desenvolveram tecnologias que levaram à versão moderna do radar. Austrália, Canadá, Nova Zelândia e África do Sul seguiram o desenvolvimento do radar da Grã-Bretanha antes da guerra, e a Hungria gerou sua tecnologia de radar durante a guerra.

Na França, em 1934, após estudos sistemáticos sobre o magnetron de ânodo dividido, o ramo de pesquisa da Compagnie générale de la télégraphie sans fil (CSF) liderado por Maurice Ponte com Henri Gutton, Sylvain Berline e M. Hugon, começou a desenvolver um aparelho de rádio localizador de obstáculos, alguns dos quais foram instalados no transatlântico Normandie em 1935.

Durante o mesmo período, o engenheiro militar soviético P.K. Oshchepkov, em colaboração com o Instituto Eletrotécnico de Leningrado, produziu um aparato experimental, RAPID, capaz de detectar uma aeronave a até 3 km de um receptor. Os soviéticos produziram seus primeiros radares de produção em massa RUS-1 e RUS-2 Redut em 1939, mas o desenvolvimento foi retardado após a prisão de Oshchepkov e sua subsequente sentença no gulag. No total, apenas 607 estações Redut foram produzidas durante a guerra. O primeiro radar aerotransportado russo, Gneiss-2, entrou em serviço em junho de 1943 em bombardeiros de mergulho Pe-2. Mais de 230 estações Gneiss-2 foram produzidas até o final de 1944. Os sistemas francês e soviético, no entanto, apresentavam operação de onda contínua que não fornecia o desempenho total sinônimo de sistemas de radar modernos.

O radar completo evoluiu como um sistema pulsado, e o primeiro aparato elementar foi demonstrado em dezembro de 1934 pelo americano Robert M. Page, trabalhando no Laboratório de Pesquisa Naval. No ano seguinte, o Exército dos Estados Unidos testou com sucesso um radar superfície-a-superfície primitivo para apontar holofotes de bateria costeira à noite. Esse projeto foi seguido por um sistema pulsado demonstrado em maio de 1935 por Rudolf Kühnhold e a empresa GEMA [de] na Alemanha e depois outro em junho de 1935 por uma equipe do Ministério da Aeronáutica liderada por Robert Watson-Watt na Grã-Bretanha.

A primeira unidade funcional construída por Robert Watson-Watt e sua equipe

Em 1935, Watson-Watt foi solicitado a julgar relatórios recentes de um raio mortal baseado em rádio alemão e entregou o pedido a Wilkins. Wilkins retornou um conjunto de cálculos demonstrando que o sistema era basicamente impossível. Quando Watson-Watt perguntou o que tal sistema poderia fazer, Wilkins relembrou o relatório anterior sobre aeronaves causando interferência de rádio. Essa revelação levou ao Daventry Experiment de 26 de fevereiro de 1935, usando um poderoso transmissor de ondas curtas da BBC como fonte e seu receptor GPO configurado em um campo enquanto um bombardeiro voava pelo local. Quando o avião foi claramente detectado, Hugh Dowding, o Air Member for Supply and Research ficou muito impressionado com o potencial de seu sistema e os fundos foram imediatamente fornecidos para um maior desenvolvimento operacional. A equipe de Watson-Watt patenteou o dispositivo em GB593017.

A Chain Home tower in Great Baddow, Essex, Reino Unido

Placa memorial comemorativa Robert Watson-Watt e Arnold Wilkins

O desenvolvimento do radar se expandiu muito em 1º de setembro de 1936, quando Watson-Watt se tornou superintendente de um novo estabelecimento sob o Ministério da Aeronáutica britânica, a Estação de Pesquisa Bawdsey localizada em Bawdsey Manor, perto de Felixstowe, Suffolk. O trabalho resultou no projeto e instalação de estações de detecção e rastreamento de aeronaves chamadas "Chain Home" ao longo das costas leste e sul da Inglaterra em tempo para a eclosão da Segunda Guerra Mundial em 1939. Este sistema forneceu as informações avançadas vitais que ajudaram a Royal Air Force a vencer a Batalha da Grã-Bretanha; sem ele, um número significativo de caças, que a Grã-Bretanha não tinha disponível, sempre precisaria estar no ar para responder rapidamente. Se a detecção de aeronaves alemãs dependesse apenas das observações de indivíduos terrestres, a Grã-Bretanha poderia ter perdido a Batalha da Grã-Bretanha. O radar fazia parte do "sistema Dowding" para coletar relatórios de aeronaves inimigas e coordenar a resposta.

Com todo o financiamento necessário e suporte de desenvolvimento, a equipe produziu sistemas de radar funcionais em 1935 e iniciou a implantação. Em 1936, os primeiros cinco sistemas Chain Home (CH) estavam operacionais e em 1940 estendiam-se por todo o Reino Unido, incluindo a Irlanda do Norte. Mesmo para os padrões da época, CH era grosseiro; em vez de transmitir e receber de uma antena apontada, CH transmitiu um sinal iluminando toda a área à sua frente e, em seguida, usou um dos localizadores de direção de rádio do próprio Watson-Watt para determinar a direção dos ecos retornados. Este fato significava que os transmissores CH tinham que ser muito mais potentes e ter antenas melhores do que os sistemas concorrentes, mas permitiu sua rápida introdução usando tecnologias existentes.

Durante a Segunda Guerra Mundial

Um desenvolvimento importante foi o magnetron de cavidade no Reino Unido, que permitiu a criação de sistemas relativamente pequenos com resolução submétrica. A Grã-Bretanha compartilhou a tecnologia com os EUA durante a Missão Tizard de 1940.

Em abril de 1940, a Popular Science mostrou um exemplo de uma unidade de radar usando a patente Watson-Watt em um artigo sobre defesa aérea. Além disso, no final de 1941, a Popular Mechanics publicou um artigo no qual um cientista americano especulava sobre o sistema de alerta precoce britânico na costa leste inglesa e chegava perto do que era e como funcionava. Watson-Watt foi enviado aos EUA em 1941 para aconselhar sobre defesa aérea após o ataque do Japão a Pearl Harbor. Alfred Lee Loomis organizou o Laboratório de Radiação secreto do MIT no Instituto de Tecnologia de Massachusetts, Cambridge, Massachusetts, que desenvolveu a tecnologia de radar de micro-ondas nos anos de 1941 a 1945. Mais tarde, em 1943, Page melhorou muito o radar com a técnica de monopulso que foi usada por muitos anos na maioria das aplicações de radar.

A guerra precipitou pesquisas para encontrar melhor resolução, mais portabilidade e mais recursos para o radar, incluindo sistemas de navegação complementares como o Oboe usado pelo Pathfinder da RAF.

Aplicativos

Antena comercial de radar marinho. A antena rotativa irradia um feixe em forma de ventilador vertical.

As informações fornecidas pelo radar incluem o rumo e o alcance (e, portanto, a posição) do objeto do scanner do radar. É, portanto, usado em muitos campos diferentes, onde a necessidade de tal posicionamento é crucial. O primeiro uso do radar foi para fins militares: localizar alvos aéreos, terrestres e marítimos. Isso evoluiu no campo civil para aplicações em aeronaves, navios e automóveis.

Na aviação, as aeronaves podem ser equipadas com dispositivos de radar que avisam sobre aeronaves ou outros obstáculos em seu caminho ou se aproximando, exibem informações meteorológicas e fornecem leituras precisas de altitude. O primeiro dispositivo comercial instalado em uma aeronave foi uma unidade Bell Lab de 1938 em algumas aeronaves da United Air Lines. Aeronaves podem pousar em meio a neblina em aeroportos equipados com sistemas de aproximação controlada por solo assistidos por radar, nos quais a posição do avião é observada em telas de radar de aproximação de precisão por operadores que, assim, dão instruções de pouso por rádio ao piloto, mantendo a aeronave em um caminho de aproximação definido para a pista. Aeronaves de caça militares geralmente são equipadas com radares de direcionamento ar-ar, para detectar e direcionar aeronaves inimigas. Além disso, aeronaves militares especializadas maiores carregam poderosos radares aerotransportados para observar o tráfego aéreo em uma ampla região e direcionar aeronaves de caça para os alvos.

Os radares marítimos são usados para medir o rumo e a distância dos navios para evitar colisões com outros navios, para navegar e para fixar sua posição no mar quando dentro do alcance da costa ou de outras referências fixas, como ilhas, bóias e navios-farol. No porto ou no porto, os sistemas de radar do serviço de tráfego de embarcações são usados para monitorar e regular os movimentos do navio em águas movimentadas.

Os meteorologistas usam radares para monitorar a precipitação e o vento. Tornou-se a principal ferramenta para previsão do tempo a curto prazo e observação de condições meteorológicas severas, como tempestades, tornados, tempestades de inverno, tipos de precipitação, etc. Os geólogos usam radares de penetração no solo especializados para mapear a composição da crosta terrestre. As forças policiais usam armas de radar para monitorar a velocidade dos veículos nas estradas. Sistemas de radar menores são usados para detectar o movimento humano. Exemplos são detecção de padrões respiratórios para monitoramento do sono e detecção de gestos com mãos e dedos para interação com o computador. Abertura automática de portas, ativação de luz e detecção de intrusos também são comuns.

Princípios

Sinal de radar

3D Espectro de radar Doppler mostrando um código Barker de 13

Um sistema de radar possui um transmissor que emite ondas de rádio conhecidas como sinais de radar em direções predeterminadas. Quando esses sinais entram em contato com um objeto, eles geralmente são refletidos ou espalhados em várias direções, embora alguns deles sejam absorvidos e penetrem no alvo. Os sinais de radar são refletidos especialmente bem por materiais de condutividade elétrica considerável, como a maioria dos metais, água do mar e solo úmido. Isso torna possível o uso de altímetros de radar em certos casos. Os sinais de radar que são refletidos de volta para o receptor de radar são os desejáveis que fazem a detecção de radar funcionar. Se o objeto estiver se movendo na direção ou na direção oposta ao transmissor, haverá uma ligeira alteração na frequência das ondas de rádio devido ao efeito Doppler.

Os receptores de radar geralmente, mas nem sempre, estão no mesmo local que o transmissor. Os sinais de radar refletidos capturados pela antena receptora são geralmente muito fracos. Eles podem ser reforçados por amplificadores eletrônicos. Métodos mais sofisticados de processamento de sinal também são usados para recuperar sinais de radar úteis.

A fraca absorção das ondas de rádio pelo meio pelo qual elas passam é o que permite que os radares detectem objetos em distâncias relativamente longas - distâncias nas quais outros comprimentos de onda eletromagnéticos, como luz visível, luz infravermelha e luz ultravioleta, também são muito fortemente atenuado. Fenômenos climáticos, como neblina, nuvens, chuva, queda de neve e granizo, que bloqueiam a luz visível, geralmente são transparentes às ondas de rádio. Certas frequências de rádio que são absorvidas ou espalhadas por vapor d'água, gotas de chuva ou gases atmosféricos (especialmente oxigênio) são evitadas ao projetar radares, exceto quando se pretende detectá-los.

Iluminação

O radar depende de suas próprias transmissões, em vez da luz do Sol ou da Lua, ou de ondas eletromagnéticas emitidas pelos próprios objetos-alvo, como radiação infravermelha (calor). Esse processo de direcionar ondas de rádio artificiais para objetos é chamado de iluminação, embora as ondas de rádio sejam invisíveis ao olho humano, assim como às câmeras ópticas.

Reflexão

A luminosidade pode indicar a refletividade como nesta imagem de radar meteorológico de 1960 (do furacão Abby). A frequência do radar, forma de pulso, polarização, processamento de sinal e antena determinam o que pode observar.

Se as ondas eletromagnéticas que viajam através de um material encontram outro material, tendo uma constante dielétrica ou constante diamagnética diferente da primeira, as ondas irão refletir ou se espalhar a partir do limite entre os materiais. Isso significa que um objeto sólido no ar ou no vácuo, ou uma mudança significativa na densidade atômica entre o objeto e o que está ao seu redor, geralmente espalha ondas de radar (rádio) de sua superfície. Isso é particularmente verdadeiro para materiais eletricamente condutores, como metal e fibra de carbono, tornando o radar adequado para a detecção de aeronaves e navios. O material absorvente de radar, contendo substâncias resistivas e às vezes magnéticas, é usado em veículos militares para reduzir a reflexão do radar. Este é o equivalente de rádio de pintar algo de uma cor escura para que não possa ser visto pelo olho à noite.

As ondas de radar se espalham de várias maneiras, dependendo do tamanho (comprimento de onda) da onda de rádio e da forma do alvo. Se o comprimento de onda for muito menor do que o tamanho do alvo, a onda será refletida de maneira semelhante à forma como a luz é refletida por um espelho. Se o comprimento de onda for muito maior do que o tamanho do alvo, o alvo pode não ser visível devido à má reflexão. A tecnologia de radar de baixa frequência depende de ressonâncias para detecção, mas não identificação de alvos. Isso é descrito pela dispersão de Rayleigh, um efeito que cria o céu azul da Terra e o pôr do sol vermelho. Quando as duas escalas de comprimento são comparáveis, pode haver ressonâncias. Os primeiros radares usavam comprimentos de onda muito longos, maiores que os alvos e, portanto, recebiam um sinal vago, enquanto muitos sistemas modernos usam comprimentos de onda mais curtos (alguns centímetros ou menos) que podem capturar imagens de objetos tão pequenos quanto um pão.

Ondas curtas de rádio são refletidas em curvas e cantos de maneira semelhante ao brilho de um pedaço de vidro arredondado. Os alvos mais reflexivos para comprimentos de onda curtos têm ângulos de 90° entre as superfícies reflexivas. Um refletor de canto consiste em três superfícies planas que se encontram como o canto interno de um cubo. A estrutura refletirá as ondas que entram em sua abertura diretamente de volta à fonte. Eles são comumente usados como refletores de radar para facilitar a detecção de objetos difíceis de detectar. Os refletores de canto em barcos, por exemplo, os tornam mais detectáveis para evitar colisões ou durante um resgate. Por motivos semelhantes, os objetos destinados a evitar a detecção não terão cantos internos ou superfícies e bordas perpendiculares às prováveis direções de detecção, o que leva a erros "estranhos" olhando aeronaves furtivas. Essas precauções não eliminam totalmente a reflexão por causa da difração, especialmente em comprimentos de onda mais longos. Fios longos de meio comprimento de onda ou tiras de material condutor, como chaff, são muito reflexivos, mas não direcionam a energia espalhada de volta para a fonte. A extensão em que um objeto reflete ou espalha ondas de rádio é chamada de seção transversal do radar.

Equação de alcance do radar

A potência P_r que retorna para a antena receptora é dada pela equação:

PR= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =P)G)ARσ σ F4(4D D )2R)2RR2Não. P_{r}={frac {P_{t}G_{t}A_{r}sigma F^{4}}{{(4pi)}^{2}R_{t}^{2}R_{r}^{2}}}}}}

onde

• P₎ = potência do transmissor
• G₎ = ganho da antena de transmissão
• A_R = abertura efetiva (área) da antena receptora; isso também pode ser expresso como GRλ λ 24D D {displaystyle {G_{r}lambda ^{2}} over {4pi }}, onde

• λ λ - Sim. = comprimento de onda transmitido
• G_R = ganho de antena de recepção

• σ = seção transversal do radar, ou coeficiente de dispersão, do alvo
• F = fator de propagação do padrão
• R₎ = distância do transmissor para o alvo
• R_R = distância do alvo para o receptor.

No caso comum em que o transmissor e o receptor estão no mesmo local, R_t = R_r e o termo R_t² R_r² pode ser substituído por R⁴, onde R é o intervalo. Isso rende:

PR= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =P)G)ARσ σ F4(4D D )2R4.Não. P_{r}={{P_{t}G_{t}A_{r}sigma F^{4}} over {{(4pi)}^{2}R^{4}}}.}

Isso mostra que a potência recebida diminui conforme a quarta potência do alcance, o que significa que a potência recebida de alvos distantes é relativamente muito pequena.

A filtragem adicional e a integração de pulso modificam ligeiramente a equação do radar para o desempenho do radar Doppler de pulso, que pode ser usado para aumentar o alcance de detecção e reduzir a potência de transmissão.

A equação acima com F = 1 é uma simplificação para transmissão no vácuo sem interferência. O fator de propagação é responsável pelos efeitos de multicaminho e sombreamento e depende dos detalhes do ambiente. Em uma situação do mundo real, os efeitos de pathloss também são considerados.

Efeito Doppler

Mudança de comprimento de onda causada pelo movimento da fonte

A mudança de frequência é causada pelo movimento que altera o número de comprimentos de onda entre o refletor e o radar. Isso pode degradar ou melhorar o desempenho do radar, dependendo de como afeta o processo de detecção. Por exemplo, a indicação de alvo em movimento pode interagir com o Doppler para produzir cancelamento de sinal em certas velocidades radiais, o que degrada o desempenho.

Sistemas de radar baseados no mar, homing de radar semiativo, homing de radar ativo, radar meteorológico, aeronaves militares e astronomia de radar dependem do efeito Doppler para melhorar o desempenho. Isso produz informações sobre a velocidade do alvo durante o processo de detecção. Isso também permite que pequenos objetos sejam detectados em um ambiente contendo objetos muito maiores próximos e em movimento lento.

O deslocamento Doppler depende se a configuração do radar é ativa ou passiva. O radar ativo transmite um sinal que é refletido de volta ao receptor. O radar passivo depende do objeto enviar um sinal ao receptor.

A mudança de frequência Doppler para radar ativo é a seguinte, onde FDNão. F_{D}} é frequência Doppler, FTNão. F_{T}} é frequência de transmissão, VRNão. V_{R}} é velocidade radial, e CNão. C. é a velocidade da luz:

FD= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =2× × FT× × (VRC)Não. F_{D}=2times F_{T}times left({frac {V_{R}}{C}}right)}.

O radar passivo é aplicável a contramedidas eletrônicas e radioastronomia da seguinte forma:

FD= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =FT× × (VRC)Não. F_{D}=F_{T}times left({frac {V_{R}}{C}}right)}.

Apenas a componente radial da velocidade é relevante. Quando o refletor está se movendo em ângulo reto com o feixe do radar, ele não tem velocidade relativa. Os objetos que se movem paralelamente ao feixe do radar produzem a mudança de frequência Doppler máxima.

Quando a frequência de transmissão (FTNão. F_{T}}) é pulsado, usando uma frequência de repetição de pulso FRNão. F_{R}}, o espectro de frequência resultante conterá frequências harmônicas acima e abaixo FTNão. F_{T}} com uma distância de FRNão. F_{R}}. Como resultado, a medição Doppler é apenas não ambiguosa se a mudança de frequência Doppler for inferior à metade do FRNão. F_{R}}, chamado de frequência Nyquist, uma vez que a frequência de retorno de outra forma não pode ser distinguida da mudança de uma frequência harmônica acima ou abaixo, exigindo assim:

<math alttext="{displaystyle |F_{D}||FD|<FR2Não. |F_{D}|<{frac {F_{R}}{2}}}<img alt="{displaystyle |F_{D}|

Ou quando substituindo com FDNão. F_{D}}:

<math alttext="{displaystyle |V_{R}||VR|<FR× × CFT4Não. |V_{R}|<{frac {F_{R}times {frac {C}{F_{T}}{4}}}<img alt="{displaystyle |V_{R}|

Como exemplo, um radar meteorológico Doppler com uma taxa de pulso de 2 kHz e frequência de transmissão de 1 GHz pode medir com segurança a velocidade do tempo até no máximo 150 m/s (340 mph), portanto, não pode determinar com segurança a velocidade radial da aeronave movendo-se a 1.000 m/s (2.200 mph).

Polarização

Em toda radiação eletromagnética, o campo elétrico é perpendicular à direção de propagação, e a direção do campo elétrico é a polarização da onda. Para um sinal de radar transmitido, a polarização pode ser controlada para produzir diferentes efeitos. Os radares usam polarização horizontal, vertical, linear e circular para detectar diferentes tipos de reflexões. Por exemplo, a polarização circular é usada para minimizar a interferência causada pela chuva. Os retornos de polarização linear geralmente indicam superfícies metálicas. Os retornos aleatórios de polarização geralmente indicam uma superfície fractal, como rochas ou solo, e são usados por radares de navegação.

Fatores limitantes

Caminho e alcance do feixe

Alturas de eco acima do solo
H. H. H.= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =(R2+(keume)2+2RkeumeSEu...n(θ θ e))- Sim. - Sim. keume+hum{displaystyle H=left({sqrt {r^{2}+(k_{e}a_{e})^{2}+2rk_{e}a_{e}sin(theta _{e})}}right)-k_{e}a_{e}+h_{a}}
Onde?
r: distância radar-alvo
4/3
ae: raio da Terra
θe: ângulo de elevação acima do horizonte do radar
ha: altura do espinheiro acima do solo

Um feixe de radar segue um caminho linear no vácuo, mas segue um caminho um tanto curvo na atmosfera devido à variação no índice de refração do ar, que é chamado de horizonte do radar. Mesmo quando o feixe é emitido paralelamente ao solo, o feixe sobe acima do solo à medida que a curvatura da Terra desce abaixo do horizonte. Além disso, o sinal é atenuado pelo meio que o feixe atravessa e o feixe se dispersa.

O alcance máximo do radar convencional pode ser limitado por vários fatores:

• Linha de visão, que depende da altura acima do chão. Sem uma linha direta de visão, o caminho do feixe é bloqueado.
• A gama máxima não ambiguosa, determinada pela frequência de repetição de pulso. A faixa máxima não ambiguosa é a distância para a qual o pulso pode viajar e retornar antes que o próximo pulso seja emitido.
• Sensibilidade de radar e o poder do sinal de retorno como calculado na equação de radar. Este componente inclui fatores como as condições ambientais e o tamanho (ou seção transversal do radar) do alvo.

Ruído

O ruído do sinal é uma fonte interna de variações aleatórias no sinal, que é gerada por todos os componentes eletrônicos.

Os sinais refletidos diminuem rapidamente à medida que a distância aumenta, então o ruído introduz uma limitação de alcance do radar. O piso de ruído e a relação sinal-ruído são duas medidas diferentes de desempenho que afetam o desempenho de alcance. Os refletores que estão muito distantes produzem muito pouco sinal para exceder o nível de ruído e não podem ser detectados. A detecção requer um sinal que exceda o piso de ruído em pelo menos a relação sinal-ruído.

O ruído geralmente aparece como variações aleatórias sobrepostas ao sinal de eco desejado recebido no receptor do radar. Quanto menor a potência do sinal desejado, mais difícil é distingui-lo do ruído. A figura de ruído é uma medida do ruído produzido por um receptor em comparação com um receptor ideal, e isso precisa ser minimizado.

O ruído shot é produzido por elétrons em trânsito através de uma descontinuidade, que ocorre em todos os detectores. O ruído de tiro é a fonte dominante na maioria dos receptores. Também haverá ruído de cintilação causado pelo trânsito de elétrons através de dispositivos de amplificação, que é reduzido usando amplificação heteródina. Outra razão para o processamento heteródino é que, para largura de banda fracionária fixa, a largura de banda instantânea aumenta linearmente em frequência. Isso permite uma resolução de alcance aprimorada. A única exceção notável aos sistemas de radar heteródino (conversão descendente) é o radar de banda ultralarga. Aqui, um único ciclo, ou onda transitória, é usado de forma semelhante às comunicações UWB, consulte Lista de canais UWB.

O ruído também é gerado por fontes externas, principalmente a radiação térmica natural do ambiente ao redor do alvo de interesse. Em sistemas de radar modernos, o ruído interno é normalmente igual ou menor que o ruído externo. Uma exceção é se o radar estiver apontado para o céu claro, onde a cena é tão "fria" que gera muito pouco ruído térmico. O ruído térmico é dado por k_B T B, onde T é a temperatura, B é a largura de banda (filtro de correspondência posterior) e k_B é a constante de Boltzmann. Há uma interpretação intuitiva atraente dessa relação em um radar. A filtragem combinada permite que toda a energia recebida de um alvo seja comprimida em um único compartimento (seja um compartimento de alcance, Doppler, elevação ou azimute). Na superfície, parece que, dentro de um intervalo fixo de tempo, uma detecção perfeita e livre de erros pode ser obtida. Isso é feito comprimindo toda a energia em uma fatia de tempo infinitesimal. O que limita essa abordagem no mundo real é que, enquanto o tempo é arbitrariamente divisível, a corrente não é. O quantum de energia elétrica é um elétron e, portanto, o melhor que pode ser feito é combinar o filtro de toda a energia em um único elétron. Como o elétron está se movendo a uma certa temperatura (espectro de Planck), essa fonte de ruído não pode ser mais corroída. Em última análise, o radar, como todas as entidades de macroescala, é profundamente afetado pela teoria quântica.

O ruído é aleatório e os sinais de alvo não são. O processamento de sinais pode aproveitar este fenômeno para reduzir o piso de ruído usando duas estratégias. O tipo de integração de sinal usado com indicação de alvo em movimento pode melhorar o ruído até 2(2}}} para cada etapa. O sinal também pode ser dividido entre vários filtros para processamento de sinal de pulso-Doppler, o que reduz o piso de ruído pelo número de filtros. Estas melhorias dependem da coerência.

Interferência

Os sistemas de radar devem superar sinais indesejados para focar nos alvos de interesse. Esses sinais indesejados podem se originar de fontes internas e externas, tanto passivas quanto ativas. A capacidade do sistema de radar de superar esses sinais indesejados define sua relação sinal-ruído (SNR). SNR é definido como a relação entre a potência do sinal e a potência do ruído dentro do sinal desejado; ele compara o nível de um sinal alvo desejado com o nível de ruído de fundo (ruído atmosférico e ruído gerado dentro do receptor). Quanto maior o SNR de um sistema, melhor ele discrimina os alvos reais dos sinais de ruído.

Desordem

Clutter refere-se a ecos de radiofrequência (RF) retornados de alvos que não são interessantes para os operadores de radar. Tais alvos incluem objetos naturais, como solo, mar e, quando não são designados para fins meteorológicos, precipitação (como chuva, neve ou granizo), tempestades de areia, animais (especialmente pássaros), turbulência atmosférica e outros efeitos atmosféricos, como reflexões da ionosfera, rastros de meteoros e pico de granizo. A desordem também pode ser retornada de objetos feitos pelo homem, como edifícios e, intencionalmente, por contramedidas de radar, como joio.

Algumas interferências também podem ser causadas por um longo guia de ondas de radar entre o transceptor de radar e a antena. Em um radar típico de indicador de posição plana (PPI) com uma antena rotativa, isso geralmente será visto como um "sol" ou "explosão solar" no centro da tela enquanto o receptor responde a ecos de partículas de poeira e RF mal orientado no guia de ondas. Ajustar o tempo entre quando o transmissor envia um pulso e quando o estágio do receptor é ativado geralmente reduz o sunburst sem afetar a precisão do alcance, já que a maioria do sunburst é causada por um pulso de transmissão difuso refletido antes de deixar a antena. A interferência é considerada uma fonte de interferência passiva, pois só aparece em resposta a sinais de radar enviados pelo radar.

A desordem é detectada e neutralizada de várias maneiras. A interferência tende a parecer estática entre as varreduras de radar; nos ecos de varredura subsequentes, os alvos desejáveis parecerão se mover e todos os ecos estacionários podem ser eliminados. A desordem do mar pode ser reduzida usando a polarização horizontal, enquanto a chuva é reduzida com a polarização circular (os radares meteorológicos desejam o efeito oposto e, portanto, usam a polarização linear para detectar a precipitação). Outros métodos tentam aumentar a relação sinal/clutter.

A desordem move-se com o vento ou está estacionária. Duas estratégias comuns para melhorar a medida ou o desempenho em um ambiente de desordem são:

• Indicação de alvo em movimento, que integra pulsos sucessivos
• Processamento Doppler, que usa filtros para separar a embreagem de sinais desejáveis

A técnica de redução de interferência mais eficaz é o radar Doppler de pulso. O Doppler separa a desordem de aeronaves e espaçonaves usando um espectro de frequência, para que sinais individuais possam ser separados de vários refletores localizados no mesmo volume usando diferenças de velocidade. Isso requer um transmissor coerente. Outra técnica usa um indicador de alvo em movimento que subtrai o sinal recebido de dois pulsos sucessivos usando fase para reduzir sinais de objetos em movimento lento. Isso pode ser adaptado para sistemas que não possuem um transmissor coerente, como radar de amplitude de pulso no domínio do tempo.

Taxa de alarme falso constante, uma forma de controle de ganho automático (AGC), é um método que depende de retornos de interferência muito superiores aos ecos de alvos de interesse. O ganho do receptor é ajustado automaticamente para manter um nível constante de desordem visível geral. Embora isso não ajude a detectar alvos mascarados por desordem ao redor mais forte, ajuda a distinguir fontes de alvos fortes. No passado, o radar AGC era controlado eletronicamente e afetava o ganho de todo o receptor do radar. À medida que os radares evoluíram, o AGC tornou-se controlado por software de computador e afetou o ganho com maior granularidade em células de detecção específicas.

Radar multipath ecoa de um alvo causa fantasmas aparecer.

Clutter também pode se originar de ecos de caminhos múltiplos de alvos válidos causados por reflexão no solo, dutos atmosféricos ou reflexão/refração ionosférica (por exemplo, propagação anômala). Esse tipo de desordem é especialmente incômodo, pois parece se mover e se comportar como outros alvos normais (pontuais) de interesse. Em um cenário típico, o eco de uma aeronave é refletido do solo abaixo, aparecendo para o receptor como um alvo idêntico abaixo do alvo correto. O radar pode tentar unificar os alvos, relatando o alvo em uma altura incorreta ou eliminando-o com base em jitter ou impossibilidade física. O bloqueio de salto de terreno explora essa resposta amplificando o sinal do radar e direcionando-o para baixo. Esses problemas podem ser superados incorporando um mapa terrestre dos arredores do radar e eliminando todos os ecos que parecem se originar abaixo do solo ou acima de uma certa altura. O monopulso pode ser melhorado alterando o algoritmo de elevação usado em baixa elevação. Em equipamentos de radar de controle de tráfego aéreo mais recentes, algoritmos são usados para identificar os alvos falsos, comparando os retornos de pulso atuais com os adjacentes, bem como calculando as improbabilidades de retorno.

Interferência

Radar jamming refere-se a sinais de radiofrequência originados de fontes fora do radar, transmitidos na frequência do radar e, assim, mascarando alvos de interesse. O bloqueio pode ser intencional, como em uma tática de guerra eletrônica, ou não intencional, como em forças amigas operando equipamentos que transmitem usando a mesma faixa de frequência. A interferência é considerada uma fonte de interferência ativa, pois é iniciada por elementos externos ao radar e, em geral, não relacionados aos sinais do radar.

O bloqueio é problemático para o radar, pois o sinal de interferência só precisa viajar em uma direção (do bloqueador para o receptor do radar), enquanto os ecos do radar viajam em duas direções (radar-alvo-radar) e, portanto, são significativamente reduzidos em potência pelo tempo, eles retornam ao receptor do radar de acordo com a lei do quadrado inverso. Os jammers, portanto, podem ser muito menos poderosos do que seus radares bloqueados e ainda mascaram efetivamente os alvos ao longo da linha de visão do jammer ao radar (mainlobe jamming). Os bloqueadores têm um efeito adicional de afetar os radares ao longo de outras linhas de visão através dos lóbulos laterais do receptor do radar (interferência do lóbulo lateral).

O bloqueio do lóbulo principal geralmente só pode ser reduzido estreitando o ângulo sólido do lóbulo principal e não pode ser totalmente eliminado quando se enfrenta diretamente um bloqueador que usa a mesma frequência e polarização do radar. O bloqueio do lóbulo lateral pode ser superado reduzindo os lóbulos laterais de recepção no projeto da antena do radar e usando uma antena omnidirecional para detectar e desconsiderar sinais não pertencentes ao lóbulo principal. Outras técnicas anti-interferência são o salto de frequência e a polarização.

Processamento de sinal

Medição de distância

Tempo de trânsito

radar de pulso: O tempo de ida e volta para o pulso do radar para chegar ao alvo e retorno é medido. A distância é proporcional a este tempo.

Uma maneira de obter uma medição de distância (range) é baseada no tempo de voo: transmita um pulso curto de sinal de rádio (radiação eletromagnética) e meça o tempo que leva para o retorno da reflexão. A distância é metade do tempo de ida e volta multiplicado pela velocidade do sinal. O fator de meio vem do fato de que o sinal tem que ir até o objeto e voltar. Como as ondas de rádio viajam na velocidade da luz, a medição precisa da distância requer eletrônicos de alta velocidade. Na maioria dos casos, o receptor não detecta o retorno enquanto o sinal está sendo transmitido. Através do uso de um duplexador, o radar alterna entre transmissão e recepção a uma taxa predeterminada. Um efeito semelhante também impõe um alcance máximo. Para maximizar o alcance, devem ser usados tempos mais longos entre os pulsos, referidos como tempo de repetição de pulso ou seu recíproco, frequência de repetição de pulso.

Esses dois efeitos tendem a ser conflitantes, e não é fácil combinar um bom alcance curto e um bom alcance longo em um único radar. Isso ocorre porque os pulsos curtos necessários para uma boa transmissão de alcance mínimo têm menos energia total, tornando os retornos muito menores e o alvo mais difícil de detectar. Isso poderia ser compensado usando mais pulsos, mas isso encurtaria o alcance máximo. Assim, cada radar usa um determinado tipo de sinal. Radares de longo alcance tendem a usar pulsos longos com longos atrasos entre eles, e radares de curto alcance usam pulsos menores com menos tempo entre eles. Como a eletrônica melhorou, muitos radares agora podem alterar sua frequência de repetição de pulso, alterando assim seu alcance. Os radares mais novos disparam dois pulsos durante uma célula, um para alcance curto (cerca de 10 km (6,2 mi)) e um sinal separado para alcances mais longos (cerca de 100 km (62 mi)).

A distância também pode ser medida em função do tempo. A milha do radar é o tempo que leva para um pulso do radar percorrer uma milha náutica, refletir em um alvo e retornar à antena do radar. Como uma milha náutica é definida como 1.852 m, dividir essa distância pela velocidade da luz (299.792.458 m/s) e multiplicar o resultado por 2 gera um resultado de 12,36 μs de duração.

Modulação de frequência

radar de onda contínua (CW). Usando a modulação de frequência permite que o intervalo seja extraído.

Outra forma de radar de medição de distância é baseada na modulação de frequência. Nesses sistemas, a frequência do sinal transmitido é alterada ao longo do tempo. Como o sinal leva um tempo finito para viajar de e para o alvo, o sinal recebido tem uma frequência diferente daquela que o transmissor está transmitindo no momento em que o sinal refletido chega de volta ao radar. Comparando a frequência dos dois sinais, a diferença pode ser facilmente medida. Isso é facilmente realizado com uma precisão muito alta, mesmo na eletrônica dos anos 1940. Outra vantagem é que o radar pode operar efetivamente em frequências relativamente baixas. Isso foi importante no desenvolvimento inicial desse tipo, quando a geração de sinais de alta frequência era difícil ou cara.

Esta técnica pode ser usada em radar de onda contínua e é frequentemente encontrada em altímetros de radar de aeronaves. Nesses sistemas, um "transportador" o sinal do radar é modulado em frequência de maneira previsível, normalmente variando para cima e para baixo com uma onda senoidal ou padrão de dente de serra nas frequências de áudio. O sinal é então enviado de uma antena e recebido em outra, normalmente localizada na parte inferior da aeronave, e o sinal pode ser continuamente comparado usando um modulador simples de frequência de batida que produz um tom de frequência de áudio de o sinal retornado e uma parte do sinal transmitido.

O índice de modulação sobre o sinal recebido é proporcional ao tempo de atraso entre o radar e o refletor. A mudança de frequência torna-se maior com maior atraso de tempo. A mudança de frequência é diretamente proporcional à distância percorrida. Essa distância pode ser exibida em um instrumento e também pode estar disponível por meio do transponder. Esse processamento de sinal é semelhante ao usado no radar Doppler de detecção de velocidade. Exemplos de sistemas que usam essa abordagem são AZUSA, MISTRAM e UDOP.

O radar terrestre usa sinais FM de baixa potência que cobrem uma faixa de frequência maior. As múltiplas reflexões são analisadas matematicamente para mudanças de padrão com passagens múltiplas, criando uma imagem sintética computadorizada. Os efeitos Doppler são usados, o que permite que objetos em movimento lento sejam detectados, além de eliminar amplamente o "ruído" das superfícies dos corpos de água.

Compressão de pulso

As duas técnicas descritas acima têm suas desvantagens. A técnica de temporização de pulso tem uma desvantagem inerente, pois a precisão da medição de distância está inversamente relacionada ao comprimento do pulso, enquanto a energia e, portanto, o alcance da direção, estão diretamente relacionados. Aumentar a potência para um alcance mais longo, mantendo a precisão, exige potência de pico extremamente alta, com radares de alerta precoce da década de 1960 operando frequentemente em dezenas de megawatts. Os métodos de onda contínua espalham essa energia no tempo e, portanto, requerem uma potência de pico muito menor em comparação com as técnicas de pulso, mas requerem algum método para permitir que os sinais enviados e recebidos operem ao mesmo tempo, muitas vezes exigindo duas antenas separadas.

A introdução de novos eletrônicos na década de 1960 permitiu que as duas técnicas fossem combinadas. Começa com um pulso mais longo que também é modulado em frequência. Espalhar a energia de transmissão no tempo significa que energias de pico mais baixas podem ser usadas, com exemplos modernos tipicamente na ordem de dezenas de quilowatts. Na recepção, o sinal é enviado para um sistema que atrasa diferentes frequências em tempos diferentes. A saída resultante é um pulso muito mais curto que é adequado para medição precisa de distância, ao mesmo tempo em que comprime a energia recebida em um pico de energia muito mais alto e, assim, reduz a relação sinal-ruído. A técnica é amplamente universal em grandes radares modernos.

Medição de velocidade

Velocidade é a mudança na distância de um objeto em relação ao tempo. Assim, o sistema de medição de distância existente, combinado com uma capacidade de memória para ver onde esteve o último alvo, é suficiente para medir a velocidade. Ao mesmo tempo, a memória consistia em um usuário fazendo marcas de lápis de graxa na tela do radar e, em seguida, calculando a velocidade usando uma régua de cálculo. Os sistemas de radar modernos executam a operação equivalente com mais rapidez e precisão usando computadores.

Se a saída do transmissor for coerente (fase sincronizada), existe outro efeito que pode ser usado para fazer medições de velocidade quase instantâneas (sem memória necessária), conhecido como efeito Doppler. A maioria dos sistemas de radar modernos usa esse princípio em sistemas de radar Doppler e pulso-Doppler (radar meteorológico, radar militar). O efeito Doppler só é capaz de determinar a velocidade relativa do alvo ao longo da linha de visão do radar para o alvo. Qualquer componente da velocidade do alvo perpendicular à linha de visão não pode ser determinada usando apenas o efeito Doppler, mas pode ser determinada rastreando o azimute do alvo ao longo do tempo.

É possível fazer um radar Doppler sem pulsação, conhecido como radar de onda contínua (radar CW), enviando um sinal muito puro de frequência conhecida. O radar CW é ideal para determinar o componente radial da velocidade de um alvo. O radar CW é normalmente usado pela fiscalização do tráfego para medir a velocidade do veículo com rapidez e precisão, onde o alcance não é importante.

Ao usar um radar pulsado, a variação entre a fase de retornos sucessivos dá a distância que o alvo se moveu entre os pulsos, e assim sua velocidade pode ser calculada. Outros desenvolvimentos matemáticos no processamento de sinais de radar incluem análise de tempo-frequência (Weyl Heisenberg ou wavelet), bem como a transformada chirplet que faz uso da mudança de frequência de retornos de alvos em movimento ("chirp").

Processamento de sinal Pulse-Doppler

Processamento de sinal Pulse-Doppler. O Faixa de amostra eixo representa amostras individuais obtidas entre cada pulso de transmissão. O Intervalo de gama o eixo representa cada intervalo de pulso de transmissão sucessiva durante o qual as amostras são tomadas. O processo Fast Fourier Transform converte amostras de domínio de tempo em espectros de domínio de frequência. Isso às vezes é chamado de cama de unhas.

O processamento do sinal Pulse-Doppler inclui filtragem de frequência no processo de detecção. O espaço entre cada pulso de transmissão é dividido em células de alcance ou portas de alcance. Cada célula é filtrada de forma independente, muito parecido com o processo usado por um analisador de espectro para produzir a exibição mostrando diferentes frequências. Cada distância diferente produz um espectro diferente. Esses espectros são usados para realizar o processo de detecção. Isso é necessário para obter um desempenho aceitável em ambientes hostis envolvendo clima, terreno e contramedidas eletrônicas.

O objetivo principal é medir a amplitude e a frequência do sinal refletido agregado de várias distâncias. Isso é usado com radar meteorológico para medir a velocidade radial do vento e a taxa de precipitação em cada volume diferente de ar. Isso está vinculado a sistemas de computação para produzir um mapa meteorológico eletrônico em tempo real. A segurança da aeronave depende do acesso contínuo a informações precisas do radar meteorológico que são usadas para prevenir lesões e acidentes. O radar meteorológico usa um PRF baixo. Os requisitos de coerência não são tão rigorosos quanto os dos sistemas militares porque os sinais individuais normalmente não precisam ser separados. É necessária uma filtragem menos sofisticada e o processamento de ambigüidade de alcance normalmente não é necessário com radar meteorológico em comparação com radar militar destinado a rastrear veículos aéreos.

O objetivo alternativo é "olhar para baixo/atirar para baixo" capacidade necessária para melhorar a capacidade de sobrevivência do combate aéreo militar. O Pulse-Doppler também é usado para radar de vigilância terrestre necessário para defender pessoal e veículos. O processamento do sinal pulso-doppler aumenta a distância máxima de detecção usando menos radiação perto de pilotos de aeronaves, pessoal de bordo, infantaria e artilharia. Reflexões do terreno, da água e do clima produzem sinais muito maiores do que aeronaves e mísseis, o que permite que veículos em movimento rápido se escondam usando técnicas de vôo e tecnologia furtiva para evitar a detecção até que um veículo de ataque esteja muito próximo para ser destruído. O processamento do sinal Pulse-Doppler incorpora uma filtragem eletrônica mais sofisticada que elimina com segurança esse tipo de fraqueza. Isso requer o uso de frequência de repetição de pulso média com hardware coerente de fase que possui uma grande faixa dinâmica. Aplicações militares requerem PRF médio, o que evita que o alcance seja determinado diretamente, e o processamento de resolução de ambigüidade de alcance é necessário para identificar o verdadeiro alcance de todos os sinais refletidos. O movimento radial geralmente é vinculado à frequência Doppler para produzir um sinal de bloqueio que não pode ser produzido por sinais de interferência de radar. O processamento do sinal Pulse-Doppler também produz sinais audíveis que podem ser usados para identificação de ameaças.

Redução de efeitos de interferência

O processamento de sinal é empregado em sistemas de radar para reduzir os efeitos de interferência do radar. As técnicas de processamento de sinal incluem indicação de alvo em movimento, processamento de sinal Pulse-Doppler, processadores de detecção de alvo em movimento, correlação com alvos de radar de vigilância secundários, processamento adaptativo de espaço-tempo e rastreamento antes da detecção. A taxa constante de falsos alarmes e o processamento digital de modelos de terreno também são usados em ambientes desorganizados.

Trace e rastreie a extração

Um algoritmo de rastreamento é uma estratégia de aprimoramento do desempenho do radar. Os algoritmos de rastreamento fornecem a capacidade de prever a posição futura de vários objetos em movimento com base no histórico das posições individuais relatadas pelos sistemas de sensores.

As informações históricas são acumuladas e usadas para prever a posição futura para uso com controle de tráfego aéreo, estimativa de ameaças, doutrina do sistema de combate, mira de armas e orientação de mísseis. Os dados de posição são acumulados por sensores de radar ao longo de alguns minutos.

Existem quatro algoritmos de rastreamento comuns.

• Algoritmo vizinho mais próximo
• Associação de Dados Probabilísticos
• Hipótese múltipla Rastreamento
• Modelo Múltiplo Interativo (IMM)

Retornos de vídeo de radar de aeronaves podem ser submetidos a um processo de extração de plotagem no qual sinais espúrios e interferentes são descartados. Uma sequência de retornos de destino pode ser monitorada por meio de um dispositivo conhecido como extrator de plotagem.

Os retornos em tempo real não relevantes podem ser removidos das informações exibidas e um único gráfico exibido. Em alguns sistemas de radar, ou alternativamente no sistema de comando e controle ao qual o radar está conectado, um rastreador de radar é usado para associar a sequência de parcelas pertencentes a alvos individuais e estimar a localização dos alvos. rumos e velocidades.

Engenharia

Componentes de radar

Os componentes de um radar são:

• Um transmissor que gera o sinal de rádio com um oscilador como um klystron ou um magnetron e controla sua duração por um modulador.
• Um guia de ondas que liga o transmissor e a antena.
• Um duplexer que serve como um interruptor entre a antena e o transmissor ou o receptor para o sinal quando a antena é usada em ambas as situações.
• Um receptor. Conhecendo a forma do sinal recebido desejado (um pulso), um receptor ideal pode ser projetado usando um filtro combinado.
• Um processador de exibição para produzir sinais para dispositivos de saída legíveis humanos.
• Uma seção eletrônica que controla todos esses dispositivos e a antena para executar a varredura de radar ordenada pelo software.
• Um link para dispositivos de usuário final e exibe.

Design de antena

antena AS-3263/SPS-49 (V) (Marinha dos EUA)

Os sinais de rádio transmitidos por uma única antena se espalharão em todas as direções e, da mesma forma, uma única antena receberá sinais igualmente de todas as direções. Isso deixa o radar com o problema de decidir onde o objeto alvo está localizado.

Os primeiros sistemas tendiam a usar antenas de transmissão omnidirecionais, com antenas de recepção direcionais que eram apontadas em várias direções. Por exemplo, o primeiro sistema a ser implantado, Chain Home, usava duas antenas retas em ângulos retos para recepção, cada uma em um display diferente. O retorno máximo seria detectado com uma antena em ângulo reto com o alvo, e um mínimo com a antena apontada diretamente para ele (end on). O operador pode determinar a direção de um alvo girando a antena de forma que um monitor mostre o máximo enquanto o outro mostre o mínimo. Uma limitação séria desse tipo de solução é que a transmissão é enviada em todas as direções, de modo que a quantidade de energia na direção que está sendo examinada é uma pequena parte daquela transmitida. Para obter uma quantidade razoável de potência no "alvo", a antena transmissora também deve ser direcional.

Refletor parabólico

antena de radar de vigilância

Sistemas mais modernos usam um "prato" para criar um feixe de transmissão estreito, normalmente usando o mesmo prato que o receptor. Esses sistemas geralmente combinam duas frequências de radar na mesma antena para permitir a direção automática ou bloqueio do radar.

Os refletores parabólicos podem ser parábolas simétricas ou parábolas estragadas: Antenas parabólicas simétricas produzem um estreito "lápis" feixe nas dimensões X e Y e, consequentemente, têm um ganho maior. O radar meteorológico NEXRAD Pulse-Doppler usa uma antena simétrica para realizar varreduras volumétricas detalhadas da atmosfera. Antenas parabólicas danificadas produzem um feixe estreito em uma dimensão e um feixe relativamente largo na outra. Esse recurso é útil se a detecção do alvo em uma ampla gama de ângulos for mais importante do que a localização do alvo em três dimensões. A maioria dos radares de vigilância 2D usa uma antena parabólica estragada com largura de feixe azimutal estreita e largura de feixe vertical ampla. Essa configuração de feixe permite que o operador do radar detecte uma aeronave em um azimute específico, mas em uma altura indeterminada. Por outro lado, os chamados "nodder" Os radares de localização de altura usam um prato com uma largura de feixe vertical estreita e largura de feixe azimutal ampla para detectar uma aeronave em uma altura específica, mas com baixa precisão azimutal.

Tipos de verificação

• Escaneamento primário: Uma técnica de digitalização onde a antena principal é movida para produzir um feixe de digitalização, exemplos incluem varredura circular, digitalização do setor, etc.
• Escaneamento secundário: Uma técnica de digitalização onde o feed da antena é movido para produzir um feixe de digitalização, exemplos incluem varredura cônica, varredura do setor unidirecional, comutação do lobo, etc.
• Palmer Scan: Uma técnica de digitalização que produz um feixe de digitalização movendo a antena principal e seu feed. A Palmer Scan é uma combinação de um Scan Primário e um Escaneamento Secundário.
• Digitalização cônica: O feixe de radar é girado em um pequeno círculo ao redor do eixo "boresight", que é apontado para o alvo.

Guia de onda com fenda

antena de guia de onda entalhada

Aplicado de forma semelhante ao refletor parabólico, o guia de onda com fenda é movido mecanicamente para varredura e é particularmente adequado para sistemas de varredura de superfície sem rastreamento, onde o padrão vertical pode permanecer constante. Devido ao seu custo mais baixo e menor exposição ao vento, os radares de vigilância de bordo, de superfície do aeroporto e do porto agora usam essa abordagem em vez de uma antena parabólica.

Phased array

array em fase: Nem todas as antenas de radar devem girar para escanear o céu.

Outro método de direção é usado em um radar Phased Array.

As antenas Phased Array são compostas de elementos de antena semelhantes espaçados uniformemente, como antenas ou fileiras de guias de onda com fenda. Cada elemento de antena ou grupo de elementos de antena incorpora uma mudança de fase discreta que produz um gradiente de fase em todo o arranjo. Por exemplo, os elementos da matriz que produzem uma mudança de fase de 5 graus para cada comprimento de onda na face da matriz produzirão um feixe apontado a 5 graus de distância da linha central perpendicular à face da matriz. Os sinais que viajam ao longo desse feixe serão reforçados. Os sinais desviados desse feixe serão cancelados. A quantidade de reforço é o ganho da antena. A quantidade de cancelamento é a supressão do lóbulo lateral.

Os radares Phased Array estão em uso desde os primeiros anos do radar na Segunda Guerra Mundial (radar Mammut), mas as limitações do dispositivo eletrônico levaram a um desempenho ruim. Os radares Phased Array foram originalmente usados para defesa antimísseis (ver, por exemplo, Programa de Salvaguarda). Eles são o coração do Aegis Combat System embarcado e do Patriot Missile System. A redundância massiva associada a ter um grande número de elementos de matriz aumenta a confiabilidade à custa da degradação gradual do desempenho que ocorre quando os elementos de fase individuais falham. Em menor grau, os radares Phased Array foram usados na vigilância meteorológica. A partir de 2017, a NOAA planeja implementar uma rede nacional de radares multifuncionais Phased Array nos Estados Unidos dentro de 10 anos, para estudos meteorológicos e monitoramento de voo.

As antenas Phased Array podem ser construídas de acordo com formas específicas, como mísseis, veículos de apoio de infantaria, navios e aeronaves.

Com a queda do preço dos eletrônicos, os radares phased array se tornaram mais comuns. Quase todos os sistemas de radar militar modernos são baseados em phased arrays, onde o pequeno custo adicional é compensado pela confiabilidade aprimorada de um sistema sem partes móveis. Projetos tradicionais de antena móvel ainda são amplamente utilizados em funções onde o custo é um fator significativo, como vigilância de tráfego aéreo e sistemas similares.

Os radares Phased Array são valorizados para uso em aeronaves, pois podem rastrear vários alvos. A primeira aeronave a usar um radar Phased Array foi o B-1B Lancer. O primeiro avião de caça a usar o radar Phased Array foi o Mikoyan MiG-31. O radar de varredura eletrônica passiva SBI-16 Zaslon do MiG-31M foi considerado o radar de caça mais poderoso do mundo, até que a matriz de varredura eletrônica AN/APG-77 Active foi introduzida no Lockheed Martin F -22 Raptor.

Interferometria de arranjo de fase ou técnicas de síntese de abertura, usando uma matriz de antenas separadas que são transformadas em uma única abertura efetiva, não são típicas para aplicações de radar, embora sejam amplamente usadas em radioastronomia. Por causa da maldição de matriz afinada, tais matrizes de abertura múltipla, quando usadas em transmissores, resultam em feixes estreitos à custa da redução da potência total transmitida ao alvo. Em princípio, tais técnicas poderiam aumentar a resolução espacial, mas a menor potência significa que isso geralmente não é eficaz.

Síntese de abertura por pós-processamento de dados de movimento de uma única fonte móvel, por outro lado, é amplamente usada em sistemas de radar espaciais e aéreos.

Bandas de frequência

As antenas geralmente precisam ser dimensionadas de forma semelhante ao comprimento de onda da frequência operacional, normalmente dentro de uma ordem de grandeza. Isso fornece um forte incentivo para usar comprimentos de onda mais curtos, pois isso resultará em antenas menores. Comprimentos de onda mais curtos também resultam em maior resolução devido à difração, o que significa que o refletor em forma visto na maioria dos radares também pode ser menor para qualquer largura de feixe desejada.

A oposição à mudança para comprimentos de onda menores é uma série de questões práticas. Por um lado, os eletrônicos necessários para produzir comprimentos de onda muito curtos de alta potência eram geralmente mais complexos e caros do que os eletrônicos necessários para comprimentos de onda mais longos ou não existiam. Outra questão é que o valor da abertura efetiva da equação do radar significa que, para qualquer tamanho de antena (ou refletor), será mais eficiente em comprimentos de onda mais longos. Além disso, comprimentos de onda mais curtos podem interagir com moléculas ou gotas de chuva no ar, espalhando o sinal. Comprimentos de onda muito longos também têm efeitos de difração adicionais que os tornam adequados para radares além do horizonte. Por esta razão, uma grande variedade de comprimentos de onda são usados em diferentes funções.

Os nomes tradicionais das bandas se originaram como codinomes durante a Segunda Guerra Mundial e ainda estão em uso militar e de aviação em todo o mundo. Eles foram adotados nos Estados Unidos pelo Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos e internacionalmente pela União Internacional de Telecomunicações. A maioria dos países possui regulamentos adicionais para controlar quais partes de cada banda estão disponíveis para uso civil ou militar.

Outros usuários do espectro de rádio, como as indústrias de radiodifusão e contramedidas eletrônicas, substituíram as designações militares tradicionais por seus próprios sistemas.

Moduladores

Os moduladores agem para fornecer a forma de onda do pulso de RF. Existem dois designs diferentes de moduladores de radar:

• Interruptor de alta tensão para não-coerente keyed power-oscillators Estes moduladores consistem em um gerador de pulso de alta tensão formado a partir de uma fonte de alta tensão, uma rede de formação de pulso e um interruptor de alta tensão, como um tiratron. Eles geram pulsos curtos de energia para alimentar, por exemplo, o magnetron, um tipo especial de tubo de vácuo que converte DC (geralmente pulsado) em micro-ondas. Esta tecnologia é conhecida como potência pulsada. Desta forma, o pulso transmitido da radiação RF é mantido para uma duração definida e geralmente muito curta.
• Misturadores híbridos, alimentados por um gerador de forma de onda e um exciter para uma forma de onda complexa, mas coerente. Esta forma de onda pode ser gerada por sinais de entrada de baixa potência/baixa tensão. Neste caso, o transmissor de radar deve ser um amplificador de potência, por exemplo, um klystron ou um transmissor de estado sólido. Desta forma, o pulso transmitido é intrapulso-modulado e o receptor de radar deve usar técnicas de compressão de pulso.

Refrigerante

Amplificadores de micro-ondas coerentes operando acima de 1.000 watts de saída de micro-ondas, como tubos de ondas progressivas e klystrons, requerem refrigeração líquida. O feixe de elétrons deve conter de 5 a 10 vezes mais potência do que a saída de micro-ondas, que pode produzir calor suficiente para gerar plasma. Este plasma flui do coletor em direção ao cátodo. O mesmo foco magnético que guia o feixe de elétrons força o plasma no caminho do feixe de elétrons, mas fluindo na direção oposta. Isso introduz a modulação FM que degrada o desempenho do Doppler. Para evitar isso, é necessário refrigerante líquido com pressão e taxa de fluxo mínimas, e água deionizada é normalmente usada na maioria dos sistemas de radar de superfície de alta potência que usam processamento Doppler.

O coolanol (éster de silicato) foi usado em vários radares militares na década de 1970. No entanto, é higroscópico, levando à hidrólise e formação de álcool altamente inflamável. A perda de uma aeronave da Marinha dos EUA em 1978 foi atribuída a um incêndio de éster de silicato. Coolanol também é caro e tóxico. A Marinha dos EUA instituiu um programa denominado Prevenção da Poluição (P2) para eliminar ou reduzir o volume e a toxicidade de resíduos, emissões atmosféricas e descargas de efluentes. Por causa disso, Coolanol é usado com menos frequência hoje.

Regulamentos

Radar (também: RADAR) é definido pelo artigo 1.100 da União Internacional de Telecomunicações (ITU) ITU Radio Regulations (RR) como:

Um sistema de radiodeterminação baseado na comparação de sinais de referência com sinais de rádio refletidos ou retransmitidos, da posição a ser determinada. Cada um sistema de radiação será classificado por serviço de rádio em que opera permanentemente ou temporariamente. Usos de radar típicos são radar primário e radar secundário, estes podem operar no serviço de radiolocalização ou o serviço de satélite de radiolocalização.

Configurações

O radar vem em uma variedade de configurações no emissor, receptor, antena, comprimento de onda, estratégias de varredura, etc.

• radar bistático
• radar de onda contínua
• radar Doppler
• radar Fm-cw
• radar monopulso
• Radar passivo
• radar de matriz planar
• Doppler de pulso
• radar de abertura sintética
  • radar de abertura sintetizado
• radar Over-the-horizon com transmissor Chirp

Notas e referências