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El Radar
Aunque en sus
orígenes fue un instrumento bélico, hoy se utiliza ampliamente
para fines pacíficos, como la navegación, el control del
tráfico aéreo, la detección de fenómenos meteorológicos y el
seguimiento de aeronaves.
2 DESARROLLO DEL RADAR
Todos los sistemas de radar utilizan un transmisor de radio de
alta frecuencia que emite un haz de radiación
electromagnética, con una radiación de longitud de onda
comprendida entre algunos centímetros y cerca de 1 m. Los
objetos que se hallan en la trayectoria del haz reflejan las
ondas de nuevo hacia el transmisor. El radar se fundamenta en
las leyes de la reflexión de las ondas de radio, implícitas en
las ecuaciones que controlan el comportamiento de las ondas
electromagnéticas, planteadas por el físico británico James
Clerk Maxwell en 1864. Estas leyes quedaron demostradas por
primera vez en 1886 a la vista de los experimentos del físico
alemán Heinrich Hertz. El ingeniero alemán Christian Hülsmeyer
fue el primero en sugerir el aprovechamiento de este tipo de
eco mediante su aplicación a un dispositivo de detección
diseñado para evitar colisiones en la navegación marítima. En
1922, el inventor italiano Guglielmo Marconi desarrolló un
aparato similar.
El primer experimento satisfactorio de detección a distancia
tuvo lugar en 1924, cuando el físico británico Edward Victor
Appleton utilizó el eco de las ondas de radio para averiguar
la altura de la ionosfera —una capa ionizada de la atmósfera
más alta capaz de reflejar las ondas de radio más largas. Al
año siguiente, los físicos estadounidenses Gregory Breit y
Merle Antony Tuve llegaron de forma independiente a los mismos
valores para la ionosfera al usar la técnica de radioimpulsos,
que más tarde se incorporó a todos los sistemas de radar. Su
desarrollo no fue posible hasta la década de 1930, cuando se
perfeccionaron las técnicas y equipos electrónicos.
El primer sistema útil de radar lo construyó en 1935 el físico
británico Robert Watson-Watt. Sus investigaciones
proporcionaron a Inglaterra una ventaja de partida en la
aplicación de esta tecnología estratégica; en 1939 ya disponía
de una cadena de estaciones de radar en las costas
meridionales y orientales capaces de detectar agresiones tanto
por aire como por mar. Ese mismo año, dos científicos
británicos lograron el avance más importante para la
tecnología del radar durante la II Guerra Mundial. El físico
Henry Boot y el biofísico John T. Randall inventaron un tubo
de electrones denominado magnetrón de cavidad resonante. Este
tipo de tubo es capaz de generar impulsos de radio de alta
frecuencia con mucha energía, lo que permitió el desarrollo
del radar de microondas, que trabaja en la banda de longitudes
de onda muy pequeñas, inferiores a 1 cm, usando el láser. El
radar de microondas, conocido también como LIDAR (light
detection and ranging), se utiliza hoy en el sector de las
comunicaciones y para medir la contaminación atmosférica.
Los sistemas de radar más evolucionados que se construyeron en
la década de 1930 desempeñaron un papel decisivo en la batalla
de Inglaterra, que se libró en 1940, y en la que la Luftwaffe
de Adolf Hitler fracasó en su intento de adueñarse del espacio
aéreo inglés. Aunque los alemanes disponían de sistemas
propios de radar, los ejércitos británico y estadounidense
supieron preservar su superioridad técnica hasta el final del
conflicto.
3 FUNCIONAMIENTO DE LOS RADARES
Las ondas de radio se desplazan aproximadamente a 300.000 km/s,
la velocidad de la luz. Los equipos de radar están compuestos
por un transmisor, una antena, un receptor y un indicador. A
diferencia de la radiodifusión, en la que el transmisor emite
ondas de radio que son captadas por el receptor, los
transmisores y receptores de radar suelen hallarse juntos. El
transmisor emite un haz de ondas electromagnéticas a través de
una antena, que concentra las ondas en un haz coherente
apuntando en la dirección deseada. Cuando las ondas chocan con
un objeto que se halla en la trayectoria del haz, algunas se
reflejan y forman una señal de eco. La antena capta la energía
contenida en dicha señal y la envía al receptor. Mediante un
proceso de amplificación y tratamiento informático, el
receptor del radar genera una señal en el dispositivo de
visualización, por lo general una pantalla de ordenador o
computadora.
3.1 Transmisores
El funcionamiento del radar implica que el transmisor emita
una gran cantidad de energía para recibir, detectar y
cuantificar una mínima fracción (una millonésima de una
billonésima) de toda la energía de radio devuelta en forma de
eco. Una forma de solucionar el problema de detectar este eco
ínfimo en presencia de la enorme señal emitida es el sistema
de impulsos. Durante un lapso de 0,1 a 5 microsegundos se
emite un impulso de energía; a continuación, el transmisor
permanece en silencio durante un espacio de centésimas o
milésimas de microsegundo. Durante la fase de impulso, o
emisión, el receptor queda aislado de la antena por medio de
un conmutador TR (transmisor-receptor); durante el periodo
entre impulsos, esta desconexión se efectúa con un conmutador
ATR (anti-TR).
El radar de onda continua emite una señal continua, en vez de
impulsos. El radar Doppler, que se utiliza a menudo para medir
la velocidad de objetos como un coche o una pelota, transmite
con una frecuencia constante. Las señales reflejadas por
objetos en movimiento respecto a la antena presentarán
distintas frecuencias a causa del efecto Doppler. La
diferencia de frecuencias guarda la misma relación con la
emitida que la existente entre las velocidades del objetivo y
la de la luz. Un objetivo que se desplaza hacia el radar con
una velocidad de 179 km/h altera la frecuencia de un radar de
10-cm (3.000 megahercios, MHz) exactamente en 1 kilohercio.
Si el receptor del radar está diseñado de forma que rechace
aquellos ecos que poseen la misma frecuencia que el transmisor
y sólo amplifica los de frecuencia distinta, únicamente
visualizará los objetivos móviles. Estos receptores pueden
seleccionar vehículos en movimiento en total oscuridad, como
hace la policía para medir la velocidad de los automóviles.
El radar de frecuencia modulada (FM) emite una señal continua
cuya frecuencia va cambiando de manera uniforme. La diferencia
entre las frecuencia del eco y la del transmisor en el momento
de la recepción de aquél permite calcular la distancia
existente entre transmisor y objetivo. Estos sistemas son más
exactos que los de impulsos, aunque tienen un alcance menor.
3.2 Antenas
Las antenas de radar tienen que ser muy directivas, es decir,
tienen que generar un haz bastante estrecho. Como la anchura
del haz es directamente proporcional a la longitud de onda de
la radiación e inversamente proporcional a la anchura de la
antena, y dado que no resulta viable utilizar antenas grandes
en las unidades móviles de radar, surgió la necesidad de
construir el radar de microondas.
Otras ventajas de los radares de microondas son su menor
vulnerabilidad a las medidas preventivas del enemigo, como las
perturbaciones, y la mayor resolución de los objetivos. El
movimiento necesario del haz del radar se consigue imprimiendo
un movimiento denominado barrido. La forma más sencilla de
barrido consiste en hacer girar lenta y continuamente la
antena. Los radares de tierra que se emplean para la detección
de aviones, a menudo llevan dos equipos de radar: uno efectúa
el barrido en sentido horizontal para visualizar el avión y
calcular el acimut, la distancia angular horizontal, y el otro
lo realiza en sentido vertical para fijar su elevación. Muchas
de las actuales antenas de radar llevan una batería con
direccionamiento electrónico.
3.3 Receptores
El receptor ideal debe ser capaz de amplificar y medir una
señal muy débil con una frecuencia muy elevada. Como hasta
ahora no se ha conseguido construir un amplificador móvil que
cumpla esta función de forma satisfactoria, la señal se
convierte a una frecuencia intermedia de 30 MHz mediante un
circuito superheterodino y se amplifica a dicha frecuencia. La
altísima frecuencia de la señal del radar exige un oscilador y
un mezclador con una precisión muy superior a la que se
utiliza en los receptores normales de radio; no obstante, ya
se han construido circuitos apropiados que utilizan como
osciladores tubos de microondas de alta potencia denominados
klistrones. La conversión de la frecuencia intermedia se
efectúa de forma habitual y la señal se envía a continuación a
una computadora.
3.4 Tratamiento informático
La mayoría de los radares modernos convierten la señal
analógica recibida a una secuencia de números por medio de un
convertidor analógico digital. Un ordenador de alta velocidad
se encarga de procesar esta secuencia y extraer la información
relativa al objetivo. En primer lugar, la señal retorna de
tierra, donde se eliminan los objetos irrelevantes mediante un
filtro indicador de objetivo móvil (MTI). A continuación se
fracciona la señal en componentes discretos de frecuencia por
medio de un transformador rápido de frecuencias (FFT). Por
último, una vez combinadas las señales de muchos pulsos, se
determina el objetivo mediante el procesador de frecuencia
constante de falsa alarma (CFAR).
Los sistemas de radar cuya función principal consiste en
detectar objetivos tienen que indicar la presencia o ausencia
de éstos. Si el objetivo se halla realmente presente, el radar
tendrá que detectarlo correctamente o ignorarlo por error. Si
el objetivo no está presente de verdad, el radar puede indicar
que no hay presencia del objetivo o puede producir una falsa
alarma. La computadora CFAR tiene que ponderar de forma óptima
las detecciones frente a las falsas alarmas.
3.5 Pantallas de radar
Las pantallas modernas de radar recuerdan a los complejos
visores de los videojuegos. La detección de objetivos, la
velocidad y la posición se pueden sobreponer a un mapa con la
representación de carreteras u otras características
importantes. Ciertos radares aéreos o en órbita espacial
procesan las señales que retornan de tierra y proyectan un
mapa de alta resolución del terreno. A menudo se pueden
reconocer objetos tan pequeños como un camión a varios
kilómetros de distancia, de noche y en condiciones
meteorológicas adversas. La mayoría de los últimos avances en
cuanto a pantallas y procesos de radar son consecuencia de los
adelantos en el mundo de las computadoras y la electrónica de
alta velocidad.
3.6 Modulador de impulsos
Todo equipo de radar normal posee otro componente importante:
el modulador de impulsos. Este dispositivo se encarga de
extraer continuamente corriente de una fuente de energía, como
un generador, para alimentar el magnetrón del transmisor con
impulsos del voltaje, potencia, duración e intervalo precisos.
El impulso debe comenzar y finalizar de manera abrupta, pero
la potencia y el voltaje no deben variar de forma apreciable
durante el impulso.
4 SISTEMA SECUNDARIO DE RADAR
Los sistemas de radar descritos reciben el nombre de sistemas
primarios y funcionan sobre el principio de un eco pasivo
procedente del objetivo. Hay otro grupo de equipos de radar,
conocidos globalmente como sistemas secundarios, que se basan
en una respuesta del objetivo; la mayoría de estos equipos se
utilizan en la navegación y en la comunicación.
4.1 Radiofaro de respuesta
Un faro de radar, también denominado racon, es un equipo
secundario de radar que emite un impulso cada vez que recibe
otro. Estos faros amplían en gran medida el alcance de los
radares, ya que un impulso emitido, aunque proceda de un
transmisor de baja potencia, siempre es mucho más potente que
el eco. El transmisor de radar que emite el impulso inicial se
denomina el interrogador y la acción de este impulso sobre el
faro recibe el nombre de disparo. El radiofaro en su versión
más sencilla emite, casi instantáneamente, un único impulso de
la misma frecuencia recibida, que actúa como un potente eco.
Sin embargo, los radiofaros pueden presentar muchas variantes;
por ejemplo, el faro puede responder con una frecuencia
distinta o puede incorporar un retardo, de manera que parezca
hallarse a mayor distancia del interrogador. Estos retardos se
utilizan en los sistemas de aterrizaje asistido para medir la
distancia desde la pista de aterrizaje en vez de desde el
radiofaro. El radiofaro puede estar diseñado para que sólo se
dispare por impulsos dentro de una estrecha gama de
frecuencias, con una longitud determinada o cualquier otra
característica; los radiofaros también pueden devolver una
respuesta codificada, garantizando que el navegante no pueda
confundir el punto que aparece en su pantalla. En tiempos de
paz, los radiofaros más sencillos resultan de gran utilidad
como ayudas a la navegación, sobre todo si se emplean junto
con equipos de radar de baja potencia.
4.2 Identificación de radar (IFF)
Se trata de un radiofaro codificado, instalado en aviones con
fines de identificación en tiempo de guerra; IFF es la
abreviatura de Identification, Friend or Foe. Durante la II
Guerra Mundial, todos los aviones y barcos aliados llevaban
equipos IFF y, aunque muchos de ellos cayeron en manos del
enemigo, nunca pudieron ser utilizados de forma eficaz para
confundir a las fuerzas aliadas, ya que la codificación de la
interrogación y la respuesta se modificaba habitualmente. El
mayor problema planteado por el IFF radicaba en la confusión
de señales en situaciones de gran densidad de tráfico aéreo.
Los equipos IFF poseían un interruptor de emergencia, que al
ser accionado por un miembro de la tripulación de un avión en
apuros alertaba de inmediato al radar interrogador fijando la
posición de aquél.
5 CONTRAMEDIDAS DE LOS RADARES
Durante la I Guerra Mundial apenas se practicó la perturbación
de las comunicaciones de radio enemigas. Sin embargo, durante
la II Guerra Mundial la interferencia de las comunicaciones de
radar tuvo una importancia estratégica, ya que ambos bandos se
apoyaron en el radar para desarrollar diferentes actividades
bélicas. Hay dos métodos básicos para perturbar el radar del
enemigo: la perturbación electrónica, transmitiendo con
frecuencias capaces de interferir los receptores del enemigo,
y la mecánica, lanzando objetos como pequeñas láminas de
aluminio, que producen ecos e interfieren la detección de los
objetivos reales. En la actualidad, dada la proliferación de
emisiones de televisión, teléfonos móviles y otros radares,
gran parte de las interferencias son involuntarias.
5.1 Radar en órbita espacial
Los radares instalados en satélites que se hallan en órbita
espacial sirven para controlar los recursos terrestres y
marítimos, una actividad de creciente importancia en una época
de recalentamiento global y escasez de recursos naturales cada
vez mayor. Otras aplicaciones importantes son el control de
las cosechas y la predicción meteorológica. Los radares en
órbita constituyen un componente esencial en la SDI, la
Iniciativa de Defensa Estratégica.
6 APLICACIONES PACÍFICAS
Aparte de en la navegación marítima y aérea, el radar ha
encontrado una aplicación casi universal en la meteorología y
la predicción del tiempo, no sólo para localizar
perturbaciones importantes como los huracanes o los tornados,
sino para efectuar seguimientos de las condiciones
climatológicas locales. Los equipos de radar también
proporcionan información acerca del volumen de las
precipitaciones, y permiten alertar con antelación sobre
posibles inundaciones.
Un importante desarrollo reciente es el uso del LIDAR para
controlar la contaminación atmosférica y otras partículas en
suspensión, pues a menudo se pueden identificar otros tipos de
sustancias químicas y medir su concentración.
La policía utiliza otro tipo de radar en el control del
tráfico, para determinar la velocidad de los vehículos y
cuantificar la densidad del tráfico en las principales calles,
así como para controlar automáticamente los semáforos.
Una de las aplicaciones principales del radar es el control
del tráfico aéreo a fin de guiar los aviones hasta las pistas
de aterrizaje y tener controlados a los que se encuentran en
vuelo (véase Control aéreo). El sistema de aproximación
controlado desde tierra se compone de dos haces de radar
diferentes, uno que efectúa el barrido en vertical y el otro
en horizontal. El piloto dispone de un receptor de radio, y de
hecho es conducido totalmente por los técnicos de tierra. A
este fin también se utilizan los faros de radar. Se
diferencian de los primeros por cuanto precisan de un radar a
bordo del avión. La mayoría de los radares van equipados con
un conmutador para pasar de la función de búsqueda a la de
faro. Los impulsos de éste son relativamente prolongados;
cuando son emitidos por el avión, los capta el faro de radar
que comunica al avión su posición, apareciendo en la pantalla.
Los últimos avances, entre los que se incluyen la mejora de
las técnicas para aumentar el contraste entre las señales
buenas en el radar y las de ruido aleatorio, han aumentado de
manera notable el alcance operativo del radar, ampliando su
aplicación a la observación de los misiles de gran altitud y
los satélites artificiales. Estas técnicas también encuentran
aplicación en la astronomía radar. El radar es, además, un
elemento esencial de los sistemas de defensa a la hora de
detectar los misiles balísticos intercontinentales.
Artículo enviado
por Ginés Gómez Tomás, Albacete, España.
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