RADAR

El radar (término derivado del acrónimo inglés RAdio Detection And 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.

Antena de radar de detección a larga distancia

Historia

En 1864, James Clerk Maxwell describe las leyes del electromagnetismo. En 1888, Heinrich Rudolf Hertz 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. 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.

Principios

Reflexión

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 (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.

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).

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).

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.

El multitrayecto de la señal de eco hace que el radar detecte "blancos fantasma"

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. 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.

Pantalla de un radar marino.