Radar -Radar

Uma antena de radar de longo alcance, conhecida como ALTAIR, usada para detectar e rastrear objetos espaciais em conjunto com testes ABM no local de testes Ronald Reagan no atol de Kwajalein.
Antena de radar de longo alcance , usada para rastrear objetos espaciais e mísseis balísticos.
O radar militar israelense é típico do tipo de radar usado para controle de tráfego aéreo.  A antena gira a uma taxa constante, varrendo o espaço aéreo local com um feixe vertical estreito em forma de leque, para detectar aeronaves em todas as altitudes.
Radar do tipo utilizado para detecção de aeronaves. Ele gira de forma constante, varrendo o espaço aéreo com um feixe estreito.

Radar ( detecção de rádio e alcance ) é um sistema de detecção que usa ondas de rádio para determinar a distância ( variação ), ângulo e velocidade radial de objetos em relação ao local. Ele pode ser usado para detectar aeronaves , navios , naves espaciais , mísseis guiados , veículos motorizados , formações meteorológicas e terrenos . Um sistema de radar consiste em um transmissor que produz ondas eletromagnéticas no domínio de rádio ou micro -ondas, uma antena transmissora, uma antena receptora (muitas vezes a mesma antena é usada para transmitir e receber) e um receptor e processador para determinar as propriedades dos objetos. As ondas de rádio (pulsadas ou contínuas) do transmissor refletem nos objetos e retornam ao receptor, fornecendo informações sobre a localização e a velocidade dos objetos.

O radar foi desenvolvido secretamente para uso militar por vários países no período anterior e durante a Segunda Guerra Mundial . Um desenvolvimento chave foi o magnetron de cavidade no Reino Unido , que permitiu a criação de sistemas relativamente pequenos com resolução submétrica. O termo RADAR foi cunhado em 1940 pela Marinha dos Estados Unidos como um acrônimo para "detecção e alcance de rádio". Desde então, o termo radar entrou em inglês e em outros idiomas como um substantivo comum, perdendo todas as letras maiúsculas . Durante os cursos de radar da RAF em 1954-1955 no Campo de Treinamento de Yatesbury, "direção e alcance de rádio azimute " foi sugerido. Os usos modernos do radar são altamente diversos, incluindo controle de tráfego aéreo e terrestre, astronomia de radar , sistemas de defesa aérea , sistemas antimísseis , radares marítimos para localizar pontos de referência e outros navios, sistemas anticolisão de aeronaves, sistemas de vigilância oceânica , espaço sideral. sistemas de vigilância e de encontro , monitoramento de precipitação meteorológica , sistemas de altimetria e controle de voo, sistemas de localização de alvos de mísseis guiados , carros autônomos e radar de penetração no solo para observações geológicas. Os sistemas de radar de alta tecnologia estão associados ao processamento digital de sinais , aprendizado de máquina e são capazes de extrair informações úteis de níveis de ruído muito altos .

Outros sistemas semelhantes ao radar fazem uso de outras partes do espectro eletromagnético . Um exemplo é o lidar , que usa predominantemente luz infravermelha de lasers em vez de ondas de rádio. Com o surgimento de veículos sem motorista, espera-se que o radar ajude a plataforma automatizada a monitorar seu ambiente, evitando incidentes indesejados.

História

Primeiros experimentos

Já em 1886, o físico alemão Heinrich Hertz mostrou que as ondas de rádio podiam ser refletidas a partir de objetos sólidos. Em 1895, Alexander Popov , um instrutor de física na escola da Marinha Imperial Russa em Kronstadt , desenvolveu um aparelho usando um tubo coesor para detectar raios distantes. No ano seguinte, ele adicionou um transmissor de faísca . Em 1897, enquanto testava este equipamento para comunicação entre dois navios no Mar Báltico , notou uma batida de interferência causada pela passagem de um terceiro navio. Em seu relatório, Popov escreveu que esse fenômeno pode ser usado para detectar objetos, mas não fez mais nada com essa observação.

O inventor alemão Christian Hülsmeyer foi o primeiro a usar ondas de rádio para detectar "a presença de objetos metálicos distantes". Em 1904, ele demonstrou a viabilidade de detectar um navio em neblina densa, mas não sua distância do transmissor. Ele obteve uma patente para seu dispositivo de detecção em abril de 1904 e mais tarde uma patente para uma emenda relacionada para estimar a distância até o navio. Ele também obteve uma patente britânica em 23 de setembro de 1904 para um sistema de radar completo, que ele chamou de telemobiloscópio . Ele operava em um comprimento de onda de 50 cm e o sinal de radar pulsado era criado por meio de um centelhador. Seu sistema já usava a configuração clássica de antena de chifre com refletor parabólico e foi apresentado a oficiais militares alemães em testes práticos no porto de Colônia e Roterdã , mas foi rejeitado.

Em 1915, Robert Watson-Watt usou a tecnologia de rádio para fornecer aviso prévio aos aviadores e, durante a década de 1920, liderou o estabelecimento de pesquisa do Reino Unido a fazer muitos avanços usando técnicas de rádio, incluindo a sondagem da ionosfera e a detecção de raios a longas distâncias. . Através de seus experimentos com raios, Watson-Watt tornou-se um especialista no uso da descoberta de direção de rádio antes de voltar sua investigação para a transmissão de ondas curtas . Exigindo um receptor adequado para tais estudos, ele disse ao "novo garoto" Arnold Frederic Wilkins para conduzir uma extensa revisão das unidades de ondas curtas disponíveis. Wilkins selecionaria um modelo da General Post Office depois de observar a descrição de seu manual de um efeito de "desvanecimento" (o termo comum para interferência na época) quando as aeronaves sobrevoavam.

Do outro lado do Atlântico em 1922, depois de colocar um transmissor e um receptor em lados opostos do rio Potomac , os pesquisadores da Marinha dos EUA A. Hoyt Taylor e Leo C. Young descobriram que os navios que passavam pelo caminho do feixe faziam com que o sinal recebido aumentasse e diminuísse. Taylor apresentou um relatório, sugerindo que esse fenômeno pode ser usado para detectar a presença de navios em baixa visibilidade, mas a Marinha não deu continuidade ao trabalho imediatamente. Oito anos depois, Lawrence A. Hyland , do Laboratório de Pesquisa Naval (NRL), observou efeitos semelhantes de desvanecimento da passagem de aeronaves; essa revelação levou a um pedido de patente, bem como a uma proposta para mais pesquisas intensivas sobre sinais de eco de rádio de alvos em movimento para ocorrer no NRL, onde Taylor e Young estavam baseados na época.

Da mesma forma, no Reino Unido, LS Alder obteve uma patente provisória secreta para o radar naval em 1928. WAS Butement e PE Pollard desenvolveram uma unidade de teste de protoboard, operando a 50 cm (600 MHz) e usando modulação pulsada que deu resultados laboratoriais bem-sucedidos. Em janeiro de 1931, uma descrição do aparelho foi registrada no Livro de Invenções mantido pelos Engenheiros Reais. Este é o primeiro registro oficial na Grã-Bretanha da tecnologia que foi usada na defesa costeira e foi incorporada ao Chain Home como Chain Home (baixo) .

Pouco antes da Segunda Guerra Mundial

Antena de radar experimental, Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA , Anacostia, DC, do final da década de 1930 (foto tirada em 1945).

Antes da Segunda Guerra Mundial , pesquisadores do Reino Unido, França , Alemanha , Itália , Japão , Holanda, União Soviética e Estados Unidos, de forma independente e em grande sigilo, desenvolveram tecnologias que levaram à versão moderna do radar. Austrália, Canadá, Nova Zelândia e África do Sul seguiram o desenvolvimento de radar da Grã-Bretanha antes da guerra, e a Hungria gerou sua tecnologia de radar durante a guerra.

Na França, em 1934, após estudos sistemáticos sobre o magnetron de ânodo dividido , o ramo de pesquisa da Compagnie Générale de Télégraphie Sans Fil (CSF), liderado por Maurice Ponte com Henri Gutton, Sylvain Berline e M. Hugon, começou a desenvolver um aparelhos de rádio, cujos aspectos foram instalados no transatlântico Normandie em 1935.

Durante o mesmo período, o engenheiro militar soviético PK Oshchepkov , em colaboração com o Instituto Eletrotécnico de Leningrado , produziu um aparelho experimental, RAPID, capaz de detectar uma aeronave a 3 km de um receptor. Os soviéticos produziram seus primeiros radares de produção em massa RUS-1 e RUS-2 Redut em 1939, mas o desenvolvimento foi retardado após a prisão de Oshchepkov e sua subsequente sentença de gulag . No total, apenas 607 estações Redut foram produzidas durante a guerra. O primeiro radar aerotransportado russo, Gneiss-2 , entrou em serviço em junho de 1943 em bombardeiros de mergulho Pe-2 . Mais de 230 estações Gneiss-2 foram produzidas até o final de 1944. Os sistemas francês e soviético, no entanto, apresentavam operação de ondas contínuas que não forneciam o desempenho total, em última análise, sinônimo de sistemas de radar modernos.

O radar completo evoluiu como um sistema pulsado, e o primeiro aparelho elementar desse tipo foi demonstrado em dezembro de 1934 pelo americano Robert M. Page , trabalhando no Laboratório de Pesquisa Naval . No ano seguinte, o Exército dos Estados Unidos testou com sucesso um radar superfície-superfície primitivo para apontar holofotes de bateria costeira à noite. Este projeto foi seguido por um sistema pulsado demonstrado em maio de 1935 por Rudolf Kühnhold e a empresa GEMA  [ de ] na Alemanha e depois outro em junho de 1935 por uma equipe do Ministério da Aeronáutica liderada por Robert Watson-Watt na Grã-Bretanha.

A primeira unidade viável construída por Robert Watson-Watt e sua equipe

Em 1935, Watson-Watt foi convidado a julgar relatórios recentes de um raio da morte baseado em rádio alemão e entregou o pedido a Wilkins. Wilkins retornou um conjunto de cálculos demonstrando que o sistema era basicamente impossível. Quando Watson-Watt perguntou o que tal sistema poderia fazer, Wilkins lembrou o relatório anterior sobre aeronaves causando interferência de rádio. Essa revelação levou ao Experimento Daventry de 26 de fevereiro de 1935, usando um poderoso transmissor de ondas curtas da BBC como fonte e sua configuração de receptor GPO em um campo enquanto um bombardeiro voava ao redor do local. Quando o avião foi claramente detectado, Hugh Dowding , o Air Member for Supply and Research ficou muito impressionado com o potencial do seu sistema e os fundos foram imediatamente fornecidos para o desenvolvimento operacional. A equipe de Watson-Watt patenteou o dispositivo em GB593017.

Uma torre Chain Home em Great Baddow, Essex, Reino Unido
Placa memorial comemorando Robert Watson-Watt e Arnold Wilkins

O desenvolvimento do radar expandiu-se muito em 1 de setembro de 1936, quando Watson-Watt tornou-se superintendente de um novo estabelecimento sob o Ministério do Ar britânico , a Estação de Pesquisa Bawdsey localizada em Bawdsey Manor , perto de Felixstowe, Suffolk. O trabalho lá resultou no projeto e instalação de estações de detecção e rastreamento de aeronaves chamadas " Chain Home " ao longo das costas leste e sul da Inglaterra a tempo da eclosão da Segunda Guerra Mundial em 1939. Este sistema forneceu as informações vitais de avanço que ajudaram o Royal Força Aérea vencer a Batalha da Grã-Bretanha ; sem ele, um número significativo de aviões de combate, que a Grã-Bretanha não tinha disponível, sempre precisaria estar no ar para responder rapidamente. Se a detecção de aeronaves alemãs dependesse apenas das observações de indivíduos terrestres, a Grã-Bretanha poderia ter perdido a Batalha da Grã-Bretanha. O radar fazia parte do " sistema Dowding " para coletar relatórios de aeronaves inimigas e coordenar a resposta.

Dado todo o financiamento necessário e apoio ao desenvolvimento, a equipe produziu sistemas de radar em funcionamento em 1935 e começou a implantação. Em 1936, os primeiros cinco sistemas Chain Home (CH) estavam operacionais e em 1940 se estendiam por todo o Reino Unido, incluindo a Irlanda do Norte. Mesmo para os padrões da época, CH era grosseiro; em vez de transmitir e receber de uma antena apontada, o CH transmitiu um sinal iluminando toda a área à sua frente e, em seguida, usou um dos próprios localizadores de rádio da Watson-Watt para determinar a direção dos ecos retornados. Este fato significava que os transmissores CH tinham que ser muito mais poderosos e ter antenas melhores do que os sistemas concorrentes, mas permitiam sua rápida introdução usando as tecnologias existentes.

Durante a Segunda Guerra Mundial

Um desenvolvimento chave foi o magnetron de cavidade no Reino Unido, que permitiu a criação de sistemas relativamente pequenos com resolução submétrica. A Grã-Bretanha compartilhou a tecnologia com os EUA durante a Missão Tizard de 1940 .

Em abril de 1940, a Popular Science mostrou um exemplo de uma unidade de radar usando a patente Watson-Watt em um artigo sobre defesa aérea. Além disso, no final de 1941, a Popular Mechanics publicou um artigo no qual um cientista americano especulou sobre o sistema britânico de alerta precoce na costa leste inglesa e chegou perto do que era e como funcionava. Watson-Watt foi enviado aos EUA em 1941 para aconselhar sobre defesa aérea após o ataque do Japão a Pearl Harbor . Alfred Lee Loomis organizou o laboratório secreto de radiação do MIT no Massachusetts Institute of Technology , Cambridge, Massachusetts, que desenvolveu a tecnologia de radar de microondas nos anos 1941-45. Mais tarde, em 1943, Page melhorou bastante o radar com a técnica de monopulso que foi usada por muitos anos na maioria das aplicações de radar.

A guerra precipitou pesquisas para encontrar melhor resolução, mais portabilidade e mais recursos para radar, incluindo sistemas de navegação complementares como o Oboe usado pelo Pathfinder da RAF .

Formulários

Antena de radar marítima comercial. A antena rotativa irradia um feixe vertical em forma de leque.

As informações fornecidas pelo radar incluem o rumo e o alcance (e, portanto, a posição) do objeto do scanner de radar. É, portanto, usado em muitos campos diferentes, onde a necessidade de tal posicionamento é crucial. O primeiro uso do radar foi para fins militares: localizar alvos aéreos, terrestres e marítimos. Isso evoluiu no campo civil em aplicações para aeronaves, navios e automóveis.

Na aviação , as aeronaves podem ser equipadas com dispositivos de radar que avisam sobre aeronaves ou outros obstáculos em seu caminho ou se aproximando, exibem informações meteorológicas e fornecem leituras precisas de altitude. O primeiro dispositivo comercial instalado em aeronaves foi uma unidade Bell Lab de 1938 em algumas aeronaves da United Air Lines . As aeronaves podem pousar em neblina em aeroportos equipados com sistemas de aproximação controlados por solo assistidos por radar , nos quais a posição do avião é observada em telas de radar de aproximação de precisão por operadores que, assim, dão instruções de pouso por rádio ao piloto, mantendo a aeronave em um caminho de aproximação definido para a passarela. Os caças militares geralmente são equipados com radares de mira ar-ar, para detectar e atingir aeronaves inimigas. Além disso, aeronaves militares especializadas maiores carregam poderosos radares aéreos para observar o tráfego aéreo em uma ampla região e direcionar os aviões de combate aos alvos.

Os radares marítimos são usados ​​para medir o rumo e a distância de navios para evitar colisões com outros navios, para navegar e para fixar sua posição no mar quando dentro do alcance da costa ou outras referências fixas, como ilhas, bóias e navios-farol. No porto ou no porto, os sistemas de radar de serviço de tráfego de navios são usados ​​para monitorar e regular os movimentos dos navios em águas movimentadas.

Os meteorologistas usam radares para monitorar a precipitação e o vento. Tornou-se a principal ferramenta para previsão do tempo de curto prazo e observação de condições meteorológicas severas , como tempestades , tornados , tempestades de inverno , tipos de precipitação, etc. Os geólogos usam radares especializados de penetração no solo para mapear a composição da crosta terrestre . As forças policiais usam armas de radar para monitorar a velocidade dos veículos nas estradas. Sistemas de radar menores são usados ​​para detectar o movimento humano . Exemplos são a detecção de padrões respiratórios para monitoramento do sono e detecção de gestos com as mãos e dedos para interação com o computador. A abertura automática da porta, a ativação da luz e a detecção de intrusão também são comuns.

Princípios

Sinal de radar

Espectro de radar 3D Doppler mostrando um código Barker de 13

Um sistema de radar tem um transmissor que emite ondas de rádio conhecidas como sinais de radar em direções predeterminadas. Quando esses sinais entram em contato com um objeto, geralmente são refletidos ou espalhados em várias direções, embora alguns deles sejam absorvidos e penetrem no alvo. Os sinais de radar são refletidos especialmente bem por materiais de condutividade elétrica considerável , como a maioria dos metais, água do mar e solo úmido. Isso torna possível o uso de altímetros de radar em certos casos. Os sinais de radar que são refletidos de volta para o receptor de radar são os desejáveis ​​que fazem a detecção de radar funcionar. Se o objeto estiver se aproximando ou se afastando do transmissor, haverá uma pequena mudança na frequência das ondas de rádio devido ao efeito Doppler .

Os receptores de radar estão geralmente, mas nem sempre, no mesmo local que o transmissor. Os sinais de radar refletidos capturados pela antena receptora são geralmente muito fracos. Eles podem ser reforçados por amplificadores eletrônicos . Métodos mais sofisticados de processamento de sinal também são usados ​​para recuperar sinais de radar úteis.

A fraca absorção das ondas de rádio pelo meio através do qual elas passam é o que permite que os conjuntos de radar detectem objetos em distâncias relativamente longas – faixas nas quais outros comprimentos de onda eletromagnéticos, como luz visível , luz infravermelha e luz ultravioleta , são muito fortemente atenuados. Fenômenos climáticos, como neblina, nuvens, chuva, neve caindo e granizo, que bloqueiam a luz visível são geralmente transparentes às ondas de rádio. Certas frequências de rádio que são absorvidas ou espalhadas por vapor de água, gotas de chuva ou gases atmosféricos (especialmente oxigênio) são evitadas ao projetar radares, exceto quando sua detecção é pretendida.

Iluminação

O radar depende de suas próprias transmissões em vez da luz do Sol ou da Lua, ou de ondas eletromagnéticas emitidas pelos próprios objetos alvo, como radiação infravermelha (calor). Esse processo de direcionar ondas de rádio artificiais para objetos é chamado de iluminação , embora as ondas de rádio sejam invisíveis ao olho humano, assim como às câmeras ópticas.

Reflexão

O brilho pode indicar refletividade como nesta imagem de radar meteorológico de 1960 (do furacão Abby ). A frequência do radar, forma de pulso, polarização, processamento de sinal e antena determinam o que ele pode observar.

Se as ondas eletromagnéticas que viajam através de um material encontram outro material, tendo uma constante dielétrica ou constante diamagnética diferente da primeira, as ondas refletirão ou se espalharão a partir do limite entre os materiais. Isso significa que um objeto sólido no ar ou no vácuo , ou uma mudança significativa na densidade atômica entre o objeto e o que está ao seu redor, geralmente espalha ondas de radar (rádio) de sua superfície. Isso é particularmente verdadeiro para materiais eletricamente condutores , como metal e fibra de carbono, tornando o radar adequado para a detecção de aeronaves e navios. O material absorvente de radar , contendo substâncias resistivas e às vezes magnéticas , é usado em veículos militares para reduzir a reflexão do radar . Este é o equivalente de rádio de pintar algo de uma cor escura para que não possa ser visto pelos olhos à noite.

As ondas de radar se espalham de várias maneiras, dependendo do tamanho (comprimento de onda) da onda de rádio e da forma do alvo. Se o comprimento de onda for muito menor do que o tamanho do alvo, a onda será refletida de maneira semelhante à maneira como a luz é refletida por um espelho . Se o comprimento de onda for muito maior do que o tamanho do alvo, o alvo pode não ser visível devido à má reflexão. A tecnologia de radar de baixa frequência depende de ressonâncias para detecção, mas não identificação, de alvos. Isso é descrito pelo espalhamento Rayleigh , um efeito que cria o céu azul da Terra e o pôr do sol vermelho. Quando as duas escalas de comprimento são comparáveis, pode haver ressonâncias . Os primeiros radares usavam comprimentos de onda muito longos que eram maiores que os alvos e, portanto, recebiam um sinal vago, enquanto muitos sistemas modernos usam comprimentos de onda mais curtos (alguns centímetros ou menos) que podem visualizar objetos tão pequenos quanto um pedaço de pão.

Ondas de rádio curtas refletem de curvas e cantos de forma semelhante ao brilho de um pedaço de vidro arredondado. Os alvos mais refletivos para comprimentos de onda curtos têm ângulos de 90° entre as superfícies refletivas . Um refletor de canto consiste em três superfícies planas que se encontram como o canto interno de um cubo. A estrutura refletirá as ondas que entram em sua abertura diretamente de volta à fonte. Eles são comumente usados ​​como refletores de radar para facilitar a detecção de objetos difíceis de detectar. Os refletores de canto em barcos, por exemplo, os tornam mais detectáveis ​​para evitar colisões ou durante um resgate. Por razões semelhantes, objetos destinados a evitar a detecção não terão cantos internos ou superfícies e bordas perpendiculares às direções de detecção prováveis, o que leva a aeronaves furtivas de aparência "estranha" . Essas precauções não eliminam totalmente a reflexão por causa da difração , especialmente em comprimentos de onda mais longos. Fios longos de meio comprimento de onda ou tiras de material condutor, como chaff , são muito reflexivos, mas não direcionam a energia espalhada de volta para a fonte. A extensão em que um objeto reflete ou espalha ondas de rádio é chamada de seção transversal do radar .

Equação de alcance do radar

A potência P r retornando à antena receptora é dada pela equação:

Onde

  • P t = potência do transmissor
  • G t = ganho da antena transmissora
  • A r = abertura efetiva (área) da antena receptora; isso também pode ser expresso como , onde
  • = comprimento de onda transmitido
  • G r = ganho da antena receptora
  • σ = seção transversal do radar , ou coeficiente de dispersão, do alvo
  • F = fator de propagação do padrão
  • R t = distância do transmissor ao alvo
  • R r = distância do alvo ao receptor.

No caso comum onde o transmissor e o receptor estão no mesmo local, R t = R r e o termo R t ² R r ² podem ser substituídos por R 4 , onde R é o alcance. Isso rende:

Isso mostra que a potência recebida diminui à medida que a quarta potência do alcance, o que significa que a potência recebida de alvos distantes é relativamente muito pequena.

A filtragem adicional e a integração de pulso modificam ligeiramente a equação do radar para o desempenho do radar de pulso-Doppler , que pode ser usado para aumentar o alcance de detecção e reduzir a potência de transmissão.

A equação acima com F = 1 é uma simplificação para transmissão no vácuo sem interferência. O fator de propagação é responsável pelos efeitos de multipath e shadowing e depende dos detalhes do ambiente. Em uma situação do mundo real, os efeitos de perda de caminho também são considerados .

efeito Doppler

Mudança de comprimento de onda causada pelo movimento da fonte.

A mudança de frequência é causada pelo movimento que altera o número de comprimentos de onda entre o refletor e o radar. Isso pode degradar ou melhorar o desempenho do radar, dependendo de como isso afeta o processo de detecção. Como exemplo, a indicação de alvo móvel pode interagir com o Doppler para produzir cancelamento de sinal em determinadas velocidades radiais, o que degrada o desempenho.

Sistemas de radar baseados no mar, homing de radar semi-ativo, homing de radar ativo , radar meteorológico , aeronaves militares e astronomia de radar contam com o efeito Doppler para melhorar o desempenho. Isso produz informações sobre a velocidade do alvo durante o processo de detecção. Isso também permite que pequenos objetos sejam detectados em um ambiente contendo objetos muito maiores e em movimento lento próximos.

O deslocamento Doppler depende se a configuração do radar é ativa ou passiva. O radar ativo transmite um sinal que é refletido de volta ao receptor. O radar passivo depende do objeto enviar um sinal ao receptor.

A mudança de frequência Doppler para radar ativo é a seguinte, onde é a frequência Doppler, é a frequência de transmissão, é a velocidade radial e é a velocidade da luz:

.

O radar passivo é aplicável a contramedidas eletrônicas e radioastronomia da seguinte forma:

.

Apenas a componente radial da velocidade é relevante. Quando o refletor está se movendo em ângulo reto com o feixe do radar, ele não tem velocidade relativa. Veículos e clima movendo-se paralelamente ao feixe do radar produzem a mudança máxima de frequência Doppler.

Quando a frequência de transmissão ( ) é pulsada, usando uma frequência de repetição de pulso de , o espectro de frequência resultante conterá frequências harmônicas acima e abaixo com uma distância de . Como resultado, a medição Doppler só é não ambígua se o deslocamento da frequência Doppler for menor que a metade de , chamado de frequência Nyquist , uma vez que a frequência retornada não pode ser distinguida do deslocamento de uma frequência harmônica acima ou abaixo, exigindo assim:

Ou substituindo por :

Como exemplo, um radar meteorológico Doppler com uma taxa de pulso de 2 kHz e frequência de transmissão de 1 GHz pode medir com segurança a velocidade do tempo até no máximo 150 m/s (340 mph), portanto, não pode determinar com segurança a velocidade radial de aeronaves movendo-se 1.000 m /s (2.200 mph).

Polarização

Em toda radiação eletromagnética , o campo elétrico é perpendicular à direção de propagação, e a direção do campo elétrico é a polarização da onda. Para um sinal de radar transmitido, a polarização pode ser controlada para produzir efeitos diferentes. Os radares usam polarização horizontal, vertical, linear e circular para detectar diferentes tipos de reflexões. Por exemplo, a polarização circular é usada para minimizar a interferência causada pela chuva. Os retornos de polarização linear geralmente indicam superfícies metálicas. Os retornos de polarização aleatórios geralmente indicam uma superfície fractal , como rochas ou solo, e são usados ​​por radares de navegação.

Fatores limitantes

Caminho e alcance do feixe

Alturas do eco acima do solo Onde :   r : distância radar-alvo ke : 4/3 ae : Raio da Terra θe : ângulo de elevação acima do horizonte do radar ha : altura do feedhorn acima do solo






Um feixe de radar segue um caminho linear no vácuo, mas segue um caminho um tanto curvo na atmosfera devido à variação no índice de refração do ar, que é chamado de horizonte do radar . Mesmo quando o feixe é emitido paralelamente ao solo, o feixe se eleva acima do solo à medida que a curvatura da Terra desce abaixo do horizonte. Além disso, o sinal é atenuado pelo meio pelo qual o feixe cruza e o feixe se dispersa.

O alcance máximo do radar convencional pode ser limitado por vários fatores:

  • Linha de visão, que depende da altura acima do solo. Sem uma linha de visão direta, o caminho do feixe é bloqueado.
  • O alcance máximo não ambíguo, que é determinado pela frequência de repetição do pulso . O alcance máximo não ambíguo é a distância que o pulso pode percorrer e retornar antes que o próximo pulso seja emitido.
  • Sensibilidade do radar e a potência do sinal de retorno conforme calculado na equação do radar. Este componente inclui fatores como as condições ambientais e o tamanho (ou seção transversal do radar) do alvo.

Ruído

O ruído do sinal é uma fonte interna de variações aleatórias no sinal, que é gerado por todos os componentes eletrônicos.

Os sinais refletidos diminuem rapidamente à medida que a distância aumenta, de modo que o ruído introduz uma limitação de alcance do radar. O piso de ruído e a relação sinal-ruído são duas medidas diferentes de desempenho que afetam o desempenho do alcance. Refletores muito distantes produzem pouco sinal para exceder o nível de ruído e não podem ser detectados. A detecção requer um sinal que exceda o nível de ruído em pelo menos a relação sinal-ruído.

O ruído geralmente aparece como variações aleatórias sobrepostas ao sinal de eco desejado recebido no receptor de radar. Quanto menor a potência do sinal desejado, mais difícil é distingui-lo do ruído. A figura de ruído é uma medida do ruído produzido por um receptor em comparação com um receptor ideal, e isso precisa ser minimizado.

O ruído de disparo é produzido por elétrons em trânsito através de uma descontinuidade, que ocorre em todos os detectores. O ruído de disparo é a fonte dominante na maioria dos receptores. Haverá também ruído de cintilação causado pelo trânsito de elétrons através de dispositivos de amplificação, que é reduzido usando amplificação heteródina . Outra razão para o processamento heteródino é que, para largura de banda fracionária fixa, a largura de banda instantânea aumenta linearmente em frequência. Isso permite uma resolução de alcance aprimorada. A única exceção notável aos sistemas de radar heteródino (conversão descendente) é o radar de banda ultralarga . Aqui, um único ciclo, ou onda transiente, é usado de forma semelhante às comunicações UWB, consulte Lista de canais UWB .

O ruído também é gerado por fontes externas, principalmente a radiação térmica natural do fundo ao redor do alvo de interesse. Nos sistemas de radar modernos, o ruído interno é normalmente igual ou inferior ao ruído externo. Uma exceção é se o radar estiver voltado para cima em céu claro, onde a cena é tão "fria" que gera muito pouco ruído térmico . O ruído térmico é dado por k B TB , onde T é a temperatura, B é a largura de banda (filtro pós-casado) e k B é a constante de Boltzmann . Há uma interpretação intuitiva atraente dessa relação em um radar. A filtragem combinada permite que toda a energia recebida de um alvo seja comprimida em um único compartimento (seja um compartimento de alcance, Doppler, elevação ou azimute). À primeira vista, parece que, em um intervalo fixo de tempo, a detecção perfeita e sem erros poderia ser obtida. Isso é feito comprimindo toda a energia em uma fatia de tempo infinitesimal. O que limita essa abordagem no mundo real é que, enquanto o tempo é divisível arbitrariamente, a corrente não é. O quantum de energia elétrica é um elétron e, portanto, o melhor que pode ser feito é filtrar toda a energia em um único elétron. Como o elétron está se movendo a uma certa temperatura ( espectro de Planck ), essa fonte de ruído não pode ser mais erodida. Em última análise, o radar, como todas as entidades de macroescala, é profundamente impactado pela teoria quântica.

O ruído é aleatório e os sinais de alvo não são. O processamento de sinal pode aproveitar esse fenômeno para reduzir o ruído de fundo usando duas estratégias. O tipo de integração de sinal usado com a indicação de alvo em movimento pode melhorar o ruído até para cada estágio. O sinal também pode ser dividido entre vários filtros para processamento de sinal pulso-Doppler , o que reduz o piso de ruído pelo número de filtros. Essas melhorias dependem da coerência .

Interferência

Os sistemas de radar devem superar os sinais indesejados para se concentrar nos alvos de interesse. Esses sinais indesejados podem se originar de fontes internas e externas, tanto passivas quanto ativas. A capacidade do sistema de radar de superar esses sinais indesejados define sua relação sinal-ruído (SNR). SNR é definido como a razão entre a potência do sinal e a potência do ruído dentro do sinal desejado; ele compara o nível de um sinal alvo desejado com o nível de ruído de fundo (ruído atmosférico e ruído gerado dentro do receptor). Quanto maior o SNR de um sistema, melhor é a discriminação de alvos reais de sinais de ruído.

Desordem

Clutter refere-se a ecos de radiofrequência (RF) retornados de alvos que não são interessantes para os operadores de radar. Tais alvos incluem objetos naturais, como solo, mar e, quando não estão sendo utilizados para fins meteorológicos, precipitação (como chuva, neve ou granizo), tempestades de areia , animais (especialmente pássaros), turbulência atmosférica e outros efeitos atmosféricos, como reflexões da ionosfera , trilhas de meteoros e picos de granizo . A desordem também pode ser devolvida por objetos feitos pelo homem, como edifícios e, intencionalmente, por contramedidas de radar, como palha .

Alguma confusão também pode ser causada por um longo guia de ondas de radar entre o transceptor de radar e a antena. Em um radar típico de indicador de posição de plano (PPI) com uma antena rotativa, isso geralmente será visto como um "sol" ou "explosão de sol" no centro da tela, pois o receptor responde a ecos de partículas de poeira e RF equivocada no guia de ondas . Ajustar o tempo entre o momento em que o transmissor envia um pulso e quando o estágio do receptor é ativado geralmente reduzirá o sunburst sem afetar a precisão do alcance, pois a maioria dos sunbursts é causada por um pulso de transmissão difuso refletido antes de sair da antena. A desordem é considerada uma fonte de interferência passiva, pois só aparece em resposta aos sinais de radar enviados pelo radar.

A desordem é detectada e neutralizada de várias maneiras. A desordem tende a parecer estática entre varreduras de radar; em ecos de varredura subsequentes, os alvos desejáveis ​​parecerão se mover e todos os ecos estacionários poderão ser eliminados. A desordem do mar pode ser reduzida usando polarização horizontal, enquanto a chuva é reduzida com polarização circular (radares meteorológicos desejam o efeito oposto e, portanto, usam polarização linear para detectar precipitação). Outros métodos tentam aumentar a relação sinal-confusão.

A desordem se move com o vento ou está estacionária. Duas estratégias comuns para melhorar a medição ou o desempenho em um ambiente desorganizado são:

  • Indicação de alvo móvel, que integra pulsos sucessivos
  • Processamento Doppler, que usa filtros para separar a desordem dos sinais desejáveis

A técnica de redução de desordem mais eficaz é o radar Doppler de pulso . O Doppler separa a desordem de aeronaves e naves espaciais usando um espectro de frequência , para que os sinais individuais possam ser separados de vários refletores localizados no mesmo volume usando diferenças de velocidade. Isso requer um transmissor coerente. Outra técnica usa um indicador de alvo móvel que subtrai o sinal recebido de dois pulsos sucessivos usando fase para reduzir os sinais de objetos em movimento lento. Isso pode ser adaptado para sistemas que não possuem um transmissor coerente, como radar de amplitude de pulso no domínio do tempo .

A taxa de alarme falso constante , uma forma de controle automático de ganho (AGC), é um método que se baseia em retornos desordenados que superam em muito os ecos dos alvos de interesse. O ganho do receptor é ajustado automaticamente para manter um nível constante de desordem geral visível. Embora isso não ajude a detectar alvos mascarados por interferências ao redor mais fortes, ajuda a distinguir fontes de alvos fortes. No passado, o radar AGC era controlado eletronicamente e afetava o ganho de todo o receptor de radar. À medida que os radares evoluíram, o AGC tornou-se controlado por software de computador e afetou o ganho com maior granularidade em células de detecção específicas.

Ecos de múltiplos caminhos de radar de um alvo fazem com que fantasmas apareçam

A desordem também pode se originar de ecos de múltiplos caminhos de alvos válidos causados ​​por reflexão no solo, dutos atmosféricos ou reflexão / refração ionosférica (por exemplo, propagação anômala ). Esse tipo de desordem é especialmente incômodo, pois parece se mover e se comportar como outros alvos normais (ponto) de interesse. Em um cenário típico, um eco de aeronave é refletido do solo abaixo, aparecendo para o receptor como um alvo idêntico abaixo do correto. O radar pode tentar unificar os alvos, reportando o alvo em uma altura incorreta ou eliminando-o com base em jitter ou impossibilidade física. O bloqueio de salto de terreno explora essa resposta amplificando o sinal de radar e direcionando-o para baixo. Esses problemas podem ser superados incorporando um mapa terrestre dos arredores do radar e eliminando todos os ecos que parecem se originar abaixo do solo ou acima de uma certa altura. O monopulso pode ser melhorado alterando o algoritmo de elevação usado em baixa elevação. Em equipamentos de radar de controle de tráfego aéreo mais recentes, algoritmos são usados ​​para identificar os alvos falsos comparando os retornos de pulso atuais com os adjacentes, bem como calculando as improbabilidades de retorno.

Jamming

A interferência de radar refere-se a sinais de radiofrequência provenientes de fontes fora do radar, transmitindo na frequência do radar e, assim, mascarando alvos de interesse. O bloqueio pode ser intencional, como em uma tática de guerra eletrônica , ou não intencional, como em forças amigas operando equipamentos que transmitem usando a mesma faixa de frequência. O jamming é considerado uma fonte de interferência ativa, pois é iniciado por elementos externos ao radar e em geral não relacionados aos sinais do radar.

O bloqueio é problemático para o radar, pois o sinal de bloqueio precisa viajar apenas em uma direção (do bloqueador para o receptor do radar), enquanto os ecos do radar viajam em dois sentidos (radar-alvo-radar) e, portanto, são significativamente reduzidos em potência no momento em que retornam ao receptor de radar de acordo com a lei do quadrado inverso . Os bloqueadores, portanto, podem ser muito menos poderosos do que seus radares bloqueados e ainda mascaram efetivamente os alvos ao longo da linha de visão do bloqueador ao radar ( bloqueio do lobo principal ). Os bloqueadores têm um efeito adicional de afetar os radares ao longo de outras linhas de visão através dos lóbulos laterais do receptor de radar ( interferência do lóbulo lateral ).

O bloqueio do lóbulo principal geralmente só pode ser reduzido pelo estreitamento do ângulo sólido do lóbulo principal e não pode ser totalmente eliminado ao enfrentar diretamente um bloqueador que usa a mesma frequência e polarização do radar. O bloqueio do lóbulo lateral pode ser superado reduzindo os lóbulos laterais de recepção no projeto da antena de radar e usando uma antena omnidirecional para detectar e desconsiderar os sinais não-principais. Outras técnicas anti-jamming são o salto de frequência e a polarização .

Processamento de sinal de radar

Medição de distância

Tempo de trânsito

Radar de pulso: O tempo de ida e volta para o pulso do radar chegar ao alvo e retornar é medido. A distância é proporcional a este tempo.

Uma maneira de obter uma medida de distância é baseada no tempo de voo : transmitir um pulso curto de sinal de rádio (radiação eletromagnética) e medir o tempo que leva para a reflexão retornar. A distância é metade do tempo de ida e volta multiplicado pela velocidade do sinal. O fator de metade vem do fato de que o sinal tem que viajar para o objeto e voltar. Como as ondas de rádio viajam na velocidade da luz , a medição precisa da distância requer eletrônica de alta velocidade. Na maioria dos casos, o receptor não detecta o retorno enquanto o sinal está sendo transmitido. Através do uso de um duplexador, o radar alterna entre transmissão e recepção em uma taxa predeterminada. Um efeito semelhante impõe um alcance máximo também. Para maximizar o alcance, devem ser usados ​​tempos mais longos entre os pulsos, chamados de tempo de repetição de pulso, ou sua frequência de repetição de pulso recíproca.

Esses dois efeitos tendem a estar em desacordo um com o outro, e não é fácil combinar um bom alcance curto e longo alcance em um único radar. Isso ocorre porque os pulsos curtos necessários para uma boa transmissão de alcance mínimo têm menos energia total, tornando os retornos muito menores e o alvo mais difícil de detectar. Isso poderia ser compensado usando mais pulsos, mas isso reduziria o alcance máximo. Assim, cada radar usa um tipo específico de sinal. Radares de longo alcance tendem a usar pulsos longos com longos atrasos entre eles, e radares de curto alcance usam pulsos menores com menos tempo entre eles. Como a eletrônica melhorou, muitos radares agora podem alterar sua frequência de repetição de pulso, alterando assim seu alcance. Os radares mais recentes disparam dois pulsos durante uma célula, um para curto alcance (cerca de 10 km (6,2 mi)) e um sinal separado para alcances maiores (cerca de 100 km (62 mi)).

A distância também pode ser medida em função do tempo. A milha de radar é o tempo que um pulso de radar leva para viajar uma milha náutica , refletir em um alvo e retornar à antena de radar. Como uma milha náutica é definida como 1.852 m, dividindo essa distância pela velocidade da luz (299.792.458 m/s) e multiplicando o resultado por 2, obtém-se um resultado de 12,36 μs de duração.

Modulação de frequência

Radar de onda contínua (CW). O uso da modulação de frequência permite que o alcance seja extraído.

Outra forma de radar de medição de distância é baseada na modulação de frequência. Nesses sistemas, a frequência do sinal transmitido é alterada ao longo do tempo. Como o sinal leva um tempo finito para viajar de e para o alvo, o sinal recebido é uma frequência diferente daquela que o transmissor está transmitindo no momento em que o sinal refletido chega de volta ao radar. Ao comparar a frequência dos dois sinais, a diferença pode ser facilmente medida. Isso é facilmente realizado com altíssima precisão, mesmo na eletrônica da década de 1940. Uma vantagem adicional é que o radar pode operar efetivamente em frequências relativamente baixas. Isso foi importante no desenvolvimento inicial desse tipo, quando a geração de sinal de alta frequência era difícil ou cara.

Esta técnica pode ser usada em radares de onda contínua e é frequentemente encontrada em altímetros de radar de aeronaves . Nesses sistemas, um sinal de radar "portador" é modulado em frequência de maneira previsível, geralmente variando para cima e para baixo com uma onda senoidal ou dente de serra nas frequências de áudio. O sinal é então enviado de uma antena e recebido em outra, normalmente localizada na parte inferior da aeronave, e o sinal pode ser comparado continuamente usando um modulador de frequência de batida simples que produz um tom de frequência de áudio a partir do sinal retornado e uma parte do sinal o sinal transmitido.

O índice de modulação no sinal de recepção é proporcional ao atraso de tempo entre o radar e o refletor. A mudança de frequência torna-se maior com maior atraso de tempo. A mudança de frequência é diretamente proporcional à distância percorrida. Essa distância pode ser exibida em um instrumento e também pode estar disponível através do transponder . Este processamento de sinal é semelhante ao usado na detecção de velocidade do radar Doppler. Exemplos de sistemas usando esta abordagem são AZUSA , MISTRAM e UDOP .

O radar terrestre usa sinais FM de baixa potência que cobrem uma faixa de frequência maior. As reflexões múltiplas são analisadas matematicamente para mudanças de padrão com várias passagens criando uma imagem sintética computadorizada. Os efeitos Doppler são usados, o que permite que objetos em movimento lento sejam detectados, além de eliminar amplamente o "ruído" das superfícies dos corpos d'água.

Compressão de pulso

As duas técnicas descritas acima têm suas desvantagens. A técnica de temporização de pulso tem uma compensação inerente em que a precisão da medição de distância está inversamente relacionada ao comprimento do pulso, enquanto a energia e, portanto, a faixa de direção, está diretamente relacionada. Aumentar a potência para maior alcance, mantendo a precisão, exige potência de pico extremamente alta, com radares de alerta antecipado da década de 1960 operando frequentemente na casa das dezenas de megawatts. Os métodos de ondas contínuas espalham essa energia no tempo e, portanto, exigem uma potência de pico muito menor em comparação com as técnicas de pulso, mas requerem algum método para permitir que os sinais enviados e recebidos operem ao mesmo tempo, geralmente exigindo duas antenas separadas.

A introdução de novos eletrônicos na década de 1960 permitiu que as duas técnicas fossem combinadas. Ele começa com um pulso mais longo que também é modulado em frequência. Espalhar a energia de transmissão no tempo significa que energias de pico mais baixas podem ser usadas, com exemplos modernos tipicamente na ordem de dezenas de quilowatts. Na recepção, o sinal é enviado para um sistema que atrasa diferentes frequências em tempos diferentes. A saída resultante é um pulso muito mais curto que é adequado para medição de distância precisa, ao mesmo tempo em que comprime a energia recebida em um pico de energia muito mais alto e, assim, reduz a relação sinal-ruído. A técnica é amplamente universal em grandes radares modernos.

Medição de velocidade

Velocidade é a mudança na distância de um objeto em relação ao tempo. Assim, o sistema existente de medição de distância, combinado com uma capacidade de memória para ver onde o alvo estava por último, é suficiente para medir a velocidade. Ao mesmo tempo, a memória consistia em um usuário fazendo marcas de lápis de graxa na tela do radar e, em seguida, calculando a velocidade usando uma régua de cálculo . Os sistemas de radar modernos executam a operação equivalente com mais rapidez e precisão usando computadores.

Se a saída do transmissor for coerente (sincronização de fase), há outro efeito que pode ser usado para fazer medições de velocidade quase instantâneas (não é necessária memória), conhecido como efeito Doppler . A maioria dos sistemas de radar modernos usa esse princípio em sistemas de radar Doppler e radar Doppler de pulso ( radar meteorológico , radar militar). O efeito Doppler só é capaz de determinar a velocidade relativa do alvo ao longo da linha de visão do radar até o alvo. Qualquer componente da velocidade do alvo perpendicular à linha de visão não pode ser determinado usando apenas o efeito Doppler, mas pode ser determinado rastreando o azimute do alvo ao longo do tempo.

É possível fazer um radar Doppler sem qualquer pulsação, conhecido como radar de onda contínua (radar CW), enviando um sinal muito puro de uma frequência conhecida. O radar CW é ideal para determinar o componente radial da velocidade de um alvo. O radar CW é normalmente usado pela fiscalização de trânsito para medir a velocidade do veículo com rapidez e precisão onde o alcance não é importante.

Ao usar um radar pulsado, a variação entre a fase de retornos sucessivos fornece a distância que o alvo percorreu entre os pulsos e, assim, sua velocidade pode ser calculada. Outros desenvolvimentos matemáticos no processamento de sinais de radar incluem análise de tempo-frequência (Weyl Heisenberg ou wavelet ), bem como a transformada de chirplet que faz uso da mudança de frequência de retornos de alvos em movimento ("chirp").

Processamento de sinal Pulso-Doppler

Processamento de sinal Pulso-Doppler. O eixo Range Sample representa amostras individuais tomadas entre cada pulso de transmissão. O eixo Range Interval representa cada intervalo de pulso de transmissão sucessivo durante o qual as amostras são coletadas. O processo Fast Fourier Transform converte amostras no domínio do tempo em espectros no domínio da frequência. Isso às vezes é chamado de leito de pregos .

O processamento de sinal Pulse-Doppler inclui filtragem de frequência no processo de detecção. O espaço entre cada pulso de transmissão é dividido em células de alcance ou portas de alcance. Cada célula é filtrada independentemente, como o processo usado por um analisador de espectro para produzir a exibição mostrando diferentes frequências. Cada distância diferente produz um espectro diferente. Esses espectros são usados ​​para realizar o processo de detecção. Isso é necessário para alcançar um desempenho aceitável em ambientes hostis envolvendo clima, terreno e contramedidas eletrônicas.

O objetivo principal é medir a amplitude e a frequência do sinal refletido agregado de várias distâncias. Isso é usado com radar meteorológico para medir a velocidade do vento radial e a taxa de precipitação em cada volume diferente de ar. Isso está ligado a sistemas de computação para produzir um mapa meteorológico eletrônico em tempo real. A segurança das aeronaves depende do acesso contínuo a informações precisas de radar meteorológico que são usadas para evitar ferimentos e acidentes. O radar meteorológico usa um PRF baixo . Os requisitos de coerência não são tão rígidos quanto os dos sistemas militares porque os sinais individuais normalmente não precisam ser separados. Filtragem menos sofisticada é necessária e o processamento de ambiguidade de alcance normalmente não é necessário com radar meteorológico em comparação com radar militar destinado a rastrear veículos aéreos.

O propósito alternativo é a capacidade de " olhar para baixo/abater " necessária para melhorar a capacidade de sobrevivência do combate aéreo militar. Pulse-Doppler também é usado para radares de vigilância terrestre necessários para defender pessoal e veículos. O processamento de sinal Pulse-Doppler aumenta a distância máxima de detecção usando menos radiação nas proximidades de pilotos de aeronaves, pessoal de bordo, infantaria e artilharia. Reflexos do terreno, água e clima produzem sinais muito maiores do que aeronaves e mísseis, o que permite que veículos em movimento rápido se escondam usando técnicas de vôo nap-of-the-earth e tecnologia furtiva para evitar a detecção até que um veículo de ataque esteja perto demais para destruir. O processamento de sinal Pulse-Doppler incorpora uma filtragem eletrônica mais sofisticada que elimina com segurança esse tipo de fraqueza. Isso requer o uso de frequência de repetição de pulso média com hardware coerente de fase que possui uma grande faixa dinâmica. As aplicações militares exigem PRF médio que impede que o alcance seja determinado diretamente, e o processamento de resolução de ambiguidade de alcance é necessário para identificar o alcance real de todos os sinais refletidos. O movimento radial é geralmente ligado à frequência Doppler para produzir um sinal de bloqueio que não pode ser produzido por sinais de interferência de radar. O processamento de sinal Pulse-Doppler também produz sinais audíveis que podem ser usados ​​para identificação de ameaças.

Redução de efeitos de interferência

O processamento de sinal é empregado em sistemas de radar para reduzir os efeitos de interferência do radar . As técnicas de processamento de sinal incluem indicação de alvo móvel , processamento de sinal Pulse-Doppler, processadores de detecção de alvo móvel, correlação com alvos de radar de vigilância secundária , processamento adaptativo espaço-tempo e rastreamento antes de detectar . A taxa constante de alarmes falsos e o processamento digital do modelo de terreno também são usados ​​em ambientes desordenados.

Extração de plotagem e trilha

Um algoritmo Track é uma estratégia de aprimoramento de desempenho do radar. Os algoritmos de rastreamento fornecem a capacidade de prever a posição futura de vários objetos em movimento com base no histórico das posições individuais relatadas pelos sistemas de sensores.

As informações históricas são acumuladas e usadas para prever a posição futura para uso com controle de tráfego aéreo, estimativa de ameaças, doutrina de sistema de combate, mira de armas e orientação de mísseis. Os dados de posição são acumulados por sensores de radar ao longo de alguns minutos.

Existem quatro algoritmos de trilha comuns.

Os retornos de vídeo de radar de aeronaves podem ser submetidos a um processo de extração de plotagem pelo qual sinais espúrios e interferentes são descartados. Uma sequência de retornos de alvos pode ser monitorada por meio de um dispositivo conhecido como extrator de parcelas.

Os retornos em tempo real não relevantes podem ser removidos das informações exibidas e um único gráfico exibido. Em alguns sistemas de radar, ou alternativamente no sistema de comando e controle ao qual o radar está conectado, um rastreador de radar é usado para associar a sequência de gráficos pertencentes a alvos individuais e estimar os rumos e velocidades dos alvos.

Engenharia

Componentes do radar

Os componentes de um radar são:

  • Um transmissor que gera o sinal de rádio com um oscilador como um klystron ou um magnetron e controla sua duração por um modulador .
  • Um guia de ondas que liga o transmissor e a antena.
  • Um duplexador que serve como um interruptor entre a antena e o transmissor ou o receptor para o sinal quando a antena é usada em ambas as situações.
  • Um receptor . Conhecendo a forma do sinal recebido desejado (um pulso), um receptor ideal pode ser projetado usando um filtro combinado .
  • Um processador de exibição para produzir sinais para dispositivos de saída legíveis por humanos .
  • Uma seção eletrônica que controla todos esses dispositivos e a antena para realizar a varredura de radar solicitada por software.
  • Um link para dispositivos e telas do usuário final.

Projeto da antena

Antena AS-3263/SPS-49(V) (Marinha dos EUA)

Os sinais de rádio transmitidos de uma única antena se espalharão em todas as direções e, da mesma forma, uma única antena receberá sinais igualmente de todas as direções. Isso deixa o radar com o problema de decidir onde o objeto alvo está localizado.

Os primeiros sistemas tendiam a usar antenas de transmissão omnidirecionais , com antenas receptoras direcionais que eram apontadas em várias direções. Por exemplo, o primeiro sistema a ser implantado, Chain Home, usava duas antenas retas em ângulos retos para recepção, cada uma em uma tela diferente. O retorno máximo seria detectado com uma antena em ângulo reto com o alvo, e um mínimo com a antena apontada diretamente para ele (terminal). O operador podia determinar a direção de um alvo girando a antena para que um monitor mostrasse o máximo enquanto o outro mostrasse o mínimo. Uma séria limitação desse tipo de solução é que a transmissão é enviada em todas as direções, de modo que a quantidade de energia na direção que está sendo examinada é uma pequena parte daquela transmitida. Para obter uma quantidade razoável de energia no "alvo", a antena transmissora também deve ser direcional.

Refletor parabólico

Antena de radar de vigilância

Sistemas mais modernos usam um "prato" parabólico direcionável para criar um feixe de transmissão apertado, normalmente usando o mesmo prato que o receptor. Esses sistemas geralmente combinam duas frequências de radar na mesma antena para permitir direção automática ou bloqueio de radar .

Os refletores parabólicos podem ser tanto parábolas simétricas quanto parábolas estragadas: As antenas parabólicas simétricas produzem um feixe de "lápis" estreito nas dimensões X e Y e, consequentemente, têm um ganho maior. O radar meteorológico NEXRAD Pulse-Doppler usa uma antena simétrica para realizar varreduras volumétricas detalhadas da atmosfera. Antenas parabólicas estragadas produzem um feixe estreito em uma dimensão e um feixe relativamente largo na outra. Esse recurso é útil se a detecção do alvo em uma ampla faixa de ângulos for mais importante do que a localização do alvo em três dimensões. A maioria dos radares de vigilância 2D usa uma antena parabólica estragada com uma largura de feixe azimutal estreita e largura de feixe vertical ampla. Essa configuração de feixe permite que o operador de radar detecte uma aeronave em um azimute específico, mas em uma altura indeterminada. Por outro lado, os chamados radares de localização de altura "nodder" usam um prato com largura de feixe vertical estreita e largura de feixe azimutal ampla para detectar uma aeronave a uma altura específica, mas com baixa precisão azimutal.

Tipos de digitalização

  • Varredura Primária: Uma técnica de varredura em que a antena da antena principal é movida para produzir um feixe de varredura, exemplos incluem varredura circular, varredura de setor, etc.
  • Varredura Secundária: Uma técnica de varredura em que a alimentação da antena é movida para produzir um feixe de varredura, exemplos incluem varredura cônica, varredura de setor unidirecional, comutação de lóbulos, etc.
  • Varredura Palmer: Uma técnica de varredura que produz um feixe de varredura movendo a antena principal e sua alimentação. Uma Varredura Palmer é uma combinação de uma Varredura Primária e uma Varredura Secundária.
  • Varredura cônica : O feixe do radar é girado em um pequeno círculo ao redor do eixo "boresight", que é apontado para o alvo.

Guia de ondas com fenda

Antena guia de onda com fenda

Aplicado de forma semelhante ao refletor parabólico, o guia de onda com fenda é movido mecanicamente para varredura e é particularmente adequado para sistemas de varredura de superfície sem rastreamento, onde o padrão vertical pode permanecer constante. Devido ao seu custo mais baixo e menor exposição ao vento, os radares de vigilância de bordo, aeroporto e porto agora usam essa abordagem em vez de uma antena parabólica.

Matriz faseada

Phased array : Nem todas as antenas de radar devem girar para escanear o céu.

Outro método de direção é usado em um radar phased array .

As antenas Phased Array são compostas por elementos de antena semelhantes espaçados uniformemente, como antenas ou linhas de guia de ondas com fenda. Cada elemento de antena ou grupo de elementos de antena incorpora uma mudança de fase discreta que produz um gradiente de fase através da matriz. Por exemplo, elementos de matriz que produzem uma mudança de fase de 5 graus para cada comprimento de onda ao longo da face da matriz produzirão um feixe apontado a 5 graus da linha central perpendicular à face da matriz. Os sinais que viajam ao longo desse feixe serão reforçados. Os sinais deslocados desse feixe serão cancelados. A quantidade de reforço é o ganho da antena . A quantidade de cancelamento é a supressão do lóbulo lateral.

Os radares Phased Array estão em uso desde os primeiros anos do radar na Segunda Guerra Mundial ( radar Mammut ), mas as limitações dos dispositivos eletrônicos levaram a um desempenho ruim. Os radares Phased Array foram originalmente usados ​​para defesa antimísseis (ver, por exemplo , Programa de Salvaguarda ). Eles são o coração do Aegis Combat System e do Patriot Missile System . A redundância massiva associada a um grande número de elementos de matriz aumenta a confiabilidade às custas da degradação gradual do desempenho que ocorre quando os elementos de fase individuais falham. Em menor grau, os radares Phased Array têm sido usados ​​na vigilância meteorológica . A partir de 2017, a NOAA planeja implementar uma rede nacional de radares multifuncionais Phased Array nos Estados Unidos dentro de 10 anos, para estudos meteorológicos e monitoramento de voos.

Antenas de arranjo faseado podem ser construídas para se adequar a formas específicas, como mísseis, veículos de apoio de infantaria, navios e aeronaves.

À medida que o preço dos eletrônicos caiu, os radares phased array tornaram-se mais comuns. Quase todos os sistemas de radar militares modernos são baseados em phased arrays, onde o pequeno custo adicional é compensado pela maior confiabilidade de um sistema sem partes móveis. Os designs tradicionais de antenas móveis ainda são amplamente utilizados em funções onde o custo é um fator significativo, como vigilância de tráfego aéreo e sistemas similares.

Os radares Phased Array são valiosos para uso em aeronaves, pois podem rastrear vários alvos. A primeira aeronave a usar um radar phased array foi o B-1B Lancer . O primeiro caça a usar radar phased array foi o Mikoyan MiG-31 . O radar de varredura eletrônica passiva SBI-16 Zaslon do MiG-31M foi considerado o radar de caça mais poderoso do mundo, até que a matriz de varredura eletrônica AN/APG-77 Active foi introduzida no Lockheed Martin F-22 Raptor .

As técnicas de interferometria de matriz de fases ou de síntese de abertura , usando uma matriz de pratos separados que são faseados em uma única abertura efetiva, não são típicas para aplicações de radar, embora sejam amplamente utilizadas em radioastronomia . Por causa da maldição da matriz afinada , essas matrizes de abertura múltipla, quando usadas em transmissores, resultam em feixes estreitos à custa da redução da potência total transmitida ao alvo. Em princípio, tais técnicas podem aumentar a resolução espacial, mas a potência mais baixa significa que isso geralmente não é eficaz.

A síntese de abertura por pós-processamento de dados de movimento de uma única fonte em movimento, por outro lado, é amplamente utilizada em sistemas de radar espaciais e aéreos .

Bandas de frequência

As antenas geralmente têm que ser dimensionadas de forma semelhante ao comprimento de onda da frequência operacional, normalmente dentro de uma ordem de grandeza . Isso fornece um forte incentivo para usar comprimentos de onda mais curtos, pois isso resultará em antenas menores. Comprimentos de onda mais curtos também resultam em resolução mais alta devido à difração, o que significa que o refletor em forma visto na maioria dos radares também pode ser menor para qualquer largura de feixe desejada.

A oposição à mudança para comprimentos de onda menores é uma série de questões práticas. Por um lado, os eletrônicos necessários para produzir comprimentos de onda muito curtos de alta potência eram geralmente mais complexos e caros do que os eletrônicos necessários para comprimentos de onda mais longos ou não existiam. Outra questão é que o valor da abertura efetiva da equação do radar significa que para qualquer tamanho de antena (ou refletor) será mais eficiente em comprimentos de onda mais longos. Além disso, comprimentos de onda mais curtos podem interagir com moléculas ou gotas de chuva no ar, espalhando o sinal. Comprimentos de onda muito longos também têm efeitos de difração adicionais que os tornam adequados para radares além do horizonte . Por esta razão, uma grande variedade de comprimentos de onda são usados ​​em diferentes funções.

Os nomes de bandas tradicionais se originaram como codinomes durante a Segunda Guerra Mundial e ainda estão em uso militar e de aviação em todo o mundo. Eles foram adotados nos Estados Unidos pelo Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos e internacionalmente pela União Internacional de Telecomunicações . A maioria dos países tem regulamentos adicionais para controlar quais partes de cada banda estão disponíveis para uso civil ou militar.

Outros usuários do espectro de rádio, como as indústrias de radiodifusão e contramedidas eletrônicas , substituíram as designações militares tradicionais por seus próprios sistemas.

Bandas de frequência de radar
Nome da banda Alcance de frequência Faixa de comprimento de onda Notas
HF 3–30 MHz 10-100 m Sistemas de radar costeiro, radares over-the-horizon (OTH); 'alta frequência'
VHF 30–300MHz 1–10 m Alcance muito longo, penetra no solo; 'frequência muito alta'. Os primeiros sistemas de radar geralmente operavam em VHF, pois a eletrônica adequada já havia sido desenvolvida para transmissão de rádio. Hoje esta banda está fortemente congestionada e não é mais adequada para radar devido à interferência.
P < 300 MHz > 1m 'P' para 'anterior', aplicado retrospectivamente aos primeiros sistemas de radar; essencialmente HF + VHF. Frequentemente usado para sensoriamento remoto devido à boa penetração na vegetação.
UHF 300–1000 MHz 0,3-1 m Alcance muito longo (por exemplo , alerta antecipado de mísseis balísticos ), penetração no solo, penetração na folhagem; 'ultra-alta frequência'. Produzido e recebido com eficiência em níveis de energia muito altos, e também reduz os efeitos do apagão nuclear , tornando-os úteis no papel de detecção de mísseis.
eu 1–2 GHz 15–30 cm Controle e vigilância de tráfego aéreo de longo alcance ; 'L' para 'longo'. Amplamente utilizado para radares de alerta antecipado de longo alcance , pois combinam boas qualidades de recepção com resolução razoável.
S 2–4 GHz 7,5–15 cm Vigilância de alcance moderado, controle de tráfego aéreo terminal, clima de longo alcance, radar marítimo; 'S' para 'sentimétrico', seu codinome durante a Segunda Guerra Mundial. Menos eficiente que o L, mas oferece maior resolução, tornando-os especialmente adequados para tarefas de interceptação controladas em solo de longo alcance.
C 4–8 GHz 3,75–7,5 cm Transponders de satélite; um compromisso (daí 'C') entre as bandas X e S; tempo; rastreamento de longo alcance
X 8–12 GHz 2,5–3,75 cm Orientação de mísseis , radar marítimo , meteorologia, mapeamento de média resolução e vigilância terrestre; nos Estados Unidos, a faixa estreita de 10,525 GHz ±25 MHz é usada para radar de aeroporto ; rastreamento de curto alcance. Nomeada banda X porque a frequência era um segredo durante a Segunda Guerra Mundial. A difração de gotas de chuva durante chuva forte limita o alcance na função de detecção e a torna adequada apenas para funções de curto alcance ou aquelas que detectam chuva deliberadamente.
K 18–24 GHz 1,11–1,67 cm Do alemão kurz , que significa "curto". Uso limitado devido à absorção por vapor de água a 22 GHz, então K u e K a em ambos os lados usados ​​para vigilância. A banda K é usada para detectar nuvens por meteorologistas e pela polícia para detectar motoristas em alta velocidade. Os radares de banda K operam a 24,150 ± 0,100 GHz.
K u 12–18 GHz 1,67–2,5 cm Alta resolução, também usado para transponders de satélite, frequência na banda K (daí 'u')
K a 24–40 GHz 0,75–1,11 cm Mapeamento, curto alcance, vigilância aeroportuária; frequência logo acima da banda K (daí 'a') Radar fotográfico, usado para acionar câmeras que tiram fotos de placas de carros com luzes vermelhas, opera a 34,300 ± 0,100 GHz.
milímetros 40–300 GHz 1,0–7,5  mm Banda milimétrica , subdividida conforme abaixo. O oxigênio no ar é um atenuador extremamente eficaz em torno de 60 GHz, assim como outras moléculas em outras frequências, levando à chamada janela de propagação em 94 GHz. Mesmo nesta janela a atenuação é maior do que a da água em 22,2 GHz. Isso torna essas frequências geralmente úteis apenas para radares altamente específicos de curto alcance, como sistemas de prevenção de linhas de energia para helicópteros ou uso no espaço onde a atenuação não é um problema. Várias letras são atribuídas a essas bandas por diferentes grupos. Estes são da Baytron, uma empresa agora extinta que fabricava equipamentos de teste.
V 40–75 GHz 4,0–7,5 mm Muito fortemente absorvido pelo oxigênio atmosférico, que ressoa a 60 GHz.
C 75–110 GHz 2,7–4,0 mm Usado como um sensor visual para veículos autônomos experimentais, observação meteorológica de alta resolução e imagens.

Moduladores

Os moduladores atuam para fornecer a forma de onda do pulso de RF. Existem dois projetos diferentes de modulador de radar:

  • Chave de alta tensão para osciladores de potência com chave não coerente Esses moduladores consistem em um gerador de pulso de alta tensão formado por uma fonte de alta tensão, uma rede de formação de pulso e uma chave de alta tensão, como um tiratron . Eles geram pulsos curtos de energia para alimentar, por exemplo, o magnetron , um tipo especial de tubo de vácuo que converte DC (geralmente pulsado) em micro-ondas. Esta tecnologia é conhecida como potência pulsada . Desta forma, o pulso transmitido de radiação de RF é mantido em uma duração definida e geralmente muito curta.
  • Misturadores híbridos, alimentados por um gerador de forma de onda e um excitador para uma forma de onda complexa, mas coerente . Esta forma de onda pode ser gerada por sinais de entrada de baixa potência/baixa tensão. Neste caso, o transmissor de radar deve ser um amplificador de potência, por exemplo, um klystron ou um transmissor de estado sólido. Desta forma, o pulso transmitido é modulado intrapulso e o receptor de radar deve usar técnicas de compressão de pulso .

Refrigerante

Amplificadores de microondas coerentes operando acima de 1.000 watts de saída de microondas, como tubos de ondas viajantes e klystrons , requerem líquido refrigerante. O feixe de elétrons deve conter de 5 a 10 vezes mais potência do que a saída de micro-ondas, que pode produzir calor suficiente para gerar plasma. Este plasma flui do coletor em direção ao cátodo. A mesma focagem magnética que guia o feixe de elétrons força o plasma no caminho do feixe de elétrons, mas fluindo na direção oposta. Isso introduz a modulação FM que degrada o desempenho do Doppler. Para evitar isso, é necessário refrigerante líquido com pressão e vazão mínimas, e a água deionizada é normalmente usada na maioria dos sistemas de radar de superfície de alta potência que utilizam processamento Doppler.

Coolanol ( éster de silicato ) foi usado em vários radares militares na década de 1970. No entanto, é higroscópico , levando à hidrólise e formação de álcool altamente inflamável. A perda de uma aeronave da Marinha dos EUA em 1978 foi atribuída a um incêndio de éster de silicato. Coolanol também é caro e tóxico. A Marinha dos EUA instituiu um programa chamado Prevenção da Poluição (P2) para eliminar ou reduzir o volume e a toxicidade de resíduos, emissões atmosféricas e descargas de efluentes. Por causa disso, Coolanol é usado com menos frequência hoje.

Regulamentos

Radar (também: RADAR ) é definido pelo artigo 1.100 do Regulamento de Rádio (RR) da UIT da União Internacional de Telecomunicações (UIT ) como:

Um sistema de radiodeterminação baseado na comparação de sinais de referência com sinais de rádio refletidos, ou retransmitidos, a partir da posição a ser determinada. Cada sistema de radiodeterminação deve ser classificado pelo serviço de radiocomunicações em que opera permanente ou temporariamente. As utilizações típicas de radar são o radar primário e o radar secundário , que podem operar no serviço de radiolocalização ou no serviço de radiolocalização por satélite .

Configurações

O radar vem em uma variedade de configurações no emissor, receptor, antena, comprimento de onda, estratégias de varredura, etc.

Veja também

Definições
Inscrição
Hardware
Métodos semelhantes de detecção e alcance
Radares históricos

Notas e referências

Bibliografia

Referências

Em geral

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Leitura técnica

links externos