Pantalla de radar

Una pantalla de radar es un dispositivo electrónico que presenta datos de radar al operador. El sistema de radar transmite pulsos u ondas continuas de radiación electromagnética , una pequeña porción de la cual se dispersa al chocar con los objetivos (intencionados o no) y regresa al sistema. El receptor convierte toda la radiación electromagnética recibida en una señal analógica electrónica continua de voltaje variable (u oscilante) que luego se puede convertir en una visualización en pantalla.

Los sistemas modernos suelen utilizar algún tipo de pantalla de barrido raster para generar una imagen similar a un mapa. Sin embargo, en los inicios del desarrollo del radar, numerosas circunstancias dificultaron la creación de dichas pantallas. Se desarrollaron varios tipos de pantallas diferentes.

Las primeras pantallas de radar utilizaban osciloscopios adaptados con diversas entradas. Un osciloscopio generalmente recibe tres canales de voltaje variable (u oscilante) como entrada y muestra esta información en un tubo de rayos catódicos . El osciloscopio amplifica los voltajes de entrada y los envía a dos imanes deflectores y al cañón de electrones , produciendo un punto en la pantalla. Un imán desplaza el punto horizontalmente, el otro verticalmente, y la entrada al cañón aumenta o disminuye el brillo del punto. Una fuente de voltaje de polarización para cada uno de los tres canales permite al operador establecer un punto cero.

En una pantalla de radar, la señal de salida del receptor se introduce en uno de los tres canales de entrada del osciloscopio. Las primeras pantallas solían enviar esta información al canal X o al canal Y para desplazar el punto en la pantalla e indicar el retorno de la señal. Los radares más modernos normalmente utilizaban una antena giratoria o móvil para cubrir una mayor área del cielo, y en estos casos, la electrónica, sincronizada con el movimiento mecánico de la antena, controlaba los canales X e Y, mientras que la señal de radar se introducía en el canal de brillo.

La pantalla de radar original, la pantalla A , muestra únicamente el alcance, no la dirección, hacia los objetivos. A veces se las denomina pantallas R ( por sus siglas en inglés, range scope ) . Las pantallas A se utilizaron en los primeros sistemas de radar durante la Segunda Guerra Mundial , en particular en el innovador sistema Chain Home (CH).

La entrada principal al osciloscopio A era la señal de retorno amplificada recibida del radar, que se enviaba al eje Y de la pantalla. Los retornos provocaban que el punto se desviara hacia abajo (o hacia arriba en algunos modelos), dibujando líneas verticales en el tubo. Estas líneas se conocían como "blip" (o "pip"). La entrada del eje X estaba conectada a un generador de voltaje de diente de sierra, conocido como generador de base de tiempo , que barría el punto a través de la pantalla, sincronizado con la frecuencia de repetición de pulsos del radar. Esto distribuía los blips a lo largo de la pantalla según el tiempo en que se recibían. Dado que el tiempo de retorno de la señal corresponde al doble de la distancia al objetivo dividida por la velocidad de la luz , la distancia a lo largo del eje indica directamente el alcance a cualquier objetivo. Esto generalmente se medía con respecto a una escala situada encima de la pantalla. ^{[ 1 ]}

Las señales del sistema Chain Home se recibían normalmente mediante un par de antenas dispuestas en ángulo recto. Utilizando un radiogoniómetro , el operador podía determinar la dirección del objetivo y, combinando la medición de distancia con dicha dirección, determinar su ubicación en el espacio. El sistema también contaba con un segundo conjunto de antenas, desplazadas verticalmente a lo largo de las torres receptoras. Al seleccionar un par de estas antenas a diferentes alturas y conectarlas al radiogoniómetro, se podía determinar el ángulo vertical del objetivo y, por lo tanto, estimar su altitud. Dado que el sistema podía medir tanto la distancia como la altitud, a veces se le conocía como HR-scope , de "altura-alcance".

Los primeros radares estadounidenses , holandeses y alemanes utilizaban el J-scope , que se asemejaba a una versión circular del A-scope. Estos muestran el alcance como un ángulo alrededor de la cara de la pantalla, en lugar de la distancia lineal a lo largo de ella. Esta disposición permite una mayor precisión en la lectura del alcance con una pantalla del mismo tamaño que un A-scope porque el rastro utiliza la circunferencia completa en lugar de solo la distancia horizontal (por lo que la base de tiempo es π veces más larga. Por ejemplo, en un típico . ^{[ 1 ]} Una versión electromecánica de la pantalla J-scope siguió siendo común en los medidores de profundidad de embarcaciones de consumo hasta la década de 1990.

WAS Butement desarrolló una adaptación adicional del J-scope en la "base de tiempo espiral", que desplazaba el punto de referencia tanto alrededor de la cara como hacia afuera del centro. Esto produjo una base de tiempo de 2,1 metros (7 pies ) de longitud, lo que permitió mediciones de alcance de gran precisión. Esta tecnología se utilizó con unidades de artillería costera, permitiéndoles apuntar sus cañones incluso a pequeñas embarcaciones utilizando únicamente el radar. 

Para mejorar la precisión de las mediciones angulares, el concepto de conmutación de lóbulos se popularizó en los primeros radares. En este sistema, se utilizan dos antenas, apuntando ligeramente a la izquierda y a la derecha, o por encima y por debajo, del eje óptico del sistema. La intensidad de la señal recibida varía según cuál de las dos antenas apunte más directamente al objetivo, y es igual cuando la antena está correctamente alineada. Para visualizar esto, ambas antenas están conectadas a un interruptor mecánico que alterna rápidamente entre ellas, produciendo dos puntos en la pantalla. Para diferenciarlos, uno de los receptores tiene un retardo, de modo que su señal aparece ligeramente a la derecha del otro. El operador mueve la antena de un lado a otro hasta que ambos puntos tienen la misma altura. Esto se conoce a veces como K-scope . ^{[ 2 ]}

Una versión ligeramente modificada del K-scope se utilizaba comúnmente en radares aire-aire (AI) y aire-superficie-buque (ASV) . En estos sistemas, el K-scope se giraba 90 grados, de modo que las distancias mayores se mostraban más arriba en el visor en lugar de más a la derecha. La señal de salida de una de las dos antenas se enviaba a través de un inversor en lugar de un retardo. Como resultado, los dos puntos se desplazaban a ambos lados de la línea de base vertical, ambos al mismo alcance indicado. Esto permitía al operador ver instantáneamente en qué dirección girar; si el punto de la derecha era más corto, debía girar a la derecha. Este tipo de pantallas a veces se denominaban ASV-scopes o L-scopes , aunque la nomenclatura no era universal. ^{[ 1 ]}

El tamaño de las pantallas A-scope varía, pero en las pantallas de radar se solía utilizar una diagonal de 5 a 7 pulgadas. La serie 7JPx de tubos de rayos catódicos (7JP1, 7JP4 y 7JP7) fue diseñada originalmente como un tubo de rayos catódicos para pantallas A-scope.

Un B-scope o escaneo B proporciona una representación bidimensional "de arriba hacia abajo" del espacio, donde el eje vertical suele representar el alcance y el eje horizontal el acimut (ángulo). ^{[ 1 ]} La pantalla del B-scope representaba una "rebanada" horizontal del espacio aéreo a ambos lados de la aeronave hasta los ángulos de seguimiento del radar. Las pantallas B-scope eran comunes en los radares aerotransportados de las décadas de 1950 y 1960, que se escaneaban mecánicamente de lado a lado, y a veces también de arriba hacia abajo.

El punto se desplazaba a lo largo del eje Y de forma similar al eje X del osciloscopio, donde las distancias "hacia arriba" en la pantalla indicaban mayor alcance. Esta señal se mezclaba con un voltaje variable generado por un dispositivo mecánico que dependía del ángulo horizontal actual de la antena. El resultado era esencialmente un osciloscopio cuyo eje de la línea de alcance giraba de un lado a otro alrededor de un punto cero en la parte inferior de la pantalla. La señal de radio se enviaba al canal de intensidad, produciendo un punto brillante en la pantalla que indicaba la recepción de señales.

Un E-scope es esencialmente un B-scope que muestra el alcance en función de la elevación, en lugar del alcance en función del acimut. ^{[ 1 ]} Su funcionamiento es idéntico al del B-scope; el nombre simplemente indica "elevación". Los E-scopes se utilizan normalmente con radares de determinación de altura , que son similares a los radares aerotransportados pero orientados para escanear verticalmente en lugar de horizontalmente; también se les conoce a veces como "radares de cabeceo" debido al movimiento de su antena. El tubo de visualización generalmente se giraba 90 grados para colocar el eje de elevación en vertical y así proporcionar una correlación más clara entre la pantalla y el "mundo real". Estas pantallas también se conocen como Indicador de Alcance-Altura ( RHI) , pero también se las conocía comúnmente (de forma confusa) como B-scope.

El H-scope es otra modificación del concepto B-scope, pero muestra elevación además de acimut y alcance. La información de elevación se muestra dibujando un segundo "punto" desplazado del indicador del objetivo por una corta distancia; la pendiente de la línea entre los dos puntos indica la elevación relativa al radar. ^{[ 1 ]} Por ejemplo, si el punto se desplazara directamente a la derecha, esto indicaría que el objetivo está a la misma elevación que el radar. El desplazamiento se crea dividiendo la señal de radio en dos y luego retrasando ligeramente una de las señales para que aparezca desplazada en la pantalla. El ángulo se ajustaba retrasando el tiempo de la señal mediante un retardo, cuya duración se controlaba mediante un voltaje que variaba con la posición vertical de la antena. Este tipo de visualización de elevación podía añadirse a casi cualquier otra pantalla y a menudo se la denominaba pantalla de "doble punto".

Un C-scope muestra una vista de "ojo de buey" de acimut frente a elevación. El "blip" se mostraba indicando la dirección del objetivo con respecto al eje central del radar, o más comúnmente, de la aeronave o el cañón al que estaba acoplado. También se conocían como "indicadores de punto móvil" o "indicadores de punto volador" en el Reino Unido, siendo el punto móvil el blip del objetivo. El alcance se muestra normalmente por separado en estos casos, a menudo utilizando una segunda pantalla como L-scope. ^{[ 1 ]}

Casi idéntico al C-scope es el G-scope , que superpone una representación gráfica del alcance al objetivo. ^{[ 1 ]} Esto se representa típicamente mediante una línea horizontal que "crece" desde el punto indicador del objetivo para formar una figura similar a un ala. Las alas se alargaban a distancias más cortas para indicar que el objetivo estaba más cerca, al igual que las alas de la aeronave cuando se ven visualmente. También suele proporcionarse un indicador de alcance de "disparar ahora", que generalmente consiste en dos líneas verticales cortas centradas a cada lado del centro de la pantalla. Para realizar una intercepción, el piloto guía su aeronave hasta que el punto esté centrado, luego se acerca hasta que las "alas" llenan el área entre los marcadores de alcance. Esta pantalla recreaba un sistema comúnmente utilizado en las miras de armas , donde el piloto ajustaba la envergadura de las alas de un objetivo y luego disparaba cuando las alas llenaban el área dentro de un círculo en su visión. Este sistema permitía al piloto estimar el alcance al objetivo. En este caso, sin embargo, el alcance se mide directamente mediante el radar, y la pantalla imitaba el sistema óptico para mantener la coherencia entre ambos sistemas.

La pantalla PPI proporciona una representación bidimensional del espacio aéreo alrededor de una estación de radar. La distancia desde el centro de la pantalla indica el alcance, y el ángulo alrededor de la pantalla es el acimut hacia el objetivo. La posición actual de la antena de radar se indica normalmente mediante una línea que se extiende desde el centro hacia el exterior de la pantalla y que gira junto con la antena en tiempo real. ^{[ 1 ]} Es esencialmente una pantalla B ampliada a 360 grados. La pantalla PPI es lo que generalmente se considera una pantalla de radar, y se utilizó ampliamente en el control de tráfico aéreo hasta la introducción de las pantallas raster en la década de 1990.

Las pantallas PPI son bastante similares a los osciloscopios A en su funcionamiento y aparecieron poco después de la introducción del radar. Al igual que la mayoría de las pantallas de radar 2D, la señal de salida del receptor de radio se conectaba al canal de intensidad para producir un punto brillante que indicaba las señales recibidas. En el osciloscopio A, un generador de voltaje de diente de sierra conectado al eje X mueve el punto a través de la pantalla, mientras que en la PPI se utiliza la salida de dos generadores de este tipo para rotar la línea alrededor de la pantalla. Algunos de los primeros sistemas eran mecánicos y utilizaban una bobina de deflexión giratoria alrededor del cuello del tubo de visualización, pero la electrónica necesaria para lograr esto con un par de bobinas de deflexión fijas no era particularmente compleja y se utilizaba a principios de la década de 1940.

Los tubos de rayos catódicos de radar , como el 7JP4 utilizado para las pantallas PPI, tenían una pantalla circular y escaneaban el haz desde el centro hacia afuera. El yugo de deflexión giraba, lo que provocaba que el haz girara de forma circular. ^{[ 3 ]} La pantalla solía tener dos colores: un color brillante de corta persistencia que solo aparecía cuando el haz escaneaba la pantalla y un resplandor residual de fósforo de larga persistencia. Cuando el haz incidía sobre el fósforo, este se iluminaba intensamente, y cuando el haz se retiraba, el resplandor residual de larga persistencia, más tenue, permanecía encendido en el punto donde el haz había incidido sobre el fósforo, junto con los objetivos de radar que habían sido "escritos" por el haz, hasta que el haz volvía a incidir sobre el fósforo. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

El sistema especializado Beta Scan Scope se utilizaba para sistemas de radar de aproximación de precisión . Muestra dos líneas en la misma pantalla: la superior (normalmente) indica la aproximación vertical (la senda de planeo ) y la inferior, la horizontal. Un marcador señala el punto de aterrizaje deseado en la pista, y a menudo las líneas se inclinan hacia el centro de la pantalla para indicar esta ubicación. También se muestra el símbolo de la aeronave, superpuesto a ambas líneas, ya que las señales se generan mediante antenas independientes. Cualquier desviación de la línea central de la aproximación se puede observar y comunicar fácilmente al piloto.

En la imagen, la parte superior de la pantalla muestra la situación vertical y la inferior la horizontal. En la vertical, las dos líneas diagonales indican la senda de planeo deseada (superior) y la altitud mínima de aproximación (inferior). La aeronave inició su aproximación por debajo de la senda de planeo y la alcanzó justo antes del aterrizaje. El punto de aterrizaje correcto se muestra mediante la línea horizontal en el extremo izquierdo. La pantalla inferior muestra la aeronave comenzando a la izquierda de la línea de aproximación y luego siendo guiada hacia ella.

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• Raju, GSN (2008). Ingeniería de radar y fundamentos de las ayudas a la navegación . Nueva Delhi: IK International Publishing House Pvt Ltd. pp.  54, 237, 241, 252–259 . ISBN 978-81-906942-1-6.
• Departamento del Ejército (1985). Conjunto de radar AN/TPS-25, AN/TPS-25A y AN/TPS-25(XE-2) .

• "Indicadores de radar" (PDF) . Radio-Craft . Noviembre de 1945. pág.  95.

• Contenido multimedia relacionado con los tipos de visualización de pantallas de radar en Wikimedia Commons.