Introduccin a los sistemas radarUn radar es un instrumento electrnico que utiliza ondas electromagnticas de frecuencia muy elevada para determinar la posicin, la velocidad y las caractersticas de los objetos situados fuera del alcance visual. Fue desarrollado en 1934 por un equipo de tcnicos britnicos bajo la direccin de Watson Watt y demostr su eficacia en el mbito militar durante la II Guerra Mundial.

Figura 1. Radar mvil situado en el remolque de un camin.

A partir de entonces sus aplicaciones se han diversificado enormemente, lo usan los meteorlogos para detectar tormentas, huracanes y tornados, los controladores areos para ordenar el trfico de los aeropuertos, la NASA para crear mapas topogrficos de los planetas y la policia para determinar la velocidad a la que circulan los vehculos.

Figura 2. Volcn Komagate en Japn, mapa radar desarrollado por la NASA

En los siguientes apartados se describe el principio de funcionamiento, ecuaciones y diagrama de bloques de los distintos tipos de radar.

Eco y efecto DopplerEl principio de funcionamiento de los radares se basa en dos sencillos fenmenos fsicos: El eco y el efecto Doppler.

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

Figura 1. Ejemplo de eco sonoro.

El retardo y las caractersticas de esta seal reflejada sirven al radar para determinar la posicin, velocidad e incluso propiedades morfolgicas del obstculo encontrado.

Efecto Doppler. El efecto doppler consiste en la variacin de frecuencia de una onda al ser emitida o recibida por un objeto en movimiento.Cuando el emisor de una onda electromagntica se acerca al receptor, la frecuencia de la onda recibida ser mayor que la frecuencia emitida. Si por el contrario la fuente de ondas se aleja del receptor, la frecuencia recibida ser proporcionalmente menor. En la siguiente aplicacin se puede apreciar claramente la variacin de frecuencia de las ondas propagadas cuando el emisor se encuentra en movimiento. Descarga aqu el software de Java si no puedes ver la aplicacin.

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

Esta variacin de frecuencia se puede calcular a partir de la siguiente expresin.

El signo de las velocidades de receptor y emisor depender de si stas son de alejamiento o acercamiento.

Ecuacin RADARLa ecuacin radar es la base fundamental de la teora de radares y representa una relacin entre la potencia transmitida y la potencia recibida dada una determinada distancia hasta el objetivo.

Figura 1. Esquema de la propagacin de la seal RADAR para la teledeteccin de objetivos.

La densidad de potencia que llega al objetivo segn el esquema vendr dada a partir de la siguiente expresin.

El RCS o seccin equivalente radar indica la cantidad de energa que el objetivo refleja hacia el radar. Viene dado en unidades de superficie (m2) pero puede no guardar relacin con la superficie fsica del obstculo. Utilizando este parmetro se calcula la densidad de potencia reflejada que regresa al radar.

Conociendo la ganancia de la antena receptora se puede calcular su rea efectiva.

y a partir de sta la potencia total recibida.

Esta expresin constituye la versin simplificada de la ecuacin radar ya que no incluye prdidas que normalmente afectan al receptor ni tampoco factores de despolarizacin.

MEDIDAS CON RADARComo ya se ha comentado en varias ocasiones, el radar es un equipo capaz de fijar la posicin y velocidad de un objetivo incluso a larga distancia y en condiciones meteorolgicas adversas. A continuacin 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 seal transmitida y el eco recibido. Como las seales electromagnticas se propagan a la velocidad de la luz y se caracterizan por seguir trayectorias rectas, la distancia a un objetivo especfico se puede expresar como:

Direccin Adems de la distancia, es necesario medir la direccin angular del objetivo para poder determinar su posicin. La direccin angular ser simplemente la direccin en la que apunta la antena. Generalmente se utilizan antenas con un haz muy estrecho ya que cuanto ms directiva sea la antena ms precisa ser la medida. Velocidad La velocidad radial del objetivo, en relacin a la antena del radar, puede medirse observando el desfase de frecuencia doppler de la seal recibida. La diferencia de frecuencia vendr dada por:

Tipos de radaresEn funcin de la seal transmitida se distinguen dos tipos de radares, el radar de pulsos y el radar de onda continua.

Radar de pulsosEl radar de pulsos enva seales en rfagas muy cortas (millonsimas de segundo) pero de una potencia muy elevada. Para poder determinar la distancia el radar de pulsos mide el tiempo que la seal tarda en alcanzar el objetivo y volver al receptor (tiempo de vuelo). A partir de este tiempo y la velocidad de propagacin de una onda electromagntica se calcula la distancia.

Figura 1. Seal transmitida en un radar de pulsos.

Si se realiza un seguimiento del objetivo con varios pulsos separados un determinado tiempo "T (segundos)" se puede conocer tambin su velocidad segn los cambios de posicin con cada pulso transmitido.

Muchos radares meteorolgicos utilizan esta tecnologa ya que es interesante localizar una tormenta o un huracn pero su velocidad no es tan elevada como para ser medida haciendo uso del radar.

Radar de onda continuaLos radares de onda continua, como su nombre indica, utilizan seales continuas en vez de rfagas 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 seal encuentra un objeto en movimiento la frecuencia de la onda reflejada cambia con respecto a la transmitida que se toma de referencia. Utilizando esta variacin de frecuencia el radar determina la velocidad del objetivo. Los radares de trfico de la policia y los utilizados en competiciones deportivas son algunos ejemplos de radares con esta tecnologa.

Figura 2. Medida de la velocidad con un radar doppler en una competicin automovilstica.

Los radares FM tambin emiten seales continuas pero en este caso moduladas en frecuencia. A diferencia del radar doppler, estas varaciones en frecuencia de la seal transmitida permiten no slo conocer la velocidad del objetivo sino tambin su posicin.

Partes del radarA continuacin se detallan los principales bloques que conforman tanto un radar de pulsos como uno de onda continua.

Radar de pulsosLos componentes bsicos de un radar de pulsos sencillo son los siguientes: - Sincronizador. Es el bloque encargado de generar la seal que marca la transmisin del pulso radar. El receptor utiliza tambin esta seal para inicializar su reloj interno en espera del eco devuelto por el obstculo. - Oscilador. El oscilador produce la seal de radiofrecuencia que se transmite a travs de la antena. Las frecuencias utilizadas van desde los centenares de MHz hasta los 3040GHz. El oscilador tambin debe incluir un amplificador para obtener la potencia necesaria, 2-3 Kw. - Receptor. Est sintonizado a la misma frecuencia de transmisin y se encarga de amplificar los ecos devueltos y transformarlos en informacin capaz de ser representada en pantalla. - Interruptor TX-RX. La mayora de los radares de pulsos utilizan la misma antena para enviar y recibir la seal. Este bloque conecta la antena al receptor o al transmisor en funcin de la seal de sincronizacin. - Fuente de alimentacin. Entrega la energa elctrica que necesitan todos los componentes dentro del radar. - Pantalla. Representa los resultados obtenidos.

Figura 1. Diagrama de bloques de un radar de pulsos.

Radar de onda continuaA diferencia del radar de pulsos en el que se alterna transmisin y recepcin, en un radar de onda continua se transmite y recibe constantemente por lo que son necesarias dos antenas. Los principales componentes de este tipo de radares son los siguientes: - Transmisor de onda continua. Genera la seal de salida hacia la antena. Esta suele ser senoidal de frecuencia y amplitud constante. Su potencia est entre 10 y 100 veces por debajo de la utilizada en el radar de pulsos. - Antenas. Como ya se ha comentado los radares de onda continua requieren dos antenas, una de transmisin y otra de recepcin. Para evitar que la seal transmitida vaya directamente de una antena a la otra se debe colocar una barrera fabricada con materiales y formas que absorban las ondas electromagnticas. - Mezclador. El mezclador forma la primera etapa de recepcin, obtiene informacin sobre la amplitud y la variacin de frecuencia del eco recibido con respecto a la seal enviada. La salida del mezclador vendr dada en una frecuencia muy inferior a la radiada con lo que su procesado ser mucho ms sencillo y de menor coste econmico. - Amplificacin y procesado de seal. En este punto el radar

amplifica la seal y analiza su contenido. En un radar moderno esta operacin se realiza bajo el control de un ordenador. - Pantalla. Monitor donde se despliega la informacin recogida de las seales radar.

Figura 2. Diagrama de bloques de un radar de onda continua.

Evitar ser detectadoEl radar es una herramienta extremadamente eficaz a la hora de detectar objetivos, no obstante existen tcnicas de camuflaje radioelctrico que consiguen hacer desaparecer cualquier objeto de sus pantallas.

Estas tcnicas estn dirigidas a reducir el eco o la reflexin de las ondas electromagnticas sobre la superficie del objetivo. Se utilizan fundamentalmente fenmenos de dispersin y de absorcin.

DispersinFormas planas o curvas reflejan las ondas EM desde cualquier ngulo ofreciendo al radar un eco claro.

Por el contrario, un acabado en diente de sierra reduce al mnimo el nmero de lbulos reflejados y por tanto las posibilidades de ser detectado.

Figura 1. Dispersin de la seal en funcin de la forma del objetivo.

AbsorcinUna segunda medida para evitar la reflexin de las seales radar consiste en cubrir el objetivo con un material que absorba su energa electromagntica. Este recubrimiento suele estar formado por componentes de fibra de carbono y ferritas magnticas.

Figura 2. Tcnicas de absorcin de la seal.

En las siguientes fotografas se puede observar el resultado poco convencional que se obtiene al aplicar estas tcnicas de camuflaje.