1. Radar ----------------------William Andrés Rodríguez 11-01 JM

2. Radar El radar (término derivado del acrónimo inglés RAdioDetectionAnd Ranging, “detección y medición de distancias por radio”) 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 (luz visible, sonido, etc.) Entre sus ámbitos de aplicación se incluyen la meteorología, el control del tráfico aéreo y terrestre y gran variedad de usos militares.

3. Ecuación radar La potencia Pr reflejada a la antena de recepción está dada por la ecuación radar: 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.

4. En el caso común donde el transmisor y el receptor están en el mismo lugar, Rt = y el término Rt² Rr² puede ser reemplazado por R4, donde R es la distancia. Esto resulta en: 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.

5. 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-frecuencia (WeylHeisenberg o wavelet), así como la transformada 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

6. Radar de impulsos Doppler El radar Doppler pulsado es un sistema de radar capaz no sólo de medir el rumbo, distancia y altitud de un objeto, sino también de detectar su velocidad. Su sistema de localización se basa en emitir trenes de pulsos a una frecuencia determinada y utilizar el efecto Doppler para determinar la velocidad transversal relativa de los objetos. Este tipo de radares presentan ambigüedad en la medida de distancias por lo que no son muy útiles para labores de localización.

8. Fundamento físico El radar Doppler se basa en el hecho de que objetos en los que existe movimiento con respecto al radar en la componente perpendicular a la dirección de iluminación producen una alteración en la frecuencia de la onda electromagnética cuando esta incide sobre ellos. Los objetos que se acerquen a la fuente influirán positivamente en la frecuencia del eco que produzcan y objetos que se alejen influirán negativamente en esta relación, siendo mayor la frecuencia de la onda emitida por la fuente que la del eco. La diferencia entre las frecuencias emitidas y recibidas permiten calcular la velocidad del objeto en movimiento. El cálculo de la velocidad se basa en el conocimiento previo de la frecuencia del radar, de la velocidad de la luz, del número de pulsos emitidos por segundo y de la diferencia entre la frecuencia emitida y la producida por su eco.

9. Demodulación de señales El receptor de video procesa con filtos de velocidad doppler o circuitos de procesado de señales digitales que se usan para determinar velocidad. Los más modernos radares de pulsos Doppler demodulan las señales de entrada de radiofrecuencia hacia una frecuencia central en cero, anterior al muestreo digital. Eso se hace para reducir sesgos computacionales, ya que la señal demodulada puede ser rebajada pesadamente y así reducir el monto de datos necesarios de almacenar. La señal resultante es usualmente referida a complejo demodulado, o IQ-data, donde IQ da en-fase y en cuadratura-fase, reflejando el hecho de que la señal es un número complejo, con una parte real y otra imaginaria.

10. Por ejemplo, una señal modulada puede ser S(t) = cos(ω0t + φ(t)), y luego puede ser demodulada usando: IH(t) = S(t)cos(ω0t) y QH(t) = S(t)sin(ω0t) Usando un filtro de bajo paso en ambos IH(t) y en QH(t) permite lo siguiente: I(t) = cos(φ(t) + Φ) y Q(t) = sin(φ(t) + Φ) Note que I(t) no sería suficiente debido a que la señal se pierde. Teniendo a I(t) y a Q(t) permitirá al radar apropiadamente mapear y proveer velocidades Doppler.

11. historia En 1864, James Clerk Maxwell describe las leyes del electromagnetismo. En 1888, HeinrichRudolf demuestra que las ondas electromagnéticas se reflejan en las superficies metálicas. Durante el Siglo XX, muchos inventores, científicos e ingenieros han contribuido en el desarrollo del radar, impulsados sobre todo por el ambiente prebélico que precedió a la Segunda Guerra Mundial, y a la propia Guerra. Los grandes países que participaron en ella fueron desarrollando de forma paralela distintos sistemas radar, aportando grandes avances cada uno de ellos para llegar a lo que hoy conocemos sobre los sistemas radar.

12. En 1904 Christian Huelsmeyer patenta el primer sistema anticolisión de buques utilizando ondas electromagnéticas Desarrollo de la radio y de la transmisión inalámbrica (por Marconi, entre otros), gracias a lo cual se desarrollan las antenas. En 1917, Nikola Tesla establece los principios teóricos del futuro radar (frecuencias y niveles de potencia). En 1934, y gracias a un estudio sistemático del magnetrón, se realizan ensayos sobre sistemas de detección de onda corta siguiendo los principios de Nikola Tesla. De este modo nacen los radares de ondas decimétricas.

13. PrincipiosReflexión 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.

14. 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 Cuando las dos escalas son similares pueden darse efectos de resonancia.

15. 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 (de pocos centímetros o inferiores) 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.

17. Polarización 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).

18. 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.

19. 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.

20. Clutter El término clutterhace 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.

21. 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.

22. Métodos 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

23. 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.

24. Diseño de radares Componentes de un radar Un radar consta de los siguientes bloques lógicos: Un transmisor que genera las señales de radio por medio de un oscilador controlado por un modulador. Un receptor en el que los ecos recibidos se llevan a una frecuencia intermedia con un mezclador. No debe añadir ruido adicional. Un duplexor que permite usar la antena para transmitir o recibir. Hardware de control y de procesado de señal. Interfaz de usuario.

25. Diseño del transmisor El núcleo del transmisor lo forma un dispositivo oscilador. La elección de este se realiza en virtud de las características que se requieren del sistema radar (coste, vida útil, potencia de pico, longitud de los pulsos, frecuencia...) Los osciladores más utilizados son: Magnetrón: es el más utilizado a pesar de que se trata de una tecnología algo vieja. Son pequeños y ligeros. Pueden funcionar a frecuencias de entre 30 MHz y 100 GHz y proporcionan buena potencia de salida. Klistrón: algo más grandes que los anteriores, llegan a funcionar solamente hasta los 10 GHz. La potencia de salida que proporcionan puede quedarse corta en algunos casos. TWT (Tubo de ondas progresivas): para radares de 30 MHz a 15 GHz, buena potencia de salida.

26. Modulador El modulador o pulsador es el elemento encargado de proporcionar pequeños pulsos de potencia al magnetrón. Esta tecnología recibe el nombre de "potencia pulsada". Gracias al modulador, los pulsos de RF que emite el oscilador están limitados a una duración fija. Estos dispositivos están formados por una fuente de alimentación de alto voltaje, una red de formación de pulsos (PFN) y un conmutador de alto voltaje (como un tiratrón). Si en lugar de magnetrón se usa un tubo klistrón, este puede actuar como amplificador, así que la salida del modulador puede ser de baja potencia.