martes, 13 de marzo de 2012

EL RADAR


EL RADAR



 -Introducción

Se trata de un sistema que usa ondas electromagnéticas de frecuencia muy elevada para medir distancias, altitudes, direcciones y velocidades de cualquier tipo de objetos. Funciona emitiendo un pulso de radio que es reflejado sobre el objetivo y vuelve a ser recibido en el emisor.


Imagen 1: Radar móvil situado en el remolque de un camión


Este sistema permite detectar objetos más allá del rango de otro tipo de emisiones (luz visible, sonido, etc.). Sus aplicaciones son muy diversas, es usado en meteorología para detectar sucesos tales como tormentas, huracanes y tornados,  se utiliza para controlar el tráfico de los aeropuertos, la NASA lo utiliza para crear los mapas topográficos de los planetas y también es usado para una aplicación por todos conocida, el control de velocidad de los vehículos.

Imagen 2: Volcán Komagate en Japón, mapa radar desarrollado por la NASA




Imagen 3: Radar meteorologico de un avion







 - Historia del radar


Imagen 4: Arnold Wilkins y Robert Watson-Watt


Debemos la creación de nuestro radar actual principalmente a Inglaterra, este fué desarrollado en 1935 por el físico Robert Watson-Watt. La invención del radar fue crucial para que la Royal Air Force tomara ventaja en la Batalla de Inglaterra, por aquel entonces aún era denominado RDF (Radio Direction Finding).

Antes del comienzo de la II Guerra Mundial Robert Watson-Watt, el cual era director del Laboratorio de Investigación de Radio, y su ayudante, otro físico llamado Arnold Wilkins, estaban a cargo de la invención de unrayo de la muerte, el cuál se supone que se inventó en los años 20 por, entre otros, Nikola Tesla. En la teoría Watson-Watt pretendía que este artefacto fuera capaz de elevar la temperatura del piloto enemigo a unos 41 ºC aproximadamente para que le provocara fiebre y este quedara incapacitado. Sin embargo su ayudante Wilkins le escribió:

                Mi cálculo mostró que, como era de esperarse, se necesitaba generar una potencia enorme a cualquier frecuencia de radio para producir fiebre en el cuerpo de un piloto de avión, aun en el improbable caso de que su cuerpo no estuviera protegido por el metal del fuselaje [...]. Como nada cercano a dicha potencia se podía producir, estaba claro que no era factible un rayo de la muerte por medio de la radio. Le dije esto a Watson-Watt al darle mi cálculo y me respondió: "Bien, si un rayo de la muerte no es posible, ¿cómo podemos entonces ayudarles? Yo contesté que los ingenieros de la Oficina de Correos se habían dado cuenta de perturbaciones en la recepción de muy altas frecuencias cuando algún avión volaba en la vecindad de sus receptores y que este fenómeno podría ser útil para detectar aviones enemigos"

La observación de Wilkins, hecha en enero de 1935, fue el punto de partida de una serie de acontecimientos que culminaron con la creación del radar. Los hechos referidos en la carta fueron observados en muchos lugares, pero se consideraron estas perturbaciones como estorbos que había que intentar evitar. De hecho la Oficina Postal Británica publico un informe en 1932 en la que sus científicos documentaron fenómenos en los que la señal electromagnética recibida era alterada tales como las tormentas eléctricas, los vientos, las lluvias, e incluso el vuelo de algún aeroplano en las proximidades. Wilkins conoció este informe de manera casual conversando con la gente de la Oficina Postal Británica al quejarse estos de dichas interferencias.

Al terminar sus cálculos Wilkins se los dio a Watson-Watt, el cual los considero fantásticos y, después de verificar los cálculos matemáticos, envío los resultados.


Imagen 5: Laboratorio de Nikola Tesla

- Funcionamiento

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

            - Eco: Se trata de un fenomeno producido cuando una onda se refleja contra un cuerpo y regresa a su emisor, podemos hablar de eco tanto para ondas sonoras como para ondas electromagneticas. Gracias a este fenomeno los radares son capaces de triangular la posicion de los objetos.

            - Efecto Doppler: Este fenómeno consiste en el cambio de la frecuencia de una onda producido por el movimiento de la fuente respecto a su observador. Al igual que el eco, es aplicable a ondas acusticas y electromagnéticas como demostro en 1848 .Hippolyte Fizeau descubriendo el mismo fenomeno para ondas electomagnéticas que habia descubierto  Chistian Andreas Doppler en 1842.

En el el caso del espectro visible de la radiacion electromagnética si el objeto se aleja del emisor la luz se desplaza a longitudes de onda mas largaas y si por el contrario se acerca, se desplazará a longitudes de onda más cortas. Esta desviacion no es apreciable po el ojo humano, a no ser que e objeto emiso se moviera a frecciones significativas de la velocidad de la luz, por lo que utilizamos instrumentos de precision para medi esta variacion tales como el espectrometro.
Imagen 6: Efecto Doppler



Principios

Existen varios principios que definen el funcionamiento de un radar:

-Reflexión: Como ya vimos en clase las ondas electromagnéticas se dispersan cuando hay cambios significativos en las constantes dielectricas o diamagnéticas (Repelidos por  los imanes).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.

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 por el contrario es mucho más grande que el tamaño del blanco, lo que ocurre es que este se polariza(separación física de las cargas positivas y negativas) como en un dipolo(visto en clase). 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 cm. o inferiores) que permiten detectar objetos del tamaño de una barra de pan



                                



-Ecuación del radar.

La potencia P reflejada a la antena de recepción está dada por la ecuación radar:


donde
ñPt= potencia transmitida
ñGt= ganancia de la antena de transmisión
ñAr= apertura efectiva (área) de la antena de recepción
ñσ= sección transversal del radar, o coeficiente de decaimiento del objetivo
ñF= factor de propagación del patrón
ñRt= distancia del transmisor al objetivo
ñRr= distancia del objetivo al receptor.



-Polarización
Como se vio en clase el campo electrico es perpendicular a la dirección de propagación de las cargas. La dirección de dicho campo determina la polarización de la onda. Los radares usan polarizaciones horizontales, verticales, lineales o circulares, en función de la aplicación (meteorológicas, militares, topografia...).

                          



-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. Dichas señales indeseadas pueden tener su origen en fuentes tanto internas como externas. La capacidad del sistema radar de sobreponerse a la presencias de estas señales define su relacion señal/ruido (SNR) y por lo tanto su calidad.

-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.


Procesado de señal en un sistema radar

-Medidas de distancia.
Hay varias formas de medir la distancia entre el radar y un objeto pero nos vamos a centrar en el tiempo de tránsito ya que en el funcionamiento se emplea un pulso electromagnético. Basta con calcular la distancia de retorno del pulso y mediante la siguiente formula tendremos una aproximacion de cual es la distancia del objeto.

                                                         
                                                             

ñ r = distancia estimada.
ñ C = velocidad de la luz.
ñ T = tiempo de tránsito.


Diseño de un radar

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





Refrerencias


Posible utilidad:
-          Curiosidades de radar http://usuarios.multimania.es/taxidemadrid/radarfuncion.htm
-          Resumen reflexión
http://www.radartutorial.eu/01.basics/rb04.es.html


Universidad Alfonso X el Sabio
Grado en Ingenieria de Sistemas de Telecomunicacion (GST).
Componentes del grupo: Ignacio Gonzalez-Outón 102817
                                      Juan vazquez 102508
                                      Alvaro Castro 102077
                                      Angel Camara Camarero 102527

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