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 un “rayo 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
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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