Radar

Ya en 1886, el físico alemán Heinrich Hertz demostró que las ondas de radio podían reflejarse en objetos sólidos. En 1895, Alexander Popov , instructor de física en la escuela de la Armada Imperial Rusa en Kronstadt , desarrolló un aparato que utilizaba un tubo cohesor para detectar rayos distantes. Al año siguiente, añadió un transmisor de chispa . En 1897, mientras probaba este equipo para la comunicación entre dos barcos en el mar Báltico , observó una interferencia causada por el paso de un tercer barco. En su informe, Popov escribió que este fenómeno podría utilizarse para detectar objetos, pero no hizo nada más con esta observación. ^{[ 9 ]}

El inventor alemán Christian Hülsmeyer fue el primero en utilizar ondas de radio para detectar "la presencia de objetos metálicos distantes". En 1904, demostró la viabilidad de detectar un barco en una densa niebla, pero no su distancia al transmisor. ^{[ 10 ]} Obtuvo una patente ^{[ 11 ]} para su dispositivo de detección en abril de 1904 y, posteriormente, una patente ^{[ 12 ]} para una modificación relacionada que permitía estimar la distancia al barco. También obtuvo una patente británica el 23 de septiembre de 1904 ^{[ 13 ]} para un sistema de radar completo, al que denominó telemobiloscopio . Este operaba en una  longitud de onda de 50 cm y la señal de radar pulsada se generaba mediante un descargador de chispa. Su sistema ya utilizaba la configuración clásica de antena de bocina con reflector parabólico y fue presentado a oficiales militares alemanes en pruebas prácticas en Colonia y el puerto de Rotterdam , pero fue rechazado. ^{[ 14 ]}

En 1915, Robert Watson-Watt utilizó la tecnología de radio para proporcionar alertas tempranas de tormentas eléctricas a los aviadores ^{[ 15 ] [ 16 ]} y durante la década de 1920 lideró el centro de investigación del Reino Unido para realizar muchos avances utilizando técnicas de radio, incluyendo el estudio de la ionosfera y la detección de rayos a largas distancias. A través de sus experimentos con rayos, Watson-Watt se convirtió en un experto en el uso de la radiogoniometría antes de dirigir su investigación a la transmisión de onda corta . Necesitando un receptor adecuado para tales estudios, le pidió al "recién llegado" Arnold Frederic Wilkins que realizara una revisión exhaustiva de las unidades de onda corta disponibles. Wilkins seleccionaría un modelo de la Oficina General de Correos después de observar la descripción en su manual de un efecto de "desvanecimiento" (el término común para interferencia en ese momento) cuando los aviones volaban por encima.

En 1922, al colocar un transmisor y un receptor en lados opuestos del río Potomac , los investigadores de la Armada estadounidense A. Hoyt Taylor y Leo C. Young descubrieron que el paso de los barcos por la trayectoria del haz provocaba que la señal recibida se atenuara intermitentemente. Taylor presentó un informe sugiriendo que este fenómeno podría utilizarse para detectar la presencia de barcos en condiciones de baja visibilidad, pero la Armada no continuó el trabajo de inmediato. Ocho años después, Lawrence A. Hyland, del Laboratorio de Investigación Naval (NRL), observó efectos de atenuación similares en aeronaves que pasaban; este descubrimiento dio lugar a una solicitud de patente ^{[ 17 ]} , así como a una propuesta para realizar una investigación más intensiva sobre señales de radioeco procedentes de objetivos en movimiento en el NRL, donde Taylor y Young trabajaban en ese momento. ^{[ 18 ]}

De manera similar, en el Reino Unido, LS Alder obtuvo una patente provisional secreta para un radar naval en 1928. ^{[ 19 ]} WAS Butement y PE Pollard desarrollaron una unidad de prueba de prototipo  , que operaba a 50 cm (600  MHz) y utilizaba modulación pulsada, la cual arrojó resultados satisfactorios en el laboratorio. En enero de 1931, se registró una descripción del aparato en el Libro de Invenciones mantenido por los Ingenieros Reales. Este es el primer registro oficial en Gran Bretaña de la tecnología que se utilizó en la defensa costera y que se incorporó a Chain Home como Chain Home (low) . ^{[ 20 ] [ 21 ]}

Antes de la Segunda Guerra Mundial , se realizaron investigaciones sobre radares en el Reino Unido, Estados Unidos, Francia , Alemania , Italia , Japón , la Unión Soviética y los Países Bajos . ^{[ 22 ] [ 23 ]}

En Francia, en 1934, tras estudios sistemáticos sobre el magnetrón de ánodo dividido , la rama de investigación de la Compagnie générale de la télégraphie sans fil (CSF), dirigida por Maurice Ponte junto con Henri Gutton, Sylvain Berline y M. Hugon, comenzó a desarrollar un aparato de radio para la localización de obstáculos, algunos de cuyos aspectos se instalaron en el transatlántico Normandie en 1935. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

Durante el mismo período, el ingeniero militar soviético P. K. Oshchepkov , en colaboración con el Instituto Electrotécnico de Leningrado , produjo un aparato experimental, RAPID, capaz de detectar una aeronave a menos de 3  km de un receptor. ^{[ 26 ]} Los soviéticos produjeron sus primeros radares de producción en masa, RUS-1 y RUS-2 Redut, en 1939, pero su desarrollo posterior se ralentizó tras el arresto de Oshchepkov y su posterior condena al gulag . En total, solo se produjeron 607 estaciones Redut durante la guerra. El primer radar aéreo ruso, Gneiss-2 , entró en servicio en junio de 1943 en los bombarderos en picado Pe-2 . Se produjeron más de 230 estaciones Gneiss-2 para finales de 1944. ^{[ 27 ]} Sin embargo, los sistemas franceses y soviéticos presentaban un funcionamiento en onda continua que no proporcionaba el rendimiento completo que finalmente es sinónimo de los sistemas de radar modernos.

El radar completo evolucionó como un sistema pulsado, y el primer aparato elemental de este tipo fue demostrado en diciembre de 1934 por el estadounidense Robert M. Page , que trabajaba en el Laboratorio de Investigación Naval . ^{[ 28 ]} Al año siguiente, el Ejército de los Estados Unidos probó con éxito un radar primitivo superficie-superficie para apuntar los reflectores de las baterías costeras por la noche. ^{[ 29 ]} A este diseño le siguió un sistema pulsado demostrado en mayo de 1935 por Rudolf Kühnhold y la empresa GEMA en Alemania y luego otro en junio de 1935 por un equipo del Ministerio del Aire dirigido por Robert Watson-Watt en Gran Bretaña.

En 1935, se le pidió a Watson-Watt que evaluara los recientes informes sobre un rayo de la muerte alemán basado en radio y le pasó la solicitud a Wilkins. Wilkins presentó una serie de cálculos que demostraban que el sistema era básicamente imposible. Cuando Watson-Watt preguntó entonces qué podría hacer un sistema así, Wilkins recordó el informe anterior sobre aviones que causaban interferencias de radio. Esta revelación condujo al Experimento Daventry del 26 de febrero de 1935, utilizando un potente transmisor de onda corta de la BBC como fuente y su receptor GPO instalado en un campo mientras un bombardero sobrevolaba el lugar. Cuando el avión fue detectado claramente, Hugh Dowding , miembro del Consejo Aéreo para Suministros e Investigación , quedó muy impresionado con el potencial de su sistema y se proporcionaron fondos de inmediato para su posterior desarrollo operativo. ^{[ 30 ]} El equipo de Watson-Watt patentó el dispositivo en la patente GB593017. ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]}

El desarrollo del radar experimentó un gran auge en 1936, cuando Watson-Watt se convirtió en superintendente de una nueva instalación dependiente del Ministerio del Aire británico : la Estación de Investigación de Bawdsey, ubicada en Bawdsey Manor , cerca de Felixstowe, Suffolk. El trabajo realizado allí dio como resultado el diseño e instalación de estaciones de detección y seguimiento de aeronaves, denominadas " Chain Home ", a lo largo de las costas este y sur de Inglaterra, justo a tiempo para el estallido de la Segunda Guerra Mundial en 1939. Este sistema proporcionó la información anticipada vital que ayudó a la Real Fuerza Aérea a ganar la Batalla de Inglaterra ; sin él, un número significativo de aviones de combate, de los que Gran Bretaña no disponía, habrían tenido que estar siempre en el aire para responder con rapidez. El radar formaba parte del " sistema Dowding " para recopilar informes sobre aeronaves enemigas y coordinar la respuesta. ^{[ 23 ] : 49–64}

Con la financiación y el apoyo al desarrollo necesarios, el equipo logró fabricar sistemas de radar operativos en 1935 y comenzó su despliegue. En 1936, los primeros cinco sistemas Chain Home (CH) ya estaban en funcionamiento y, para 1940, cubrían todo el Reino Unido, incluyendo Irlanda del Norte. Incluso para los estándares de la época, el sistema CH era rudimentario; en lugar de transmitir y recibir desde una antena orientada, emitía una señal que iluminaba toda el área frente a él, y luego utilizaba uno de los radiogoniómetros de Watson-Watt para determinar la dirección de los ecos recibidos. Esto implicaba que los transmisores CH debían ser mucho más potentes y contar con mejores antenas que los sistemas de la competencia, pero permitió su rápida introducción utilizando tecnologías existentes.

Un avance clave fue el magnetrón de cavidad en el Reino Unido, que permitió la creación de sistemas relativamente pequeños con resolución submétrica. Gran Bretaña compartió la tecnología con Estados Unidos durante la misión Tizard de 1940. ^{[ 34 ] [ 35 ]}

En abril de 1940, Popular Science mostró un ejemplo de una unidad de radar que utilizaba la patente de Watson-Watt en un artículo sobre defensa aérea. ^{[ 36 ]} Asimismo, a finales de 1941, Popular Mechanics publicó un artículo en el que un científico estadounidense especulaba sobre el sistema británico de alerta temprana en la costa este de Inglaterra y se acercó bastante a su naturaleza y funcionamiento. ^{[ 37 ]} Watson-Watt fue enviado a Estados Unidos en 1941 para asesorar sobre defensa aérea tras el ataque japonés a Pearl Harbor . ^{[ 38 ]} Alfred Lee Loomis organizó el Laboratorio de Radiación secreto del MIT en el Instituto Tecnológico de Massachusetts , Cambridge, Massachusetts, que desarrolló tecnología de radar de microondas entre 1941 y 1945. Posteriormente, en 1943, Page mejoró notablemente el radar con la técnica monopulso , que se utilizó durante muchos años en la mayoría de las aplicaciones de radar. ^{[ 39 ]}

La guerra impulsó la investigación para encontrar una mejor resolución, mayor portabilidad y más funciones para el radar, incluyendo equipos pequeños y ligeros para equipar a los cazas nocturnos ( radar de interceptación de aeronaves ) y a los aviones de patrulla marítima ( radar aire-superficie ), y sistemas de navegación complementarios como el Oboe utilizado por el Pathfinder de la RAF .

Un sistema de radar tiene un transmisor que emite ondas de radio , conocidas como señales de radar, en direcciones predeterminadas. Cuando estas señales contactan con un objeto, generalmente se reflejan o dispersan en múltiples direcciones, aunque algunas serán absorbidas y penetrarán en el objetivo. ^{[ 47 ]} Las señales de radar se reflejan especialmente bien en materiales con una conductividad eléctrica considerable , como la mayoría de los metales, el agua de mar y el suelo húmedo. Esto hace posible el uso de altímetros de radar en ciertos casos. Las señales de radar que se reflejan de vuelta hacia el receptor de radar son las deseables para que funcione la detección por radar. Si el objeto se mueve hacia el transmisor o se aleja de él, habrá un ligero cambio en la frecuencia de las ondas de radio debido al efecto Doppler .

Los receptores de radar suelen estar ubicados en el mismo lugar que el transmisor, aunque no siempre. Las señales de radar reflejadas, captadas por la antena receptora, suelen ser muy débiles. Estas señales pueden amplificarse mediante amplificadores electrónicos . También se utilizan métodos más sofisticados de procesamiento de señales para recuperar señales de radar útiles.

La débil absorción de las ondas de radio por el medio a través del cual se propagan es lo que permite a los radares detectar objetos a distancias relativamente largas, distancias en las que otras longitudes de onda electromagnéticas, como la luz visible , la luz infrarroja y la luz ultravioleta , se atenúan demasiado. Los fenómenos meteorológicos, como la niebla, las nubes, la lluvia, la nieve y el aguanieve, que bloquean la luz visible, suelen ser transparentes a las ondas de radio. Ciertas radiofrecuencias que son absorbidas o dispersadas por el vapor de agua, las gotas de lluvia o los gases atmosféricos (especialmente el oxígeno) se evitan al diseñar radares, excepto cuando se pretende su detección.

El radar se basa en sus propias transmisiones, en lugar de la luz del Sol o la Luna, o de las ondas electromagnéticas emitidas por los propios objetos objetivo, como la radiación infrarroja (calor). Este proceso de dirigir ondas de radio artificiales hacia los objetos se denomina iluminación , aunque las ondas de radio son invisibles para el ojo humano y para las cámaras ópticas.

Si las ondas electromagnéticas que viajan a través de un material se encuentran con otro que tiene una constante dieléctrica o diamagnética diferente , se reflejarán o dispersarán en la interfaz entre ambos. Esto significa que un objeto sólido en el aire o en el vacío , o un cambio significativo en la densidad atómica entre el objeto y su entorno, generalmente dispersará las ondas de radar (radio) en su superficie. Esto es especialmente cierto para materiales conductores de electricidad como el metal y la fibra de carbono, lo que hace que el radar sea idóneo para la detección de aeronaves y barcos. En los vehículos militares se utiliza material absorbente de radar , que contiene sustancias resistivas y, a veces, magnéticas , para reducir la reflexión del radar . Esto es el equivalente radioeléctrico a pintar algo de un color oscuro para que no se pueda ver a simple vista por la noche.

Las ondas de radar se dispersan de diversas maneras según el tamaño (longitud de onda) de la onda de radio y la forma del objetivo. Si la longitud de onda es mucho menor que el tamaño del objetivo, la onda rebotará de forma similar a como la luz se refleja en un espejo . Si la longitud de onda es mucho mayor que el tamaño del objetivo, este podría no ser visible debido a la escasa reflexión. La tecnología de radar de baja frecuencia depende de resonancias para la detección, pero no para la identificación, de los objetivos. Esto se describe mediante la dispersión de Rayleigh , un efecto que crea el cielo azul y los atardeceres rojos de la Tierra. Cuando las dos escalas de longitud son comparables, pueden producirse resonancias . Los primeros radares utilizaban longitudes de onda muy largas, mayores que los objetivos, por lo que recibían una señal imprecisa, mientras que muchos sistemas modernos utilizan longitudes de onda más cortas (de unos pocos centímetros o menos) que pueden captar imágenes de objetos tan pequeños como una barra de pan.

Las ondas de radio cortas se reflejan en curvas y esquinas de forma similar al brillo de un trozo de vidrio redondeado. Los objetivos más reflectantes para longitudes de onda cortas tienen ángulos de 90° entre las superficies reflectantes . Un reflector de esquina consta de tres superficies planas que se unen como la esquina interior de un cubo. La estructura reflejará las ondas que entran por su abertura directamente hacia la fuente. Se utilizan comúnmente como reflectores de radar para facilitar la detección de objetos que de otro modo serían difíciles de detectar. Los reflectores de esquina en los barcos, por ejemplo, los hacen más detectables para evitar colisiones o durante un rescate. Por razones similares, los objetos destinados a evitar la detección no tendrán esquinas interiores ni superficies y bordes perpendiculares a las direcciones de detección probables, lo que da lugar a aeronaves furtivas de aspecto "extraño" . Estas precauciones no eliminan por completo la reflexión debido a la difracción , especialmente en longitudes de onda más largas. Los cables o tiras de material conductor de media longitud de onda, como el chaff , son muy reflectantes, pero no dirigen la energía dispersa de vuelta hacia la fuente. El grado en que un objeto refleja o dispersa las ondas de radio se denomina su sección transversal de radar .

La potencia P _r que regresa a la antena receptora viene dada por la ecuación:

${\displaystyle P_{r}={\frac {P_{t}G_{t}A_{r}\sigma F^{4}}{{(4\pi )}^{2}R_{t}^{2}R_{r}^{2}}}}$

dónde

• P _t = potencia del transmisor
• G _t = ganancia de la antena transmisora
• A _r = apertura efectiva (área) de la antena receptora; esto también se puede expresar como${\displaystyle {G_{r}\lambda ^{2}} \over {4\pi }}$, dónde

• ${\displaystyle \lambda }$= longitud de onda transmitida
• G _r = ganancia de la antena receptora ^{[ 47 ] : 4–6}

• σ = sección transversal de radar , o coeficiente de dispersión, del objetivo
• F = factor de propagación del patrón
• R _t = distancia desde el transmisor hasta el objetivo
• R _r = distancia desde el objetivo hasta el receptor.

En el caso común en que el transmisor y el receptor se encuentran en la misma ubicación, R _t = R _r y el término R _t ² R _r ² puede reemplazarse por R ⁴ , donde R es el alcance. Esto resulta en:

${\displaystyle P_{r}={{P_{t}G_{t}A_{r}\sigma F^{4}} \over {{(4\pi )}^{2}R^{4}}}.}$

Esto demuestra que la potencia recibida disminuye con la cuarta potencia del alcance, lo que significa que la potencia recibida de objetivos distantes es relativamente muy pequeña.

El filtrado adicional y la integración de pulsos modifican ligeramente la ecuación del radar para mejorar el rendimiento del radar Doppler de pulsos , lo que puede utilizarse para aumentar el alcance de detección y reducir la potencia de transmisión.

La ecuación anterior con F = 1 es una simplificación para la transmisión en el vacío sin interferencias. ^{[ 7 ]} El factor de propagación considera los efectos de la propagación multitrayectoria y el sombreado, y depende de las características del entorno. En una situación real, también se consideran los efectos de la pérdida de trayectoria .

El desplazamiento de frecuencia se produce por el movimiento, que altera el número de longitudes de onda entre el reflector y el radar. Esto puede degradar o mejorar el rendimiento del radar, dependiendo de cómo afecte al proceso de detección. Por ejemplo, la indicación de un objetivo en movimiento puede interactuar con el efecto Doppler y producir una cancelación de la señal a ciertas velocidades radiales, lo que degrada el rendimiento. ^{[ 47 ] : 10–11}

Los sistemas de radar marítimos, los sistemas de guiado por radar semiactivo y activo , los radares meteorológicos , las aeronaves militares y la astronomía radar se basan en el efecto Doppler para optimizar su rendimiento. Este efecto proporciona información sobre la velocidad del objetivo durante el proceso de detección, lo que permite detectar objetos pequeños en entornos con objetos cercanos mucho más grandes y de movimiento lento.

El efecto Doppler depende de si la configuración del radar es activa o pasiva. El radar activo transmite una señal que se refleja de vuelta al receptor. El radar pasivo depende de que el objeto envíe una señal al receptor.

El desplazamiento de frecuencia Doppler para radar activo es el siguiente, donde${\displaystyle F_{D}}$es la frecuencia Doppler,${\displaystyle F_{T}}$es la frecuencia de transmisión,${\displaystyle V_{R}}$es la velocidad radial y${\displaystyle C}$es la velocidad de la luz: ^{[ 48 ]}

${\displaystyle F_{D}=2\times F_{T}\times \left({\frac {V_{R}}{C}}\right)}$.

El radar pasivo es aplicable a las contramedidas electrónicas y a la radioastronomía de la siguiente manera:

${\displaystyle F_{D}=F_{T}\times \left({\frac {V_{R}}{C}}\right)}$.

Solo la componente radial de la velocidad es relevante. Cuando el reflector se mueve perpendicularmente al haz del radar, no tiene velocidad relativa. Los objetos que se mueven paralelamente al haz del radar producen el máximo desplazamiento de frecuencia Doppler.

Cuando la frecuencia de transmisión (${\displaystyle F_{T}}$) se pulsa, utilizando una frecuencia de repetición de pulsos de${\displaystyle F_{R}}$, el espectro de frecuencias resultante contendrá frecuencias armónicas por encima y por debajo${\displaystyle F_{T}}$con una distancia de${\displaystyle F_{R}}$. Como resultado, la medición Doppler solo es no ambigua si el desplazamiento de frecuencia Doppler es menor a la mitad de${\displaystyle F_{R}}$, denominada frecuencia de Nyquist , ya que la frecuencia devuelta no se puede distinguir de un desplazamiento de una frecuencia armónica por encima o por debajo, lo que requiere:

${\displaystyle |F_{D}|<{\frac {F_{R}}{2}}}$

O al sustituir con${\displaystyle F_{D}}$:

${\displaystyle |V_{R}|<{\frac {F_{R}\times {\frac {C}{F_{T}}}}{4}}}$

Por ejemplo, un radar meteorológico Doppler con una frecuencia de pulso de 2  kHz y una frecuencia de transmisión de 1  GHz puede medir de forma fiable la velocidad del clima hasta un máximo de 150 m/s (340 mph) , por lo que no puede determinar de forma fiable la velocidad radial de una aeronave que se mueve a 1000 m/s (2200 mph) .    

En toda radiación electromagnética , el campo eléctrico es perpendicular a la dirección de propagación, y la dirección del campo eléctrico es la polarización de la onda. En una señal de radar transmitida, la polarización se puede controlar para obtener diferentes efectos. Los radares utilizan polarización horizontal, vertical, lineal y circular para detectar distintos tipos de reflexiones. Por ejemplo, la polarización circular se utiliza para minimizar la interferencia causada por la lluvia. Las señales con polarización lineal suelen indicar superficies metálicas. Las señales con polarización aleatoria suelen indicar superficies fractales , como rocas o suelo, y son utilizadas por los radares de navegación.

La velocidad es el cambio de distancia a un objeto con respecto al tiempo. Por lo tanto, el sistema actual para medir distancias, combinado con la capacidad de recordar la última posición del objetivo, es suficiente para medir la velocidad. Antiguamente, la memoria consistía en que un usuario marcaba la pantalla del radar con un lápiz graso y luego calculaba la velocidad con una regla de cálculo . Los sistemas de radar modernos realizan la misma operación de forma más rápida y precisa mediante ordenadores.

Si la señal de salida del transmisor es coherente (sincronizada en fase), existe otro efecto que permite realizar mediciones de velocidad casi instantáneas (sin necesidad de memoria), conocido como efecto Doppler . La mayoría de los sistemas de radar modernos emplean este principio en sus sistemas de radar Doppler y de radar Doppler pulsado ( radar meteorológico , radar militar). El efecto Doppler solo permite determinar la velocidad relativa del objetivo a lo largo de la línea de visión desde el radar hasta el objetivo. Cualquier componente de la velocidad del objetivo perpendicular a la línea de visión no puede determinarse únicamente mediante el efecto Doppler, pero sí mediante el seguimiento del acimut del objetivo a lo largo del tiempo.

Es posible construir un radar Doppler sin pulsaciones, conocido como radar de onda continua (radar CW), mediante la emisión de una señal muy pura de frecuencia conocida. El radar CW es ideal para determinar la componente radial de la velocidad de un objetivo. Generalmente, las autoridades de tráfico utilizan el radar CW para medir la velocidad de los vehículos de forma rápida y precisa en situaciones donde la distancia no es un factor crítico.

Al utilizar un radar de impulsos, la variación entre la fase de los retornos sucesivos proporciona la distancia que el objetivo se ha desplazado entre pulsos, lo que permite calcular su velocidad. Otros avances matemáticos en el procesamiento de señales de radar incluyen el análisis tiempo-frecuencia (Weyl-Heisenberg o wavelet ), así como la transformada chirplet , que aprovecha el cambio de frecuencia de los retornos de objetivos en movimiento ("chirp").

El procesamiento de señales Doppler pulsadas incluye el filtrado de frecuencia en el proceso de detección. El espacio entre cada pulso transmitido se divide en celdas o compuertas de alcance. Cada celda se filtra de forma independiente, de manera similar al proceso utilizado por un analizador de espectro para generar la visualización de diferentes frecuencias. Cada distancia produce un espectro distinto. Estos espectros se utilizan para realizar el proceso de detección. Esto es necesario para lograr un rendimiento aceptable en entornos adversos que incluyen condiciones climáticas, terreno y contramedidas electrónicas.

El objetivo principal es medir tanto la amplitud como la frecuencia de la señal reflejada agregada desde múltiples distancias. Esto se utiliza con el radar meteorológico para medir la velocidad radial del viento y la tasa de precipitación en cada volumen de aire. Se integra con sistemas informáticos para generar un mapa meteorológico electrónico en tiempo real. La seguridad aérea depende del acceso continuo a información precisa del radar meteorológico, que se utiliza para prevenir lesiones y accidentes. El radar meteorológico utiliza una baja frecuencia de repetición de pulsos (PRF) . Los requisitos de coherencia no son tan estrictos como los de los sistemas militares, ya que normalmente no es necesario separar las señales individuales. Se requiere un filtrado menos sofisticado y, por lo general, no se necesita el procesamiento de ambigüedad de alcance con el radar meteorológico, en comparación con el radar militar destinado al seguimiento de aeronaves.

El propósito alternativo es la capacidad de " mirar hacia abajo/derribar " necesaria para mejorar la supervivencia en combate aéreo militar. El pulso-Doppler también se utiliza para radares de vigilancia terrestre necesarios para defender personal y vehículos. ^{[ 52 ] [ 53 ]} El procesamiento de señales de pulso-Doppler aumenta la distancia máxima de detección utilizando menos radiación cerca de pilotos de aeronaves, personal a bordo de buques, infantería y artillería. Los reflejos del terreno, el agua y el clima producen señales mucho más grandes que las de aeronaves y misiles, lo que permite a los vehículos de movimiento rápido ocultarse utilizando técnicas de vuelo a baja altura y tecnología furtiva para evitar la detección hasta que un vehículo de ataque esté demasiado cerca para ser destruido. El procesamiento de señales de pulso-Doppler incorpora un filtrado electrónico más sofisticado que elimina de forma segura este tipo de debilidad. Esto requiere el uso de una frecuencia de repetición de pulso media con hardware de coherencia de fase que tiene un amplio rango dinámico. Las aplicaciones militares requieren una PRF media que impide que el alcance se determine directamente, y se requiere un procesamiento de resolución de ambigüedad de alcance para identificar el alcance real de todas las señales reflejadas. El movimiento radial suele estar vinculado a la frecuencia Doppler para producir una señal de bloqueo que no puede ser generada por señales de interferencia de radar. El procesamiento de señales Doppler pulsadas también produce señales audibles que pueden utilizarse para la identificación de amenazas. ^{[ 52 ]}

El procesamiento de señales se emplea en los sistemas de radar para reducir los efectos de interferencia . Las técnicas de procesamiento de señales incluyen la indicación de objetivos en movimiento , el procesamiento de señales Doppler pulsadas , los procesadores de detección de objetivos en movimiento, la correlación con objetivos de radar de vigilancia secundaria , el procesamiento adaptativo espacio-temporal y el seguimiento previo a la detección . También se utilizan la tasa constante de falsas alarmas y el procesamiento de modelos digitales del terreno en entornos con interferencias.

Un algoritmo de seguimiento es una estrategia para mejorar el rendimiento del radar. Estos algoritmos permiten predecir la posición futura de múltiples objetos en movimiento basándose en el historial de las posiciones individuales registradas por los sistemas de sensores.

La información histórica se acumula y se utiliza para predecir la posición futura, lo que se aplica al control del tráfico aéreo, la estimación de amenazas, la doctrina de sistemas de combate, el apuntamiento de armas y la guía de misiles. Los sensores de radar recopilan datos de posición en cuestión de minutos.

Existen cuatro algoritmos de seguimiento comunes: ^{[ 54 ]}

• Algoritmo del vecino más cercano
• Asociación de datos probabilísticos
• Seguimiento de hipótesis múltiples
• Modelo Múltiple Interactivo (IMM)

Las señales de vídeo de radar procedentes de aeronaves pueden someterse a un proceso de extracción de trazas mediante el cual se descartan las señales espurias e interferentes. Una secuencia de señales de objetivos puede monitorizarse mediante un dispositivo conocido como extractor de trazas.

Las señales en tiempo real irrelevantes pueden eliminarse de la información mostrada y visualizarse un único gráfico. En algunos sistemas de radar, o bien en el sistema de mando y control al que está conectado el radar, se utiliza un rastreador de radar para asociar la secuencia de gráficos correspondientes a objetivos individuales y estimar sus rumbos y velocidades.

Las señales de radio emitidas por una sola antena se propagan en todas direcciones, y de igual modo, una sola antena recibe señales por igual desde todas las direcciones. Esto plantea al radar el problema de determinar la ubicación del objeto objetivo.

Los primeros sistemas solían utilizar antenas de transmisión omnidireccionales , con antenas receptoras direccionales que apuntaban en distintas direcciones. Por ejemplo, el primer sistema implementado, Chain Home, utilizaba dos antenas rectas perpendiculares para la recepción, cada una en una pantalla diferente. La señal de retorno máxima se detectaba con una antena perpendicular al objetivo, y la mínima con la antena apuntando directamente hacia él (de extremo a extremo). El operador podía determinar la dirección del objetivo girando la antena de modo que una pantalla mostrara la señal máxima y la otra la mínima. Una limitación importante de este tipo de solución es que la transmisión se emite en todas direcciones, por lo que la cantidad de energía en la dirección examinada es una pequeña parte de la transmitida. Para obtener una potencia razonable en el objetivo, la antena transmisora ​​también debería ser direccional.

reflector parabólico

Los sistemas más modernos utilizan una antena parabólica orientable para crear un haz de transmisión concentrado, generalmente la misma que la del receptor. Estos sistemas suelen combinar dos frecuencias de radar en la misma antena para permitir la orientación automática o el bloqueo del radar .

Los reflectores parabólicos pueden ser parábolas simétricas o parábolas con desviación: las antenas parabólicas simétricas producen un haz estrecho en forma de lápiz tanto en la dimensión X como en la Y y, por lo tanto, tienen una mayor ganancia. El radar meteorológico de pulso-Doppler NEXRAD utiliza una antena simétrica para realizar escaneos volumétricos detallados de la atmósfera. Las antenas parabólicas con desviación producen un haz estrecho en una dimensión y un haz relativamente ancho en la otra. Esta característica es útil si la detección de objetivos en un amplio rango de ángulos es más importante que la localización del objetivo en tres dimensiones. La mayoría de los radares de vigilancia 2D utilizan una antena parabólica con desviación, con un ancho de haz azimutal estrecho y un ancho de haz vertical amplio. Esta configuración de haz permite al operador del radar detectar una aeronave en un azimut específico, pero a una altura indeterminada. Por el contrario, los radares de localización de altura denominados "nodder" utilizan una antena parabólica con un ancho de haz vertical estrecho y un ancho de haz azimutal amplio para detectar una aeronave a una altura específica, pero con baja precisión azimutal.

Guía de ondas ranurada

Aplicada de forma similar al reflector parabólico, la guía de ondas ranurada se desplaza mecánicamente para escanear y resulta especialmente adecuada para sistemas de escaneo de superficie sin seguimiento, donde el patrón vertical puede permanecer constante. Debido a su menor coste y menor exposición al viento, los radares de vigilancia a bordo de buques, aeropuertos y puertos utilizan actualmente este método en lugar de una antena parabólica.

Arreglo de fase

Otro método de direccionamiento se utiliza en un radar de matriz de fase .

Las antenas de arreglo en fase están compuestas por elementos de antena similares espaciados uniformemente, como antenas o filas de guías de onda ranuradas. Cada elemento o grupo de elementos de antena incorpora un desfase discreto que produce un gradiente de fase a lo largo del arreglo. Por ejemplo, los elementos del arreglo que producen un desfase de 5 grados para cada longitud de onda a lo largo de la cara del arreglo producirán un haz que apunta a 5 grados de la línea central perpendicular a la cara del arreglo. Las señales que viajan a lo largo de ese haz se reforzarán. Las señales que se desvían de ese haz se cancelarán. La cantidad de refuerzo es la ganancia de la antena . La cantidad de cancelación es la supresión de lóbulos laterales. ^{[ 55 ]}

Los radares de matriz de fase se han utilizado desde los primeros años del radar en la Segunda Guerra Mundial ( radar Mammut ), pero las limitaciones de los dispositivos electrónicos provocaron un rendimiento deficiente. Originalmente, los radares de matriz de fase se utilizaron para la defensa antimisiles (véase, por ejemplo, el Programa Safeguard ). Son el núcleo del Sistema de Combate Aegis a bordo de buques y del Sistema de Misiles Patriot . La enorme redundancia asociada a tener un gran número de elementos de matriz aumenta la fiabilidad a costa de una degradación gradual del rendimiento que se produce a medida que fallan los elementos de fase individuales. En menor medida, los radares de matriz de fase se han utilizado en la vigilancia meteorológica . En 2017, la NOAA planeaba implementar una red nacional de radares de matriz de fase multifuncionales en todo Estados Unidos en un plazo de 10 años, para estudios meteorológicos y monitorización de vuelos. ^{[ 56 ]}

Las antenas de matriz en fase se pueden construir para que se adapten a formas específicas, como misiles, vehículos de apoyo a la infantería, barcos y aeronaves.

Con la bajada del precio de la electrónica, los radares de barrido electrónico se han vuelto más comunes. Casi todos los sistemas de radar militares modernos se basan en este tipo de radares, donde el pequeño coste adicional se compensa con la mayor fiabilidad de un sistema sin partes móviles. Los diseños tradicionales de antenas móviles todavía se utilizan ampliamente en aplicaciones donde el coste es un factor importante, como la vigilancia del tráfico aéreo y sistemas similares.

Los radares de barrido electrónico pasivo son muy valorados en aeronaves, ya que pueden rastrear múltiples objetivos. El primer avión en utilizar un radar de este tipo fue el B-1B Lancer . El primer avión de combate en utilizarlo fue el Mikoyan MiG-31 . El radar de barrido electrónico pasivo SBI-16 Zaslon del MiG-31M se consideraba el radar de caza más potente del mundo, hasta que se introdujo el radar de barrido electrónico activo AN/APG-77 en el Lockheed Martin F-22 Raptor .

Las técnicas de interferometría de matriz en fase o síntesis de apertura , que utilizan una matriz de antenas separadas alineadas en una única apertura efectiva, no son típicas en aplicaciones de radar, aunque se utilizan ampliamente en radioastronomía . Debido a la maldición de la matriz adelgazada , estas matrices de múltiples aperturas, cuando se utilizan en transmisores, dan como resultado haces estrechos a costa de reducir la potencia total transmitida al objetivo. En principio, estas técnicas podrían aumentar la resolución espacial, pero la menor potencia implica que, por lo general, esto no resulta efectivo.

Por otro lado, la síntesis de apertura mediante el procesamiento posterior de datos de movimiento de una única fuente en movimiento se utiliza ampliamente en sistemas de radar espaciales y aerotransportados .

Las antenas generalmente deben tener un tamaño similar a la longitud de onda de la frecuencia operativa, normalmente con una diferencia de un orden de magnitud . Esto incentiva el uso de longitudes de onda más cortas, ya que esto permite fabricar antenas más pequeñas. Además, las longitudes de onda más cortas ofrecen una mayor resolución debido a la difracción, lo que significa que el reflector con forma que se observa en la mayoría de los radares también puede reducirse para cualquier ancho de haz deseado.

La oposición al uso de longitudes de onda más cortas se debe a varios problemas prácticos. Por un lado, la electrónica necesaria para producir longitudes de onda muy cortas de alta potencia era generalmente más compleja y costosa que la necesaria para longitudes de onda más largas, o simplemente no existía. Otro problema es que la apertura efectiva de la ecuación del radar implica que, para cualquier tamaño de antena (o reflector) dado, la eficiencia será mayor con longitudes de onda más largas. Además, las longitudes de onda más cortas pueden interactuar con moléculas o gotas de lluvia en el aire, dispersando la señal. Las longitudes de onda muy largas también presentan efectos de difracción adicionales que las hacen adecuadas para radares de largo alcance . Por esta razón, se utiliza una amplia variedad de longitudes de onda en diferentes aplicaciones.

Los nombres de banda tradicionales se originaron como nombres en clave durante la Segunda Guerra Mundial y aún se utilizan en el ámbito militar y aeronáutico en todo el mundo. Han sido adoptados en Estados Unidos por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) e internacionalmente por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (IUT) . La mayoría de los países cuentan con regulaciones adicionales para controlar qué partes de cada banda están disponibles para uso civil o militar.

Otros usuarios del espectro radioeléctrico, como las industrias de radiodifusión y contramedidas electrónicas , han sustituido las designaciones militares tradicionales por sus propios sistemas.

Los moduladores actúan para proporcionar la forma de onda del pulso de RF. Existen dos diseños diferentes de moduladores de radar:

• Interruptor de alto voltaje para osciladores de potencia conmutados no coherentes. ^{[ 57 ]} Estos moduladores constan de un generador de pulsos de alto voltaje formado a partir de una fuente de alto voltaje, una red de conformación de pulsos y un interruptor de alto voltaje como un tiratrón . Generan pulsos cortos de potencia para alimentar, por ejemplo, el magnetrón , un tipo especial de tubo de vacío que convierte CC (generalmente pulsada) en microondas. Esta tecnología se conoce como potencia pulsada . De esta manera, el pulso transmitido de radiación de RF se mantiene en una duración definida y generalmente muy corta.
• Mezcladores híbridos ^{[ 58 ]} alimentados por un generador de forma de onda y un excitador para una forma de onda compleja pero coherente . Esta forma de onda puede generarse mediante señales de entrada de baja potencia/bajo voltaje. En este caso, el transmisor de radar debe ser un amplificador de potencia, por ejemplo, un klistrón o un transmisor de estado sólido. De esta forma, el pulso transmitido se modula intrapulso y el receptor de radar debe utilizar técnicas de compresión de pulsos .

Los amplificadores de microondas coherentes que operan con una potencia de salida superior a 1000 vatios, como los tubos de onda progresiva y los klistrones , requieren refrigeración líquida . El haz de electrones debe contener entre 5 y 10 veces más potencia que la salida de microondas, lo que puede generar suficiente calor para producir plasma. Este plasma fluye desde el colector hacia el cátodo. El mismo enfoque magnético que guía el haz de electrones fuerza al plasma a seguir la trayectoria del haz, pero fluyendo en dirección opuesta. Esto introduce modulación FM, que degrada el rendimiento Doppler. Para evitarlo, se requiere refrigeración líquida con una presión y un caudal mínimos, y normalmente se utiliza agua desionizada en la mayoría de los sistemas de radar de superficie de alta potencia que utilizan procesamiento Doppler. ^{[ 59 ]}

El coolanol ( éster de silicato ) se utilizó en varios radares militares en la década de 1970. Sin embargo, es higroscópico , lo que provoca hidrólisis y la formación de alcohol altamente inflamable. La pérdida de un avión de la Armada de los EE. UU. en 1978 se atribuyó a un incendio de éster de silicato. ^{[ 60 ]} El coolanol también es caro y tóxico. La Armada de los EE. UU. ha implementado un programa llamado Prevención de la Contaminación (P2) para eliminar o reducir el volumen y la toxicidad de los desechos, las emisiones atmosféricas y los vertidos de efluentes. Debido a esto, el coolanol se utiliza con menos frecuencia en la actualidad.

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