Sección transversal de radar

La sección transversal de radar ( RCS ), denotada por σ , también llamada firma de radar , es una medida de cuán detectable es un objeto por el radar . Una RCS mayor indica que un objeto es más fácilmente detectable. ^{[ 1 ]}

Un objeto refleja una cantidad limitada de energía de radar de vuelta a la fuente. Los factores que influyen en esto incluyen: ^{[ 1 ]}

• el material con el que está hecho el objetivo;
• el tamaño del objetivo en relación con la longitud de onda de la señal de radar de iluminación;
• el tamaño absoluto del objetivo;
• el ángulo de incidencia (ángulo en el que el haz del radar incide sobre una porción particular del objetivo, que depende de la forma del objetivo y su orientación con respecto a la fuente del radar);
• el ángulo de reflexión (ángulo en el que el haz reflejado abandona la parte del objetivo alcanzada; depende del ángulo de incidencia);
• la polarización de la radiación transmitida y recibida con respecto a la orientación del objetivo.

Si bien la potencia del emisor y la distancia son importantes para detectar objetivos, no son factores que afecten el cálculo de la sección transversal de radar (RCS), ya que la RCS es una propiedad de la reflectividad del objetivo.

La sección transversal de radar se utiliza para detectar aviones en una amplia variedad de rangos. Por ejemplo, un avión furtivo (que está diseñado para tener baja detectabilidad) tendrá características de diseño que le darán una RCS baja (como pintura absorbente, superficies planas, superficies específicamente anguladas para reflejar la señal en algún lugar distinto a la fuente), a diferencia de un avión de pasajeros que tendrá una RCS alta (metal desnudo, superficies redondeadas que garantizan efectivamente que reflejen parte de la señal hacia la fuente, muchas protuberancias como los motores, antenas, etc.). La RCS es integral para el desarrollo de la tecnología furtiva de radar , particularmente en aplicaciones que involucran aeronaves y misiles balísticos . ^{[ 2 ]} Los datos de RCS para las aeronaves militares actuales son en su mayoría altamente clasificados.

En algunos casos, resulta interesante observar un área del terreno que incluye muchos objetos. En esas situaciones, es útil utilizar una magnitud relacionada denominada sección transversal de radar normalizada ( NRCS ), también conocida como coeficiente de dispersión diferencial o coeficiente de retrodispersión de radar , denotada como σ ⁰ o σ ₀ ("sigma cero"), que es la sección transversal de radar promedio de un conjunto de objetos por unidad de área:

${\displaystyle \sigma ^{0}=\left\langle {\sigma \over {A}}\right\rangle }$

dónde:

• σ es la sección transversal de radar de un objeto en particular, y
• A es el área en el suelo asociada con ese objeto. ^{[ 3 ]}

El NRCS tiene unidades de área por área, o m ² / m ² en unidades MKS .

De manera informal, la RCS de un objeto es el área de la sección transversal de una esfera perfectamente reflectante que produciría la misma intensidad de reflexión que el objeto en cuestión. (Un tamaño mayor de esta esfera imaginaria produciría reflexiones más intensas). Por lo tanto, la RCS es una abstracción: el área de la sección transversal de radar de un objeto no necesariamente guarda una relación directa con el área de la sección transversal física de dicho objeto, sino que depende de otros factores. ^{[ 4 ]}

En términos menos informales, la sección transversal de radar (RCS) de un objetivo de radar es un área efectiva que intercepta la potencia de radar transmitida y luego dispersa esa potencia isotrópicamente de vuelta al receptor de radar.

Más precisamente, la RCS de un objetivo de radar es el área hipotética requerida para interceptar la densidad de potencia transmitida en el objetivo, de modo que si la potencia total interceptada se re-irradiara isotrópicamente, se produjera la densidad de potencia observada realmente en el receptor. ^{[ 5 ]} Esta afirmación se puede comprender examinando la ecuación del radar monoestático (transmisor y receptor de radar ubicados en el mismo lugar) término por término:

${\displaystyle P_{r}={{P_{t}G_{t}} \over {4\pi r^{2}}}\sigma {{1} \over {4\pi r^{2}}}A_{\mathrm {eff} }}$

dónde

• ${\displaystyle P_{t}}$= potencia de entrada del transmisor (vatios)
• ${\displaystyle G_{t}}$= ganancia de la antena transmisora ​​del radar (adimensional)
• ${\displaystyle r}$= distancia del radar al objetivo (metros)
• ${\displaystyle \sigma }$= sección transversal de radar del objetivo (metros cuadrados)
• ${\displaystyle A_{\mathrm {eff} }}$= área efectiva de la antena receptora del radar (metros cuadrados)
• ${\displaystyle P_{r}}$= potencia recibida del objetivo por el radar (vatios)

El ${\textstyle {{P_{t}G_{t}} \over {4\pi r^{2}}}}$ El término en la ecuación del radar representa la densidad de potencia (vatios por metro cuadrado) que el transmisor del radar produce en el objetivo. Esta densidad de potencia es interceptada por el objetivo con una sección transversal de radar.${\textstyle \sigma }$, que tiene unidades de área (metros cuadrados). Por lo tanto, el producto ${\textstyle {{P_{t}G_{t}} \over {4\pi r^{2}}}\sigma }$ tiene las dimensiones de potencia (vatios) y representa una potencia total hipotética interceptada por el objetivo del radar. El segundo${\textstyle {{1} \over {4\pi r^{2}}}}$El término representa la propagación isotrópica de esta potencia interceptada desde el objetivo de vuelta al receptor del radar. Por lo tanto, el producto ${\textstyle {{P_{t}G_{t}} \over {4\pi r^{2}}}\sigma {{1} \over {4\pi r^{2}}}}$ representa la densidad de potencia reflejada en el receptor de radar (nuevamente vatios por metro cuadrado). La antena receptora luego recoge esta densidad de potencia con un área efectiva${\textstyle A_{\mathrm {eff} }}$, lo que da como resultado la potencia recibida por el radar (vatios) según lo indicado por la ecuación del radar anterior.

La dispersión de la potencia de radar incidente por un objetivo de radar nunca es isotrópica (ni siquiera para un objetivo esférico), y la RCS es un área hipotética. En este sentido, la RCS puede verse como un factor de corrección que hace que la ecuación del radar "funcione correctamente" para la relación observada experimentalmente de${\textstyle P_{r}/P_{t}}$Sin embargo, la sección transversal de radar (RCS) es una propiedad exclusiva del objetivo y puede medirse o calcularse. Por lo tanto, la RCS permite analizar el rendimiento de un sistema de radar con un objetivo determinado, independientemente de los parámetros del radar y del ataque. En general, la RCS depende de la orientación del radar y del objetivo. La RCS de un objetivo depende de su tamaño, la reflectividad de su superficie y la directividad de la señal de retorno del radar causada por su forma geométrica.

The size of a target's image on radar is measured by the radar cross section or RCS, often represented by the symbol σ and expressed in square meters. This does not equal geometric area. A perfectly conducting sphere of projected cross sectional area 1 m² (i.e. a diameter of 1.13 m) will have an RCS of 1 m². For radar wavelengths much less than the diameter of the sphere, RCS is independent of frequency. Conversely, a square flat plate of area 1 m² will have an RCS of σ = 4π A² / λ² (where A=area, λ=wavelength), or 139.62 m² at 1 GHz if the radar is perpendicular to the flat surface.^[2] At off-normal incident angles, energy is reflected away from the receiver, reducing the RCS. Modern stealth aircraft are said to have an RCS comparable with small birds or large insects,^[6] though this varies widely depending on aircraft and radar.

If the RCS was directly related to the target's cross-sectional area, the only way to reduce it would be to make the physical profile smaller. Rather, by reflecting much of the radiation away or by absorbing it, the target achieves a smaller radar cross section.^[7]

Measurement of a target's RCS is performed at a radar reflectivity range or scattering range. The first type of range is an outdoor range where the target is positioned on a specially shaped low RCS pylon some distance down-range from the transmitters. Such a range eliminates the need for placing radar absorbers behind the target, however multi-path interactions with the ground must be mitigated.

An anechoic chamber is also commonly used. In such a room, the target is placed on a rotating pillar in the center, and the walls, floors and ceiling are covered by stacks of radar absorbing material. These absorbers prevent corruption of the measurement due to reflections. A compact range is an anechoic chamber with a reflector to simulate far field conditions.

Typical values for a centimeter wave radar are:^[8][9]

• Insect: 0.00001 m²
• Bird: 0.01 m²
• Stealth aircraft: <0.1 m² (e.g. F-117A: 0.001 m²)
• Surface-to-air-missile: ≈0.1 m²
• Human: 1 m²
• small combat aircraft: 2–3 m²
• large combat aircraft: 5–6 m²
• Aviones de carga: hasta 100 ^m²
• Buque mercante costero (55 m de eslora): 300–4000 ^m²
• Reflector de esquina con  una longitud de borde de 1,5 m: ≈20.000 m ^{2 [ 10 ] [ 11 ]}
• Fragata (103 m de eslora): 5000–100 000 ^m²
• Buque portacontenedores (212  m de eslora): 10.000–80.000 ^m²

Cuantitativamente, RCS se calcula en tres dimensiones como ^{[ 4 ].}

${\displaystyle \sigma =\lim _{r\to \infty }4\pi r^{2}{\frac {S_{s}}{S_{i}}}}$

Dónde${\displaystyle \sigma }$es el RCS,${\displaystyle S_{i}}$es la densidad de potencia incidente medida en el objetivo, y${\displaystyle S_{s}}$es la densidad de potencia dispersa vista a distancia${\displaystyle r}$lejos del objetivo.

En el análisis electromagnético esto también se escribe comúnmente como ^{[ 2 ].}

${\displaystyle \sigma =\lim _{r\to \infty }4\pi r^{2}{\frac {|E_{s}|^{2}}{|E_{i}|^{2}}}}$

dónde${\displaystyle E_{s}}$y${\displaystyle E_{i}}$son las intensidades del campo eléctrico disperso en el campo lejano y del campo eléctrico incidente , respectivamente.

En la fase de diseño, suele ser conveniente utilizar un ordenador para predecir la sección transversal de radar (RCS) antes de fabricar el objeto. Este proceso de predicción puede realizarse en poco tiempo y a bajo coste, mientras que el uso de un campo de medición suele ser laborioso, costoso y propenso a errores. La linealidad de las ecuaciones de Maxwell facilita el cálculo de la RCS mediante diversos métodos analíticos y numéricos, pero los cambios en el interés militar y la necesidad de confidencialidad han convertido este campo en un desafío.

El campo de la resolución de las ecuaciones de Maxwell mediante algoritmos numéricos se denomina electromagnetismo computacional , y se han aplicado numerosos métodos de análisis eficaces al problema de la predicción de la sección transversal de radar (RCS). El software de predicción de RCS suele ejecutarse en grandes superordenadores y emplea modelos CAD de alta resolución de objetivos de radar reales.

Se utilizan aproximaciones de alta frecuencia, como la óptica geométrica , la óptica física , la teoría geométrica de la difracción , la teoría uniforme de la difracción y la teoría física de la difracción , cuando la longitud de onda es mucho menor que el tamaño de la característica objetivo.

Los modelos estadísticos incluyen los modelos de chi-cuadrado , Rice y log-normal . Estos modelos se utilizan para predecir valores probables de la sección transversal de radar (RCS) a partir de un valor promedio, y son útiles al realizar simulaciones de Monte Carlo de radar .

Los métodos puramente numéricos , como el método de elementos de contorno ( método de los momentos ), el método de diferencias finitas en el dominio del tiempo ( FDTD ) y los métodos de elementos finitos , están limitados por el rendimiento informático a longitudes de onda más largas o características más pequeñas.

Si bien, en casos sencillos, los rangos de longitud de onda de estos dos tipos de métodos se superponen considerablemente, para formas y materiales complejos o para una precisión muy alta se combinan en diversos tipos de métodos híbridos .

La reducción de la sección transversal de radar (RCS) es de suma importancia en la tecnología furtiva para aeronaves, misiles, buques y otros vehículos militares. Con una RCS menor, los vehículos pueden evadir mejor la detección por radar, ya sea de instalaciones terrestres, armas guiadas u otros vehículos. El diseño de firma reducida también mejora la capacidad de supervivencia general de las plataformas gracias a la mayor eficacia de sus contramedidas de radar. ^{[ 2 ]}

Existen varios métodos. La distancia a la que se puede detectar un objetivo para una configuración de radar determinada varía con la raíz cuarta de su RCS. ^{[ 12 ]} Por lo tanto, para reducir la distancia de detección a una décima parte, la RCS debe reducirse en un factor de 10 000. Si bien este grado de mejora es complejo, suele ser posible influyendo en las plataformas durante la fase de diseño y conceptualización, y utilizando expertos y simulaciones con código informático avanzado para implementar las opciones de control que se describen a continuación.

En el caso de una antena, la sección transversal de radar (RCS) total se puede dividir en dos componentes: RCS de modo estructural y RCS de modo antena. Estas dos componentes de la RCS se relacionan con los dos fenómenos de dispersión que ocurren en la antena. Cuando una señal electromagnética incide sobre la superficie de la antena, parte de la energía electromagnética se dispersa de vuelta al espacio. Esto se denomina dispersión de modo estructural. La parte restante de la energía es absorbida debido al efecto antena. Parte de la energía absorbida se dispersa nuevamente de vuelta al espacio debido a los desajustes de impedancia, lo que se denomina dispersión de modo antena. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

Para la configuración de radar biestático (transmisor y receptor separados, no ubicados en el mismo lugar), la sección transversal de radar biestático ( BRCS ) es una función tanto de la orientación del transmisor-objetivo como de la orientación del receptor-objetivo. También se puede definir una sección transversal de radar biestático normalizada ( NBRCS ) o una sección transversal de radar biestático normalizada ( BNRCS ), similar a la NRCS monoestática .

• Sección transversal de retrodispersión
• Modelado electromagnético
• Firma infrarroja
• Supervivencia
• Corporación de Planificación de Sistemas
• Fuerza del objetivo

• Shaeffer, Tuley and Knott. Radar Cross Section. SciTech Publishing, 2004. ISBN 1-891121-25-1.
• Harrington, Roger F.Time-Harmonic Electromagnetic Fields. McGraw-Hill, Inc., 1961. ISBN 0-471-20806-X
• Balanis, Constantine A. Electromagnetismo avanzado para ingeniería . Wiley, 1989. ISBN 0-471-62194-3.
• "Un método híbrido basado en la reciprocidad para el cálculo de la difracción por bordes de fuga" David R. Ingham, IEEE Trans. Antennas Propagat. , 43 No. 11, noviembre de 1995, pp. 1173–82.
• "Métodos de integración revisados ​​en un procedimiento BoR de Galerkin" David R. Ingham, Applied Computational Electromagnetics Society (ACES) Journal 10 No. 2, julio de 1995, pp.  5–16.
• "Un enfoque híbrido para los bordes de salida y los extremos de salida", David R. Ingham, actas del Simposio ACES , 1993, Monterey.
• "Extrapolación en el dominio del tiempo al campo lejano basada en cálculos FDTD" Kane Yee , David Ingham y Kurt Shlager, IEEE Trans. Antennas Propagat. , 39 No. 3, marzo de 1991, pp.  410–413.
• "Cálculo numérico de la difracción de borde, utilizando la reciprocidad" David Ingham, Proc. Int. Conf. Antennas Propagat. , IV, mayo de 1990, Dallas, pp.  1574–1577.
• "Extrapolación en el dominio del tiempo al campo lejano basada en cálculos FDTD" Kane Yee, David Ingham y Kurt Shlager, artículo invitado, Actas de la Conferencia URSI , 1989, San José.

• Sección transversal de radar, teorema óptico, aproximación de óptica física, radiación por fuentes lineales para una clase detallada sobre la introducción a la sección transversal de radar (RCS).
• Fórmulas de bolsillo para la retrodispersión RCS de alta frecuencia; hoja de referencia útil (PDF)
• Método para medir los parámetros de la sección transversal de radar de las antenas
• Puma-EM: Un código electromagnético de alto rendimiento, paralelizado y de código abierto para el Método de los Momentos / Método Multipolar Rápido Multinivel.
• Curso de reducción de la sección transversal de radar. Un curso de GA Tech enfocado en las técnicas utilizadas para reducir la firma de radar.
• El tutorial de radar proporciona excelentes imágenes de RCS.