1. INTRODUCCIÓN

El radar (Radio Detection And Ranging) es un dispositivo que envía ondas electromagnéticas. Estas ondas se reflejan en los objetos y una porción de la energía de la onda original rebota hacia el radar, lee esta señal y la analiza. A partir de la señal se puede determinar varias propiedades del objeto original en el que se reflejo, como la posición o la velocidad de este. Se usa en la metereología el control del tráfico aéreo y terrestre y gran variedad de usos militares.


Varios inventores, científicos, ingenieros contribuido al desarrollo del radar. El primero en utilizar ondas de radio para detectar la presencia de objetos metálicos distantes Christian Hülsmeyer, que en 1904 demostró la viabilidad de detectar la presencia de un barco en caso de niebla densa, pero no su distancia. Recibió la patente por este dispositivo en abril de 1904.

Christian Hülsmeyer

En agosto de 1917 Nikola Tesla estableció por primera vez los principios relativos a la frecuencia y el nivel de potencia para los primeros radar.

Antes de la Segunda Guerra Mundial la evolución de los americanos, los alemanes, los franceses, los soviéticos, y los británicos llevaron a la versión moderna de radar. En 1934 el francés Émile Girardeau dijo que estaba construyendo un sistema de radar "concebido de acuerdo con los principios enunciados por Tesla" y obtuvo una patente por un sistema dual de radar. El mismo año, el Dr. Robert M. americana probo el primer radar monopulso y el ingeniero militar soviético PKOschepkov, en colaboración con el Instituto Electrofísico de Leningrado, construyeron RAPID un aparato experimental capaz de detectar aviones a una distancia de 3 a.m. del receptor.

Sin embargo, los británicos fueron los primeros en explotarlo como defensa contra ataque aéreos. Robert Watson-Watt demostró las capacidades de un prototipo funcional y lo patento en 1935 Sirvió como base para la red de radares Chain Home para la defensa de Gran Bretaña.

La guerra acelero la investigación para encontrar mejor resolución, más movilidad y más funciones para el radar. Después de la guerra apareció el uso del radar en distintos campos como el control del tráfico aéreo, la metereologia, astrometría y control del tráfico.

2. FUNDAMENTOS

2.1 Eco y efecto Doppler

El principio de funcionamiento de los radares se basa en dos sencillos fenómenos físicos: El eco y el efecto Doppler.

Eco. Al igual que un sonido, cuando una onda electromagnética que se propaga por el aire choca contra un obstáculo, parte de su energía es absorbida y parte reflejada hacia el emisor.

El retardo y las características de esta señal reflejada sirven al radar para determinar la posición, velocidad e incluso propiedades morfológicas del obstáculo encontrado.

Efecto Doppler. El efecto doppler consiste en la variación de frecuencia de una onda al ser emitida o recibida por un objeto en movimiento.

Cuando el emisor de una onda electromagnética se acerca al receptor, la frecuencia de la onda recibida será mayor que la frecuencia emitida. Si por el contrario la fuente de ondas se aleja del receptor, la frecuencia recibida será proporcionalmente menor.

Por delante del emisor los frentes de onda se aproximan, generando un aumento de frecuencia. Por detrás del emisor se produce el efecto contrario, los frentes de onda se separan y por tanto la frecuencia disminuye.

Esta variación de frecuencia se puede calcular a partir de la siguiente expresiónEl signo de las velocidades de receptor y emisor dependerá de si éstas son de alejamiento o acercamiento.

El signo de las velocidades de receptor y emisor dependerá de si éstas son de alejamiento o acercamiento .

2.2 Ecuación del radar

La ecuación radar es la base fundamental de la teoría de radares y representa una relación entre la potencia transmitida y la potencia recibida dada una determinada distancia hasta el objetivo.

La densidad de potencia que llega al objetivo según el esquema vendrá dada a partir de la siguiente expresión.

El RCS o sección equivalente radar indica la cantidad de energía que el objetivo refleja hacia el radar. Viene dado en unidades de superficie (m2) pero puede no guardar relación con la superficie física del obstáculo.
Utilizando este parámetro se calcula la densidad de potencia reflejada que regresa al radar.
Conociendo la ganancia de la antena receptora se puede calcular su área efectiva.

y a partir de ésta la potencia total recibida.

Esta expresión constituye la versión simplificada de la ecuación radar ya que no incluye pérdidas que normalmente afectan al receptor ni tampoco factores de despolarización.

Medidas con Radar

Como ya se ha comentado en varias ocasiones, el radar es un equipo capaz de fijar la posición y velocidad de un objetivo incluso a larga distancia y en condiciones meteorológicas adversas. A continuación se describen las principales ecuaciones de las que se sirve para conseguirlo.

Distancia

Para calcular la distancia con un radar se debe medir el retardo entre la señal transmitida y el eco recibido. Como las señales electromagnéticas se propagan a la velocidad de la luz y se caracterizan por seguir trayectorias rectas, la distancia a un objetivo específico se puede expresar como:

Dirección

Además de la distancia, es necesario medir la dirección angular del objetivo para poder determinar su posición. La dirección angular será simplemente la dirección en la que apunta la antena. Generalmente se utilizan antenas con un haz muy estrecho ya que cuanto más directiva sea la antena más precisa será la medida.

Velocidad

La velocidad radial del objetivo, en relación a la antena del radar, puede medirse observando el desfase de frecuencia doppler de la señal recibida. La diferencia de frecuencia vendrá dada por :
2.3 Polarización

El campo eléctrico de la señal que emite un radar es perpendicular a la dirección de propagación. La dirección de dicho campo determina 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).

3. TIPOS DE RADAR

Se puede hacer una clasificación general de los radares en función de una serie de aspectos básicos (según el número de antenas, el blanco, forma de onda, fiabilidad, frecuencia de trabajo)
Según el tipo de onda la clasificación es:

3.1 Radar de pulsos

El radar de pulsos envía señales en ráfagas muy cortas (millonésimas de segundo) pero de una potencia muy elevada. Para poder determinar la distancia el radar de pulsos mide el tiempo que la señal tarda en alcanzar el objetivo y volver al receptor (tiempo de vuelo).

A partir de este tiempo y la velocidad de propagación de una onda electromagnética se calcula la distancia.

Si se realiza un seguimiento del objetivo con varios pulsos separados un determinado tiempo "T (segundos)" se puede conocer también su velocidad según los cambios de posición con cada pulso transmitido
Muchos radares meteorológicos utilizan esta tecnología ya que es interesante localizar una tormenta o un huracán pero su velocidad no es tan elevada como para ser medida haciendo uso del radar.

3.2Radar de onda continua

Los radares de onda continua, como su nombre indica, utilizan señales continuas en vez de ráfagas cortas. Se diferencian dos tipos, el radar doppler y el radar FM.

El radar doppler se utiliza para realizar medidas precisas de la velocidad de un objeto. Este tipo de radar transmite una onda continua de frecuencia fija. Cuando esta señal encuentra un objeto en movimiento la frecuencia de la onda reflejada cambia con respecto a la transmitida que se toma de referencia. Utilizando esta variación de frecuencia el radar determina la velocidad del objetivo.

Los radares de tráfico de la policía y los utilizados en competiciones deportivas son algunos ejemplos de radares con esta tecnología.
Los radares FM también emiten señales continuas pero en este caso moduladas en frecuencia. A diferencia del radar doppler, estas variaciones en frecuencia de la señal transmitida permiten no sólo conocer la velocidad del objetivo sino también su posición

4. FRECUENCIAS DE FUNCIONAMIENTO

A continuación se muestra una lista con las frecuencias y longitudes de onda para cada banda:

HF
3-30 MHz
10-100 m
Radares de vigilancia costera, vigilancia OTH (over-the-horizon)

P
< 300 MHz
1 m+
'P' de "previo", aplicado de forma retrospectiva a los sistemas radar primitivos

VHF
50-330 MHz
0.9-6 m
Vigilancia a distancias muy elevadas, penetración en el terreno

UHF
300-1000 MHz
0.3-1 m
Vigilancia a distancias muy elevadas (ej: detección de misiles), penetración en el terreno y a través de la vegetación

L
1-2 GHz
15-30 cm
Distancias elevadas, control de tráfico en ruta

S
2-4 GHz
7.5-15 cm
Vigilancia a distancias intermedias. Control de tráfico en terminales. Condiciones meteorológicas a largas distancias

C
4-8 GHz
3.75-7.5 cm
Seguimiento a distancias elevadas. Meteorología

X
8-12 GHz
2.5-3.75 cm
Guía de misiles, meteorología, cartografía de resolución media. Seguimiento a distancias cortas

Ku
12-18 GHz
1.67-2.5 cm
Cartografía de alta resolución. Altímetros para satélites

K
18-27 GHz
1.11-1.67 cm
Absorción del vapor de agua. Se usa para meteorología, para detectar nubes. También para control de velocidad de motoristas.

Ka
27-40 GHz
0.75-1.11 cm
Cartografía de muy alta resolución vigilancia de aeropuertos. Usado para accionar cámaras para fotografíar matrículas de coches infractores

.Q
40-60 GHz
7.5 mm - 5 mm
Comunicaciones militares

V
50-75 GHz
6.0-4 mm
Absorbido por la atmósfera

E
60-90 GHz
6.0-3.33 mm

W
75-110 GHz
2.7 - 4.0 mm
Se usa como sensor para vehículos autónomos experimentales, meteorología de alta resolución y tratamiento de imágenes.

5. APLICACIONES

Aparte de en la navegación marítima y aérea, el radar ha encontrado una aplicación casi universal en la meteorología y la predicción del tiempo, no sólo para localizar perturbaciones importantes como los huracanes o los tornados, sino para efectuar seguimientos de las condiciones climatológicas locales. Los equipos de radar también proporcionan información acerca del volumen de las precipitaciones, y permiten alertar con antelación sobre posibles inundaciones.

Un importante desarrollo reciente es el uso del LIDAR para controlar la contaminación atmosférica y otras partículas en suspensión, pues a menudo se pueden identificar otros tipos de sustancias químicas y medir su concentración.

La policía utiliza otro tipo de radar en el control del trafico, para determinar la velocidad de los vehículos y cuantificar la densidad del tráfico en las principales calles, así como para controlar automáticamente los semáforos.

Una de las aplicaciones principales del radar es el control del tráfico aéreo a fin de guiar los aviones hasta las pistas de aterrizaje y tener controlados a los que se encuentran en vuelo. El sistema de aproximación controlado desde tierra se compone de dos haces de radar diferentes, uno que efectúa el barrido en vertical y el otro en horizontal. El piloto dispone de un receptor de radio, y de hecho es conducido totalmente por los técnicos de tierra. A este fin también se utilizan los faros de radar. Se diferencian de los primeros por cuanto precisan de un radar a bordo del avión. La mayoría de los radares van equipados con un conmutador para pasar de la función de búsqueda a la de faro. Los impulsos de éste son relativamente prolongados; cuando son emitidos por el avión, los capta el faro de radar que comunica al avión su posición, apareciendo en la pantalla.

Los últimos avances, entre los que se incluyen la mejora de las técnicas para aumentar el contraste entre las señales buenas en el radar y las de ruido aleatorio, han aumentado de manera notable el alcance operativo del radar, ampliando su aplicación a la observación de los misiles de gran altitud y los satélites artificiales. Estas técnicas también encuentran aplicación en la astronomía radar. El radar es, además, un elemento esencial de los sistemas de defensa la hora de detectar los misiles balísticos intercontinentales.

6.BIBLIOGRAFIA

Wikipedia

Enciclopedia encarta

Introduction to Radar Systemms - Merrill Skolnik

Radar: Principles, Technology, Applications - Byron Edde