Representación de un radar ECRS Mk2 montado en un avión de combate Eurofighter
Recojo aquí un extracto del contenido del Apéndice A de mi libro «El Radar en la historia del siglo XX. Una de las armas decisivas de la Segunda Guerra Mundial«.
Uno de los aspectos en los que más ha incidido el radar en la vida moderna es en el control del tráfico aéreo. Sin el radar lo que muestra el siguiente vídeo sería imposible:
1. Principio de funcionamiento del radar
Siguiendo el razonamiento descrito en el artículo anterior, podríamos usar ondas sonoras para determinar la distancia a la que se encuentra un objetivo y su velocidad. Sin embargo, las ondas sonoras presentan dos problemas principales, que las hacen inviables para esta utilidad:
– Las ondas sonoras no llegan muy lejos, se atenúan enseguida (entre dos y tres kilómetros).
– El eco de una onda sonora es muy débil, por lo que es muy difícil de detectar.
Para salvar este obstáculo, el radar utiliza otro tipo de ondas, denominadas ondas electromagnéticas (en lo que sigue, o.e.m.) en lugar de ondas sonoras. Las o.e.m. llegan muy lejos sin atenuación, son relativamente sencillas de detectar aun cuando sean muy débiles y su velocidad de propagación es muy elevada (300.000 km/s), por lo que el tiempo que se tarda entre la emisión y la detección es extremadamente pequeño, prácticamente instantáneo.
La energía de la o.e.m. se transmite hacia y se refleja desde un objeto reflector. Una pequeña fracción de la energía reflejada, denominada eco como en el caso de las ondas sonoras, retorna al equipo radar que las emitió, donde se analiza para determinar la dirección de movimiento (rumbo o trayectoria), la distancia a la que se encuentra (rango) y la velocidad del objeto reflector. No obstante, la realización práctica de este sencillo principio de operación es muy compleja, al tener que considerar multitud de factores que afectan tanto al diseño y características del sistema que emite y detecta las o.e.m., como a la intensidad y calidad de la señal reflejada por el objeto sobre el que inciden las o.e.m. Todos esos factores se contemplan en lo que se conoce como «Ecuación Radar«, que expresa la relación que existe entra la potencia que emite la antena y la que recibe al reflejarse en un determinado objeto situado a un distancia R de esta:
Los parámetros que intervienen en la ecuación tienen el siguiente significado:
Pemitida: potencia transmitida por la antena.
G: ganancia de la antena de transmisión. Determina la capacidad de la antena para emitir la o.e.m. en una dirección determinada.
λ: Longitud de onda de la o.e.m. emitida por la antena. Los sistemas de radar usualmente trabajan a frecuencias muy altas (y por lo tanto a longitudes de onda reducidas, en el orden de los centímetros), debido a que cuanto menor sea la longitud de onda, más capacidad para distinguir objetos pequeños tiene el sistema.
LS: Pérdidas del sistema.
R: Distancia a la que se encuentra el objeto de la antena emisora/receptora. Como se puede ver, es un factor determinante para obtener una señal apreciable, ya que varía con la inversa de la cuarta potencia. También se denomina rango.
σ: Sección Equivalente de Radar (Radar Cross Section, en lo que sigue RCS); también se denomina firma radar. Es una medida de lo detectable que es un objeto mediante radar
Merece la pena detenerse especialmente en este factor. Cuando una o.e.m. incide en un avión, parte de la energía es absorbida por éste y parte reflejada en otras direcciones además de la de incidencia, por lo que es difícil conocer con precisión en valor de la RCS de un tipo concreto de avión, ya que depende de diversos factores: la geometría del avión, sus materiales de construcción, la dirección de incidencia de la o.e.m. proveniente del radar y su frecuencia.
El uso de la denominada «tecnología furtiva» en la construcción de aviones militares permite reducir drásticamente la RCS de un avión diseñado de acuerdo con esos principios. En los últimos años hemos tenido frecuentes noticias de los denominados aviones «furtivos» (stealth), aparatos que son prácticamente invisibles al radar. Ahora podemos entender por qué sucede esto; la figura muestra la forma en la que reflejan las o.e.m. un avión convencional y uno furtivo.
Izquierda: las ondas se reflejan perfectamente en un avión de pasajeros. Derecha: principio de funcionamiento de la tecnología furtiva. Las ondas reflejadas en el avión furtivo no vuelven a la antena emisora
El cuerpo metálico de un avión es un excelente reflector de las ondas del radar, por lo que localizarlo y seguirlo es muy sencillo. En general, los aviones civiles tienen formas redondeadas, lo que los hace aerodinámicos y, al mismo tiempo, muy buenos reflectores de las señales del radar. En la aviación militar en cambio, el objetivo de la tecnología furtiva es hacer al avión invisible al radar, lo que se consigue combinando dos estrategias de construcción: la forma del avión (alas, fuselaje, morro, etc.) se realiza con una geometría tal que las señales del radar se reflejen en direcciones diferentes a las de incidencia. Para ello se combinan superficies alares y ventrales muy planas con bordes muy marcados y abruptos. Además, el avión se recubre de materiales especiales que absorben las señales del radar. El resultado es que aviones furtivos como el F-117, el F-35 o el B-2 tienen la firma radar (RCS) de un pequeño pájaro en vez de la propia de un avión de sus dimensiones. La figura muestra imágenes de esos aparatos:
Aviones furtivos. Arriba izquierda: F-117 Nighthawk. Arriba derecha: F-35 Ligthning II. Abajo: B-2B Spirit
Pongamos este importante parámetro en contexto cuantitativo: un avión de combate convencional tiene una RCS en el orden de 4-6 m2. El bombardero B-2B Spirit mucho más grande, que utiliza la tecnología furtiva más avanzada, tiene un RCS de solo 0.75 m2. En comparación, un pájaro en vuelo tiene una RCS de 0.01 m2. El siguiente vídeo muestra las peculiaridades del B-2:
2. En el interior de un equipo radar
Los radares se clasifican en dos tipos: de onda pulsada o de onda continua. Los radares de onda pulsada envían señales de alta frecuencia en intervalos periódicos muy cortos (millonésimas de segundo), pero de gran potencia. Esto hace que consuman mucha menos potencia y favorecen que la emisión y recepción puedan realizarse en tiempos distintos, lo cual minimiza el riesgo de producir interferencias. Por otra parte, los radares de onda continua transmiten permanentemente una o.e.m. cuya amplitud y frecuencia permanecen constantes. Del mismo modo, el eco de la señal se recibe y se procesa continuamente. Estos radares se utilizan para efectuar medidas de velocidad, como por ejemplo en los controles de velocidad de tráfico.
A continuación, describiré el esquema y funcionamiento de un radar pulsado, esta clase de equipos son los más ampliamente utilizados en las numerosas aplicaciones en las que se emplea un radar.
2.1 El radar pulsado
Un radar pulsado emite o.e.m. en períodos muy cortos de tiempo; en los intervalos temporales en los que está en silencio, recibe las señales del eco del blanco. El tiempo de emisión típico es t » 1 ms; entre la emisión de dos pulsos consecutivos transcurre un período de silencio denominado tiempo de recepción, que es mucho mayor que el de emisión, típicamente T » 1 ms. Midiendo el tiempo de recepción de la señal del eco, se puede determinar la distancia (rango) a la que se encuentra el blanco y, midiendo la variación del tiempo de recepción entre pulsos consecutivos, se puede determinar la velocidad. La figura muestra cómo son los pulsos emitidos y recibidos por un radar pulsado; obsérvese la enorme diferencia entre la potencia de la señal emitida y la recibida.
Forma de los pulsos que emite un radar pulsado en función del tiempo, con detalles cuantitativos de los pulsos emitidos y de la señal del eco recibida
Los transmisores de radar suelen emitir picos de potencia de ~100 kW, e incluso de ~1 MW. Pero la potencia de la señal recibida de un objetivo, en el rango máximo en el que el objetivo es detectable, se mide en pW (pico vatio, 10-12 W), o aproximadamente 10-18 veces la potencia transmitida. No es de extrañar, por tanto, que el desarrollo del radar haya exigido poner a punto las técnicas más avanzadas utilizadas en instrumentación electrónica a fin de detectar señales tan pequeñas. Conociendo el tiempo transcurrido entre la emisión del pulso y la detección del eco se puede calcular la distancia a la que se encuentra el objeto mediante la siguiente relación, idéntica que para las ondas sonoras:
Donde R es la distancia a la que se encuentra el objeto iluminado por el radar (es decir, el rango), τdelay el tiempo entre la emisión y la detección, y c la velocidad de la onda que en nuestro caso es la velocidad de la luz (c≈3 × 108 m/s).
Para tener buena resolución, es decir, para poder distinguir dos o más blancos simultáneamente, la duración del pulso debe ser muy corta, ya que si no fuera así, una señal con un ancho de pulso grande contiene suficiente energía electromagnética para viajar una gran distancia hasta un objetivo, pero el problema es que, si hay varios objetivos próximos entre sí, sus reflejos individuales serán oscurecidos por el pulso largo, es decir, dos aviones se verán como uno solo. En otras palabras, tener largo alcance conlleva mala resolución. La figura lo muestra:
Radar emitiendo pulsos anchos (arriba) y pulsos estrechos (abajo). En el primer caso, dos aviones aparecen en la pantalla como si fuera solo uno, en el segundo se ven los dos claramente separados
En resumen, si se reduce el ancho del pulso, la resolución mejorará, pero el rango (alcance) se acortará. En otras palabras, podrá distinguir dos aviones uno al lado del otro, pero es posible que no detecte un avión que esté demasiado lejos.
2.2 Esquema básico de un radar operativo
El esquema de un radar pulsado se muestra en la figura:
Esquema simplificado de un equipo de radar
Los elementos que componen la instalación y la función que cumple cada uno son los siguientes:
- Un transmisor que es el que se encarga de generar las o.e.m.; en el caso de la Segunda Guerra Mundial, el más célebre fue el magnetrón. Hoy en día, hay otros dispositivos capaces de generar o.e.m. de alta frecuencia, que no detallaré aquí (klystron, TWT, etc.)
- Las o.e.m. se envían a un dispositivo denominado duplexor, que las redirige a la antena encargada de emitirlas al espacio. Este elemento permite que la antena del radar pueda ser usada tanto para transmitir como para recibir. Divide las funciones de recepción y transmisión, evitando que interfieran entre ellas.
- La antena, que es el componente encargado de transmitir las señales que recibe del transmisor en una dirección determinada y de recibir el eco de la radiación reflejada. En este primer paso, la antena actúa como transmisor y emite los pulsos de o.e.m.
- Las ondas emitidas por la antena impactan en las superficies metálicas de un avión, que refleja una fracción de la o.e.m. incidente en su superficie.
- La antena recibe las ondas reflejadas por la superficie del avión durante los tiempos de recepción. Habitualmente, la potencia de la señal del eco, Pe, es muy débil, tanto más cuanto más alejado esté el blanco y cuanto menor sea su RCS.
- El duplexor recibe la o.e.m. proveniente de la antena y la reenvía al equipo.
- El ordenador del sistema procesa digitalmente la onda reflejada y la envía a un equipo de imagen, donde presenta los datos.
- El eco radar del avión es presentado en la pantalla del equipo, junto con el ambiente que rodea al aparato. La pantalla de presentación en todos los radares pulsados actuales es del tipo panorámico, centrada en la posición del radar. Es él se van mostrando los objetivos detectados en cada pulso mientras un vector que hace referencia a la dirección en la que emite la antena barre toda la pantalla.
Con este artículo finalizo mi participación en el diario Público, que se remonta a septiembre de 2015. Cuestiones relacionadas con las nuevas herramientas de edición del diario hacen inviable la continuidad de este blog. Seguiré estando presente en las redes sociales en las que habitualmente comparto contenidos (Twitter, Blusky, Linkedin, YouTube y Facebook), así como en mi página web. Ha sido un placer colaborar con Público, que siempre me ha tratado con cariño y cuidado. Los tiempos cambian y todos debemos resituarnos, yo el primero. Seguimos viéndonos y leyéndonos en el ciber espacio.
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