RADARES

                                                              RADARES


    El radar es un sistema que usa ondas electromagnéticas para medir distancias, altitudes, direcciones y velocidades de objetos estáticos o móviles como aeronaves, barcos, vehículos motorizados, formaciones meteorológicas y el propio terreno. Su funcionamiento se basa en emitir un impulso de radio, que se refleja en el objetivo y se recibe típicamente en la misma posición del emisor. A partir de este "eco" se puede extraer gran cantidad de información. El uso de ondas electromagnéticas permite detectar objetos más allá del rango de otro tipo de emisiones.
   Entre sus ámbitos de aplicación se incluyen la meteorología, el control del tráfico aéreo y terrestre y gran variedad de usos militares.



  • REFLEXION

    Las ondas electromagnéticas se dispersan cuando hay cambios significativos en las constantes dieléctricas o diamagnéticas. Esto significa que un objeto sólido en el aire o en el vacío (es decir, un cambio en la densidad atómica entre el objeto y su entorno) producirá dispersión de las ondas de radio, como las del radar. Esto ocurre particularmente en el caso de los materiales conductores como el metal y la fibra de carbono, lo que hace que el radar sea especialmente indicado para la detección de aeronaves. En ocasiones los aviones militares utilizan materiales con sustancias resistivas y magnéticas que absorben las ondas del radar, reduciendo así el nivel de reflexión. Estableciendo una analogía entre las ondas del radar y el espectro visible, estos materiales equivaldrían a pintar algo con un color oscuro.
    La reflexión de las ondas del radar varía en función de su longitud de onda y de la forma del blanco:
  • Si la longitud de onda es mucho menor que el tamaño del blanco, la onda rebotará del mismo modo que la luz contra un espejo.
  • Si la longitud de onda es mucho más grande que el tamaño del blanco, lo que ocurre es que ésta se polariza (separación física de las cargas positivas y negativas) como en un dipolo (véase: Dispersión de Rayleigh).
  • Cuando las dos escalas son similares pueden darse efectos de resonancia.
    Los primeros radares utilizaban longitudes de onda muy elevadas, mayores que los objetivos; las señales que recibían eran tenues. Los radares actuales emplean longitudes de onda más pequeñas que permiten detectar objetos del tamaño de una barra de pan.
    Las señales de radio de onda corta (3 kHz-30 MHz) se reflejan en las curvas y aristas, del mismo modo que la luz produce destellos en un trozo de cristal curvo. Para estas longitudes de onda los objetos que más reflejan son aquellos con ángulos de 90º entre las superficies reflectivas. Una estructura que conste de tres superficies que se juntan en una esquina (como la de una caja) siempre reflejará hacia el emisor aquellas ondas que entren por su abertura.
 
  •  REFLECTORES
 
    Este tipo de reflectores, denominados reflectores de esquina (corner reflectors, ver imagen a la derecha), se suelen usar para hacer "visibles" al radar objetos que en otras circunstancias no lo serían (se suelen instalar en barcos para mejorar su detectabilidad y evitar choques). Siguiendo el mismo razonamiento, si se desea que una nave no sea detectada, en su diseño se procurará eliminar estas esquinas interiores, así como superficies y bordes perpendiculares a las posibles direcciones de detección. De ahí el aspecto extraño de los aviones "stealth"(avión furtivo).
  • Todas estas medidas no eliminan por completo la reflexión debido a la difracción, especialmente para longitudes de onda grandes.
  • Otra contramedida habitual es arrojar cables y tiras metálicas cuyo largo es media longitud de onda (chaffs) con la idea de cegar al radar; son efectivas, si bien la dirección hacia la que se reflejan las ondas es aleatoria cuando lo óptimo sería dirigir la reflexión hacia el radar que se quiere evitar.
El factor que da la medida de cuánto refleja un objeto las ondas de radio se llama "sección radar cruzada" (σ).

  •  ECUACION RADAR

    La potencia Pr reflejada a la antena de recepción está dada por la ecuación radar:
P_r = {{P_t G_t A_r \sigma F^4}\over{{(4\pi)}^2 R_t^2R_r^2}}
donde
  • Pt = potencia transmitida
  • Gt = ganancia de la antena de transmisión
  • Ar = apertura efectiva (área) de la antena de recepción
  • σ = sección transversal del radar, o coeficiente de decaimiento del objetivo
  • F = factor de propagación del patrón
  • Rt = distancia del transmisor al objetivo
  • Rr = distancia del objetivo al receptor.
En el caso común donde el transmisor y el receptor están en el mismo lugar, Rt = Rr y el término Rt² Rr² puede ser reemplazado por R4, donde R es la distancia. Esto resulta en:
P_r = {{P_t G_t A_r \sigma}\over{{(4\pi)}^2 R^4}}
Esto dice que la potencia en el receptor se reduce proporcionalmente a la cuarta potencia de la distancia, lo que significa que la potencia reflejada desde el objetivo distante es muy muy pequeña.
La ecuación anterior con F = 1 es una simplificación para el vacío sin interferencia. El factor de propagación engloba los efectos de la propagación multicamino y del shadowing, y depende del entorno en el que se estén propagando las ondas. En una situación real los efectos de atenuación en el recorrido deben ser considerados.
Otros desarrollos matemáticos en procesamiento de señales de radar incluyen análisis de tiempo-frecuenciaWeyl Heisenberg o wavelet), así como la transformada chirplet que se basa en el hecho de que los ecos devueltos por blancos móviles varían su frecuencia en función del tiempo, como lo hace el sonido de un ave o un murciélago.

  • POLARIZACION

El campo eléctrico de la señal que emite un radar es perpendicular a la dirección de propagación. La dirección de dicho campo determina la polarización de la onda. En función de la aplicación, los radares usan:
  • Polarización horizontal.
  • Polarización vertical.
  • Polarización lineal.
  • Permite detectar superficies de metal.
  • Polarización circular.
  • Adecuada para minimizar la interferencia causada por la lluvia (pero debe evitarse para radares meteorológicos que lo que buscan es cuantificar las precipitaciones).
  • Polarización aleatoria.
  • Adecuada para detectar superficies irregulares como rocas (se usa en radares de navegación).

  •  INTERFERENCIAS

Los sistemas radar deben hacer frente a la presencia de diferentes tipos de señales indeseadas y conseguir centrarse en el blanco que realmente interesa. Fuentes posibles de interferencias:
  • Internas
  • Externas
  • De naturaleza pasiva
  • Ejemplos de interferencia pasiva: agua salada (afecta a la conductividad y puede contribuir a una degradación de la señal), tierra conductora.
  • De naturaleza activa (o interferencia eléctrica o ruido).
  • Ejemplos de interferencia activa: circuitos de los semáforos, comunicaciones de radio, torres microondas, televisión por cable, transmisión de datos de uso general, sistemas de seguridad, líneas de alto voltaje y líneas telefónicas.
La capacidad del sistema radar de sobreponerse a la presencia de estas señales define su relación señal/ruido (SNR). Cuanto mayor sea la SNR del sistema, tanto mejor podrá aislar los objetivos reales de las señales de ruido del entorno.

  • RUIDO

    El ruido es una fuente interna de variaciones aleatorias de la señal, generado en mayor o menor medida por todos los componentes electrónicos. Típicamente se manifiesta en variaciones aleatorias superpuestas a la señal de eco recibida en el radar.
    Cuanta menor sea la potencia con que llega la señal de interés, más difícil será diferenciarla del fondo de ruido. Por tanto, la más importante fuente de ruido aparece en el receptor, por lo que debe dedicarse un gran esfuerzo a tratar de minimizar estos factores. La figura de ruido es una medida del ruido producido por el receptor en comparación con un receptor ideal y debe ser minimizada.
    El ruido también puede estar causado por fuentes externas al sistema, siendo sobre todo de gran impacto la radiación térmica natural del entorno que rodea al blanco que se desea detectar. En sistemas radar modernos, debido al gran rendimiento de sus receptores, el ruido interno es típicamente igual o menor que el externo. Una excepción es el caso en el que el radar está dirigido al cielo abierto; en este caso apenas se produce ruido de Johnson-Nyquist, también conocido como ruido térmico.

  • CLUTTER

    El término clutter hace referencia a todos aquellos ecos (señales de RF) recibidos por el radar que son, por definición, no deseados.
  • CAUSAS
  • Pueden estar causados por objetos del entorno, tales como: el mar, precipitaciones (lluvia, nieve o granizo), tormentas de arena, animales (especialmente pájaros), turbulencias atmosféricas y otros efectos atmosféricos como reflexiones ionosféricas y estelas de meteoritos.
  • Puede haber clutter debido a objetos fabricados por el hombre, sin intención de engañar al radar (edificios) o con ella ("chaffs").
  • Puede estar causado por una longitud excesiva de la guía de onda que conecta el transceptor del radar y la antena.
En un radar de tipo PPI (representación de distancia en función del azimut) con antena giratoria, este clutter se verá como un destello en el centro de la pantalla. En este caso el receptor estaría interpretando ecos de partículas de polvo y señales de RF indeseadas que vagan por la guiaonda. Este tipo de clutter se reduce reajustando el lapso entre el envío del pulso por parte del transmisor y el instante en que se activa la etapa de recepción. La explicación para esto es que la mayor parte de estos brillos están causados por el propio pulso transmitido antes de abandonar la antena.
  • Puede estar originado por la multitrayectoria de la señal de eco de un objetivo válido.
Los factores que pueden causar estos caminos múltiples son la reflexión terrestre y las refracciones atmosférica e ionosférica. Este clutter es especialmente molesto, ya que parece moverse y se comporta como si fuera un blanco de interés real, de modo que el radar detecta un objetivo "fantasma" que en realidad no existe.
El multitrayecto de la señal de eco hace que el radar detecte "blancos fantasma"
    En un escenario típico, un blanco fantasma causado por reflexión terrestre sería interpretado por el radar como un objetivo idéntico al real situado justo por debajo de este. El radar puede intentar unificar los objetivos considerando que el blanco fantasma está a una altura incorrecta o directamente eliminarlo por considerar que está causado por jitter o que su ubicación es físicamente imposible. Una buena opción para minimizar el impacto de este efecto es incorporar al radar un mapa topográfico de los alrededores que ayude a eliminar aquellos ecos que se detecten a alturas imposibles (por debajo del nivel del suelo o por encima de una determinada altura).
    Se puede dar la circunstancia de que una determinada fuente de clutter sea indeseable para una aplicación radar (ej: nubarrones en un radar de defensa aérea) pero positiva para otra (meteorológica). El clutter es considerado una fuente pasiva de interferencias, ya que sólo aparece como respuesta a los pulsos enviados por el radar.
  •  METODOS PARA DETECTAR Y NEUTRALIZAR EL CLUTTER
  • Generalmente, se fundamentan en el principio de que el clutter apenas varía entre diferentes barridos del radar. Por tanto, al comparar barridos consecutivos se comprobará que el blanco real se mueve, mientras que los ecos de clutter son estacionarios. El clutter marítimo se puede reducir empleando polarización horizontal, mientras que el de la lluvia se reduce con polarizaciones circulares (nótese que los radares meteorológicos utilizan polarización lineal porque lo que les interesa es precisamente detectar la lluvia).
  • El método CFAR es otra técnica basada en el hecho de que los ecos debidos al clutter son mucho más numerosos que los ecos producidos por objetivos de interés. Este método permite mantener un valor constante de la probabilidad de falsa alarma haciendo un promediado adaptativo del nivel real de ruido y ajustando automáticamente la ganancia del receptor. Si bien esto no ayuda cuando el blanco está rodeado por clutter muy fuerte, puede permitir identificar objetivos más o menos claros. En radares actuales este proceso está controlado por software. Es beneficioso en sistemas en los que sea crítico mantener una determinada probabilidad de falsa alarma.
  • En radares de control de tráfico aéreo actuales se emplean algoritmos para identificar blancos falsos comparando los ecos recibidos con otros adyacentes y calculando la probabilidad de que sea real por los datos de altura, distancia y tiempo.
  • Otros métodos se centran en reducir la relación señal/clutter.

  •  JAMMING

Pantalla de un radar marino.
    Se conoce como jamming a aquellas señales externas al sistema radar emitidas en las frecuencias de funcionamiento del mismo y que por tanto enmascaran los objetivos de interés. Puede ser intencionado para funcionar como contramedida electrónica o fortuito (por ejemplo, fuerzas amigas cuyos sistemas de comunicaciones usan la misma banda). El jamming está considerado como una fuente activa de interferencias, ya que está originado fuera del sistema radar y en general se trata de señales sin relación alguna con este.
     El jamming es muy problemático para los radares, pues suele tratarse de señales de mayor potencia que los ecos de interés (hay que tener en cuenta que la señal de interés recorre un camino de ida y vuelta radar-objetivo-radar, mientras que la señal interferente realiza solo un camino de ida). Las fuentes de jamming intencionado pueden por tanto ser efectivas emitiendo con mucha menos potencia que los radares que quieren confundir. La interferencia puede llegar al radar a través de la línea de visión directa ("Mainlobe Jamming" o "jamming de lóbulo principal") o por otros caminos ("Sidelobe Jamming" o "jamming de lóbulos secundarios o laterales").
  • REDUCCION DE JAMMIN
    La única manera de reducir el jamming de lóbulo principal es disminuir el ángulo sólido de dicho lóbulo (estrechar el "pincel"). Un jamming de lóbulo principal a la misma frecuencia y con la misma polarización que el radar no se puede eliminar completamente. El efecto del jamming de lóbulo lateral se puede atenuar reduciendo los lóbulos laterales del diagrama de radiación de la antena durante la fase de diseño de la misma. Una manera de conseguir esto es emplear arrays de tipo thinned o sparse. El uso de antenas omnidireccionales puede ayudar a identificar e ignorar señales que entran por los lóbulos secundarios. Otras técnicas anti-jamming son el frequency hopping o el uso de una determinada polarización, ya que si la polarización del jamming es diferente a la de la antena su efecto se ve muy reducido.
    La reciente proliferación de sistemas WiFi que operan en banda C (en torno a 5,66 GHz) se ha convertido en un problema para radares meteorológicos, que sufren interferencias.
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