Radar TECNOL.

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Tecnología

Equipo electrónico destinado a la detección y localización de objetos mediante la emisión y recepción de campos electromagnéticos. La palabra r. es un acróstico de la denominación que en inglés se da al principio de funcionamiento del citado equipo: Radio Detection and Ranging (detección y determinación de distancias mediante ondas de radio). El principio de funcionamiento del r. se basa en la propiedad que tienen los cuerpos materiales de reflejar en todas direcciones, y con intensidad variable, que depende de la naturaleza del cuerpo, las ondas electromagnéticas (comprendidas dentro de un determinado intervalo de frecuencias) que contra ellos chocan.

Basándose en esta propiedad se ve que si se logra lanzar al espacio, y en una dirección determinada previamente conocida, una onda electromagnética, ésta, al desplazarse en esa dirección, posiblemente chocará contra un cuerpo material, y, por tanto, será reflejada en todas direcciones por él; parte de esta oscilación ya reflejada regresará en la misma dirección, pero con sentido opuesto al de la onda emitida, hacia el punto desde donde fue lanzada; si en ese punto se recoge esa onda reflejada y se mide el intervalo de tiempo que ha transcurrido desde que fue emitida al espacio hasta que ha sido recogida por él, se tendrá una magnitud proporcional a la distancia a la cual se halla el objeto reflectante, ya que la velocidad de desplazamiento de la onda es prácticamente constante y conocida: 300.000 Km/seg. La distancia a la cual se encuentra el objeto está dada por la ecuaciónOtd=3 -102 m/seg. 2 ,en donde d es la distancia que se desea calcular en metros, y At el tiempo medido en microsegundos. La dirección sobre la cual debe situarse esta distancia, y por consiguiente localizar el objeto, es aquella en que fue emitida la onda electromagnética.

1. Principios de funcionamiento. Un r., en principio, está básicamente formado por un emisor de oscilaciones electromagnéticas conectado a una antena altamente directiva, y por un receptor de las mismas oscilaciones, conectado igualmente a una antena directiva situada lo más próxima posible a la del emisor y orientada en la misma dirección; en muchas ocasiones, la antena emisora y la receptora son una misma y única antena (v.). Entre emisor y receptor, y cuando es necesario según el tipo de r., existe un sincronizador, que determina y ajusta los periodos de trabajo de ambos. La salida del receptor se conecta a una unidad indicadora, más conocida por consola, en la cual, y bajo una forma generalmente visual, se presentan los objetos detectados (cuya localización depende de su posición en la misma). La fig. 1 es el esquema de bloques de un r. en general.

El emisor de un r. está fundamentalmente formado por un oscilador, encargado de producir las oscilaciones electromagnéticas de alta frecuencia, VHF, UHF y microondas, y de gran potencia, que luego deben ser lanzadas al espacio por la antena. Las oscilaciones emitidas deben ser de alta frecuencia, porque con ello se reducen las dimensiones de las antenas, conservándose la direccionalidad. Si se deseara emitir en una dirección bien definida una oscilación de frecuencia no muy elevada, sería necesaria una antena de dimensiones nada fáciles de manejar a la hora de su orientación; por ello se opta por aumentar la frecuencia de emisión. Igualmente, la oscilación emitida debe ser de gran potencia por el hecho de que se trabaja con distancias también muy grandes. La potencia del campo electromagnético emitido decrece con la cuarta potencia de la distancia:P,Gz,P. (4,)3D4 , donde P, es la potencia del eco recibido; M, la potencia del impulso de emisión; G, la ganancia de la antena (es decir, la relación entre la energía que se radia en unadirección determinada y la que proporcionaría una antena isotrópica, que radia con igual intensidad en todas las direcciones, suponiendo que ambas están conectadas a transmisiones de la misma potencia de salida); Á, la longitud de onda; a-, la superficie reflejante del blanco; D, la distancia r.-objeto; esto, añadido a que la oscilación debe llegar hasta el objeto, ser reflejada en él, y volver al punto de origen, obliga a que en el momento de la emisión se lancen al espacio, dependiendo desde luego de la finalidad del r. en cuestión, del orden de varios cientos de kW (desde 10 kW a 10 MW).

Existen dos tipos principales de emisor: aquel en el cual el oscilador es autoexcitado, p. ej., el que emplea el magnetrón (tubo electrónico de microondas en el que el haz de electrones está enfocado por campos estáticos eléctricos y magnéticos, que son mutuamente perpendicu= lares entre sí y a la dirección del flujo de los electrones), en el cual a la salida de la citada válvula ya se obtiene la elevada potencia de alta frecuencia, y aquel en que el oscilador sólo produce la alta frecuencia, siendo luego preciso amplificar ésta para obtener la elevada potencia necesaria en la emisión. Tal es el caso del oscilador con klistrón (válvula electrónica utilizada para la amplificación o generación de ondas radio en el campo de las microondas), en el cual la alta frecuencia se genera normalmente en un oscilador de cristal de cuarzo controlado, debiendo luego ser amplificada por el klistrón.

El receptor es la parte más importante y delicada de un equipo de r.; debe reunir los siguientes requisitos: a) poseer ganancia elevada, para amplificar suficientemente los reflejos procedentes de aquellos objetos que se hallen más distantes; b) el ruido propio del receptor, sobre todo el de sus primeras etapas, debe ser lo menor posible, para no enmascarar los reflejos más débiles; y c) los reflejos amplificados a la salida del receptor deben ser fiel reproducción de los que a su entrada le facilita la antena, puesto que con ello se aumenta la exactitud en la determinación de posición y tamaño del objeto detectado. El receptor, del tipo superheterodino, consta generalmente de una o varias etapas amplificadoras de radio frecuencia, de un primer demodulador, varias etapas amplificadoras de frecuencia intermedia, y de un segundo demodulador, el cual ya facilita a la unidad indicadora la envolvente de la oscilación reflejada.

El sincronizador, que forma parte de la unidad sincronizadora, es una sencilla base de tiempos que produce periódicamente una serie de impulsos destinados a controlar el y duración de los ciclos de emisión y de recepción, y obtener, por consiguiente, un funcionamiento correcto y ordenado de todas las partes del equipo. La unidad indicadora permite a un operador de r. percibir sensorialmente que el equipo ha localizado un objeto, facilitándole datos sobre su posición. Generalmente, está formada por un tubo de rayos catódicos, en cuya pantalla se dibujan, según los diversos tipos, unas señales distintivas, indicadoras de la presencia de objetos reflectantes. El duplexor es un dispositivo que permite la utilización de una única antena, tanto para la emisión como para la recepción. Tanto la unidad sincronizadora como el duplexor sólo se emplean en determinados tipos de r. La antena de un r. también juega un papel importante en la constitución de éste; debe cumplir principalmente dos requisitos: lanzar al espacio la máxima cantidad de energía que le es facilitada por el emisor y de forma eminentemente direccional; y además recoger la máxima cantidad posible de la debilísima energía que le llega reflejada por el objeto.

La emisión-recepción direccional de una antena de r. no es generalmente, salvo en determinados equipos, una línea perfectamente orientada en acimut y elevación, sino que acostumbra a ser un plano perpendicular al plano terrestre, bien permanentemente orientado en un determinado acimut, bien explorando continuamente a su alrededor, mediante un giro continuado de la antena que lo produce sobre su eje. En la fig. 2 están representados los diagramas de radiación vertical y horizontal de una antena característica de r. de impulsos. En la práctica, el plano vertical ideal se convierte en un haz de planos, cuya menor abertura da mejor resolución al r. en cuestión; existen antenas capaces de producir haces de abertura inferior a 2,5°.

2. Tipos de radar. Considerando las distintas partes de un r. se pueden diferenciar varios tipos genéricos. En primer lugar, atendiendo a la pareja emisor-receptor y según sea la señal emitida, tendremos: a) R. de onda continua; en él, el emisor trabaja continuamente lanzando al espacio una oscilación electromagnética de frecuencia fija; debido a este hecho, no existe ningún punto de referencia a partir del cual se pueda comenzar a contar el tiempo transcurrido, y es, por tanto, imposible medir distancias con este tipo de r.; su utilidad, sin embargo, es notoria, puesto que, debido al efecto Doppler (v.), los objetos que poseen un movimiento relativo, con respecto al punto de emisión, reflejan la oscilación con una frecuencia ligeramente distinta a la emitida. La diferencia entre la frecuencia de la oscilación emitida y la de laoscilación recibida es función de la velocidad relativa del objeto con respecto al r., por lo que midiendo esta diferencia de frecuencias se puede determinar la velocidad del objeto.

b) R. de onda continua con modulación de frecuencia. La oscilación electromagnética emitida por este r. está modulada en frecuencia, y se emite también continuamente. Su modulación en frecuencia permite obtener una referencia para la medición de distancias, por la simple comparación entre la frecuencia reflejada por un objeto, y recibida en un momento dado, y la frecuencia que en ese momento está lanzando al espacio el emisor. Los dos r. descritos hasta aquí precisan antenas emisoras y receptoras distintas e independientes (esta dificultad se ha vencido mediante el empleo de un circuito de aislamiento que protege el receptor de la salida del transmisor para potencias de hasta 200 W), no poseyendo, por tanto, ni duplexor ni sincronizador.

c) Radar de impulsos. En él el emisor trabaja tan sólo durante un periodo de tiempo muy corto, en el cual lanza al espacio un breve tren de ondas electromagnéticas, en forma de impulso de muy corta duración, del orden de algunos ws; a continuación, y durante un periodo de tiempo más largo, entra en juego el receptor, que espera le llegue alguna reflexión del impulso lanzado por el emisor. Transcurrido el tiempo de trabajo del receptor, que será más o menos largo según se desee obtener un r. de alcance mayor o menor respectivamente, vuelve el emisor a lanzar un impulso escrutador, reiniciándose el ciclo de trabajo. El periodo de trabajo del receptor suele ser del orden de ms, y el ciclo completo de trabajo del emisor-receptor se repite varios cientos de veces por segundo.

d) Radar Doppler de impulsos o MTI (Moving Target Indication, indicación de blancos móviles). En él, y mediante una depurada técnica, se mide, además del tiempo que tarda en ser reflejada la oscilación, la desviación de frecuencia que experimenta aquélla al ser reflejada por un objeto en movimiento, pudiendo obtenerse a la salida del receptor y hacia la unidad indicadora, según voluntad del operador, bien todas las señales reflejadas, tanto por objetos móviles como por objetos fijos, bien sólo las reflejadas por los objetos móviles. Este tipo de r. es el más empleado en la actualidad para la navegación marítima y aérea.

Atendiendo a la presentación que se realiza en la unidad indicadora, existen dos tipos principales: a) Presentación tipo A. Un haz de electrones recorre periódicamente en la misma dirección y sentido la pantalla de un tubo de rayos catódicos, con una velocidad que depende del alcance del r.; cuando es detectado un objeto, el haz experimenta una deflexión, que dibuja en la pantalla un pico proporcional a la intensidad de la señal reflejada y situado a una distancia del origen del barrido proporcional a la distancia real (fig. 3); b) Presentación PPI (Plan Position Indication, indicación de posición en el plano). En este caso, el haz de electrones, partiendo del centro de un tubo de rayos catódicos circular y siguiendo una trayectoria radial, explora en todas direcciones consecutivamente. Normalmente, el haz sólo impresiona sobre la pantalla cuando es detectado un objeto, dejando sobre ella una mancha luminosa persistente; mediante escalas superpuestas, puede determinarse sobre la pantalla la orientación y la distancia del objeto reflectante, así como su tamaño, según sea el tamaño de la mancha impresionada (fig. 4). La presentación A es muy empleada en r. cuyas antenas están constantemente orientadas en una dirección, mientras que la presentación PPI lo es en aquellos r. en los que la antena explora continuamente a su alrededor girando sobre sí misma; en ellos, el giro de la antena y el del haz explorador en el tubo de rayos catódicos están siempre sincronizados.

En cuanto al papel que desempeñan los objetos a detectar, podemos señalar dos tipos más de r.: primario y secundario. En el primario, los objetos tanto fijos como móviles se limitan a actuar como meros espejos que devuelven, reflejándola, la señal recibida. En el secundario, los objetos, con conocimiento de que pueden ser detectados, recogen la señal lanzada por el r. y con ella activan un emisor (transponder) que llevan consigo, el cual genera una nueva señal, de frecuencia distinta a la emitida por el r., pero para la cual ya se halla debidamente preparado su receptor. Esta nueva señal contiene información que permite, una vez descodificada y presentada, bien en la unidad indicadora, bien en impresoras adyacentes a ella, identificar rápida y perfectamente a cada uno de los objetos que llevan transponder. Un r. secundario trabaja siempre como complemento y ayuda de un primario, ynunca independientemente, ya que en su unidad indicadora sólo aparecen aquellos objetos equipados con transponder, mientras que los que no están equipados con él no son detectados por el r. secundario. Se acostumbra, por tanto, a presentar sobre una misma unidad indicadora primario y secundario superpuestos. Todas las variaciones citadas, y que corresponden a las distintas partes del equipo, pueden lógicamente combinarse entre sí, respetando ciertos principios básicos, y dar lugar con ello al extenso y variado conjunto de r. existentes en la actualidad.

3. Aplicaciones. En un principio, las aplicaciones del r. han sido desde su invención eminentemente militares, si bien, al hacerse con el tiempo de dominio internacional, han pasado a ser de utilidad comercial y científica. En términos militares, las aplicaciones del r. son principalmente las siguientes: detección y localización de buques y aviones, tanto propios como enemigos, así como su identificación; dirigir la navegación de los buques y aviones detectados; apunte automático de baterías costeras, antiaéreas y misiles, mediante la detección y localización ya citadas; dirigir automáticamente proyectiles, cuyo objetivo es un blanco fijo o móvil en tierra, mar o aire; control y custodia del espacio aéreo y marítimo; localización de baterías enemigas a través de los disparos que efectúan; en general, todas aquellas aplicaciones que permitan obtener una información de los movimientos de equipos y tropas del enemigo para salvaguardia propia, a través del principio de funcionamiento del radar.

Comercialmente, el r. se usa mucho para facilitar ayudas a la navegación marítima y aérea; su empleo es necesario en zonas de elevado tráfico marítimo o aéreo. Se utiliza igualmente como dispositivo anticolisión, tanto en navegación como en circulación rodada, y asimismo como detector de altura en muchos aviones, actuando entonces la tierra como cuerpo reflectante. En aplicaciones eminentemente terrestres, detecta velocidades, y mide distancias en Geodesia. Científicamente, el r. se emplea como instrumento de medida de fenómenos meteorológicos y atmosféricos; puede usarse también como instrumento de guiado de vehículos espaciales y satélites artificiales.

4. Desarrollo histórico. Aunque el desarrollo del r. se debe principalmente a la lI Guerra mundial, con anterioridad a ella se habían realizado experimentos encaminados a su obtención. De hecho, ya en 1886 Hertz (v.) demostró que las oscilaciones electromagnéticas son reflejadas por los cuerpos. En 1903, el alemán Hülsmayer detectó desde un navío la reflexión de las ondas de radio en la costa; estimulado por ello, realizó un detector de obstáculos, apto para la navegación marítima, el cual, debido al bajo nivel tecnológico de aquel entonces, no logró detectar obstáculos a más de milla y media, por lo que no despertó gran interés. En el otoño de 1922, los ingleses A. H. Taylor y L. C. Young, estimulados por unas aseveraciones de Marconi, referentes a la posibilidad de detectar objetos a varios kilómetros de distancia, con ayuda de la reflexión de las ondas de radio, deciden confirmarlas experimentalmente y logran detectar un barco de madera usando el primer r. de onda continua. En 1925, los también ingleses Breit y Tuve emplean por vez primera la técnica de impulsos en la medición de distancias, al determinar la altura de la ionosfera, mediante la reflexión en ella de los trenes de ondas electromagnéticas. En 1930, y por A. Hyland, del Naval Research Laboratory (NRL), fue detectado un avión, mediante la casual reflexión en él de las ondas de radio. La colaboración entre Hyland, Taylor y Young dio como fruto que, en 1932, demostrasen experimentalmente la detección de aviones dentro de distancias de casi 50 millas.

Dada la poca información que sobre el objeto detectado presentaba el r. de onda continua, el NRL estimuló el estudio de un sistema que permitiera determinar distancias; se encargó del mismo a R. M. Page, quien tras numerosos experimentos consiguió en junio de 1936 determinar distancias dentro de un alcance de 25 millas. En enero de 1938 se lograban alcances de hasta 50 millas. EE. UU. por su parte, a raíz de una visita al NRL, pronto desarrolló su primer r. de impulsos, que vio la luz en 1938, gracias a W. R. Blair. En el mismo año, Alemania, merced a los técnicos de Telefunken, detectaba por primera vez navíos, lo que le condujo a la fabricación de su primer r. En 1940, los ingleses Randell y Boot desarrollan el magnetrón de cavidades, de vital importancia para los fines de alta frecuencia y alta potencia, dando con ello quizá el paso más importante, dentro de las necesidades del momento, en el desarrollo del r. El posterior intercambio de información, entre EE. UU. e Inglaterra, contribuyó en gran manera al desarrollo de este equipo; apareciendo entonces novedades tan importantes como la presentación PPI. Inglaterra con su magnetrón de cavidades, y EE. UU. con su duplexor, lograron r. de gran eficacia, lo cual, unido al enorme retraso que Alemania llevaba en este terreno, contribuyó a su eficacia militar en la II Guerra mundial. Concluida ésta, se consiguió mejorar la calidad de transmisores y receptores, unos con la realización del klistrón, amplificador de alta potencia, y otros con los mezcladores de cristal de cuarzo y amplificadores paramétricos. Igualmente, el procesamiento de la información obtenida con los r. a través de computadoras ha permitido desarrollar r. de navegación, de seguimiento y de tiro completamente automáticos.

V. t.: MAXWELL, ECUACIONES DE; MICROONDAS.

E. OÑÓS PRADOS.

BIBL.: M. I. SKOLNIK, Introduction to Radar Systems, Tokio 1962; M. MATAIX, Curso de radar, Barcelona 1968; D. LEVINE, Radargrammetry, Nueva York 1960; L, OUDET, Radar and collision, Princeton (N. J.) 1960; J. F. REINTJÉS y G. T. CORTE, Principles ol Radar, 1952; O. E. DUNLAP, El radar, México 1946.