Radar para niños

El radar es un sistema que utiliza ondas de radio para detectar objetos y medir su distancia, altura, dirección y velocidad. Piensa en él como un "ojo" que usa ondas invisibles para ver cosas como aviones, barcos, coches, formaciones de nubes y hasta el terreno. Funciona enviando un pulso de radio que rebota en el objeto y regresa al radar, como un eco. Con este "eco", el radar puede saber muchas cosas sobre el objeto.

Las ondas de radio pueden viajar más lejos y ver a través de cosas que la luz visible o el sonido no pueden. Por eso, el radar es muy útil en campos como la meteorología (para ver el clima), el control del tráfico aéreo y terrestre, y en muchas aplicaciones militares.

Historia del Radar

El desarrollo del radar es una historia fascinante de descubrimientos científicos y avances tecnológicos.

Primeros Descubrimientos y Teorías

• En 1886, el científico Heinrich Rudolf Hertz demostró que las ondas electromagnéticas pueden rebotar en superficies de metal. Este fue un paso clave.
• En 1904, Christian Hülsmeyer patentó un sistema para evitar choques entre barcos usando ondas electromagnéticas. Fue uno de los primeros usos prácticos de esta idea.
• El desarrollo de la radio y las transmisiones inalámbricas, gracias a inventores como Guglielmo Marconi, ayudó a crear las antenas necesarias para el radar.
• En 1917, Nikola Tesla estableció las bases teóricas de cómo funcionaría un radar, hablando de las frecuencias y la potencia necesarias.
• En 1934, se hicieron pruebas con sistemas de detección de ondas cortas, siguiendo las ideas de Tesla. Así nacieron los radares de ondas decimétricas.

Durante el Siglo XX, muchos científicos e ingenieros contribuyeron al radar. El ambiente previo a la Segunda Guerra Mundial y la guerra misma impulsaron mucho su desarrollo. Varios países trabajaron en sistemas de radar al mismo tiempo, lo que llevó a grandes avances.

Avances Antes de la Segunda Guerra Mundial

Alemania y sus Radares Pioneros

En 1934, una empresa alemana llamada GEMA construyó un dispositivo llamado magnetrón que podía trabajar a 650 MHz. Esto permitió crear el Freya, un radar de vigilancia aérea que operaba a 125 MHz y podía detectar objetos a distancias de entre 80 y 150 millas. Era grande, así que se usaba en tierra. Una versión posterior, el Seetakt, era más pequeña y se montaba en barcos, con un alcance de 10 millas. Este radar se usó en 1938.

En 1935, otra empresa alemana, Telefunken, lanzó un radar con una antena parabólica giratoria. Este fue el precursor del Würzburg, un radar de puntería que trabajaba a 560 MHz.

Los radares Freya y Würzburg fueron muy importantes para la defensa terrestre de Alemania durante la Segunda Guerra Mundial, y el Seetakt fue clave para la detección en los barcos. Sin embargo, al inicio de la guerra, Alemania envió a muchos de sus científicos e ingenieros al frente, pensando que la guerra sería corta. Esto hizo que su avance en radar se ralentizara, mientras otros países seguían investigando.

El Impulso Británico del Radar

El modelo de radar que conocemos hoy fue creado en 1935 y desarrollado principalmente en Inglaterra durante la Segunda Guerra Mundial por el físico Robert Watson-Watt. Este invento dio una gran ventaja a la Real Fuerza Aérea británica en la Batalla de Inglaterra. Al principio, lo llamaban RDF (Radio Direction Finding). Aunque se creó para la guerra, hoy tiene muchos usos civiles, siendo una herramienta esencial para el control del tráfico aéreo.

Antes de la Segunda Guerra Mundial, Robert Watson-Watt y su ayudante Arnold Wilkins investigaban la posibilidad de crear un "rayo de la muerte". La idea era usar ondas de radio para calentar a los pilotos enemigos y hacer que se sintieran mal.

Wilkins calculó que se necesitaría una potencia enorme para lograr esto, algo que no era posible en ese momento. Le dijo a Watson-Watt que un "rayo de la muerte" no era factible. Entonces, Watson-Watt preguntó: "Bien, si un rayo de la muerte no es posible, ¿cómo podemos ayudarles?". Wilkins recordó que los ingenieros de correos habían notado que los aviones causaban interferencias en la recepción de ondas de radio. Sugirió que este fenómeno podría usarse para detectar aviones enemigos.

Esta idea, en enero de 1935, llevó a la invención del radar. Otros ya habían notado estas interferencias, pero las veían como un problema. Wilkins y Watson-Watt vieron su potencial para la detección.

Contribuciones de Estados Unidos

En Estados Unidos, dos científicos del Naval Research Laboratory (NRL), Hoyt Taylor y L. Young, realizaron un experimento. Transmitieron una señal de radio a través de un río y notaron que cuando los barcos pasaban, la señal cambiaba. Esto les hizo pensar que se podía diseñar un sistema para detectar barcos en el mar.

El NRL, junto con el Instituto Carnegie, investigó cómo las ondas rebotaban en la ionosfera y cómo se podían enviar en pulsos. Al conocer el momento en que se enviaba un pulso y midiendo cuánto tardaba en regresar, se podía calcular la distancia. Gracias a estas investigaciones, a principios de los años 30, se diseñó el primer radar de pulsos. En diciembre de 1934, lograron ver los primeros pulsos reflejados por aviones. En julio de 1936, el radar funcionó correctamente. Este radar usaba una sola antena para enviar y recibir, gracias a un invento llamado duplexor, que fue una gran ventaja tecnológica.

Cómo Funciona el Radar

Radar en un barco.

El radar se basa en principios de la física para detectar objetos.

Reflexión de Ondas

Las ondas electromagnéticas rebotan cuando encuentran cambios importantes en el material. Esto significa que un objeto sólido en el aire o en el vacío hará que las ondas de radio del radar se dispersen. Esto es especialmente cierto para materiales que conducen electricidad, como el metal y la fibra de carbono, por lo que el radar es ideal para detectar aviones. Algunos aviones militares usan materiales especiales que absorben las ondas del radar para ser menos detectables.

La forma en que las ondas del radar rebotan depende de su longitud de onda y de la forma del objeto. Si la longitud de onda es mucho más pequeña que el objeto, la onda rebotará como la luz en un espejo. Si es mucho más grande, el objeto se "polariza". Los primeros radares usaban ondas muy largas, por lo que las señales eran débiles. Los radares modernos usan ondas más cortas (de pocos centímetros) que pueden detectar objetos pequeños.

Las señales de radio de onda corta rebotan en las esquinas y bordes, como la luz en un cristal. Los objetos con ángulos de 90 grados reflejan mucho estas ondas. Un objeto con tres superficies que se unen en una esquina (como una caja) siempre reflejará las ondas hacia el emisor.

Archivo:Corner-reflector.svg Estos objetos se llaman reflectores de esquina y se usan para hacer que objetos que normalmente no serían visibles para el radar, como barcos pequeños, sí lo sean y así evitar choques. Por el contrario, si se quiere que una nave no sea detectada, se diseñará sin estas esquinas interiores. Por eso, los aviones "stealth" (furtivos) tienen formas tan extrañas.

Una forma de "cegar" al radar es lanzar tiras metálicas llamadas chaffs, que reflejan las ondas. La capacidad de un objeto para reflejar las ondas de radio se mide con algo llamado "sección transversal de radar" (RCS).

Ecuación del Radar

La potencia de la señal que regresa al radar se calcula con una fórmula llamada ecuación del radar. Esta fórmula nos dice que la potencia recibida disminuye muy rápidamente con la distancia (a la cuarta potencia). Esto significa que la señal que regresa de un objeto lejano es muy, muy pequeña.

Polarización de las Ondas

La dirección del campo eléctrico de la señal que emite un radar se llama polarización. Los radares usan diferentes tipos de polarización (horizontal, vertical, circular) según lo que quieran detectar. Por ejemplo, la polarización circular es buena para reducir la interferencia de la lluvia, mientras que la lineal es útil para detectar superficies de metal.

Interferencias en el Radar

Los sistemas de radar tienen que lidiar con señales no deseadas para poder enfocarse en el objeto que les interesa. Estas señales pueden venir de dentro o fuera del sistema y pueden ser pasivas o activas. La capacidad del radar para superar estas señales se llama "relación señal/ruido" (SNR). Cuanto mayor sea la SNR, mejor podrá el radar distinguir los objetos reales del ruido.

Ruido

El ruido es una variación aleatoria de la señal, generada por los componentes electrónicos del radar. Se ve como variaciones aleatorias que se superponen a la señal del eco. Si la señal de interés es muy débil, es difícil distinguirla del ruido. Por eso, se trabaja mucho para minimizar el ruido en el receptor del radar.

Clutter (Ecos No Deseados)

El clutter se refiere a todos los ecos que el radar recibe y que no son el objeto de interés. Pueden ser causados por el entorno, como el mar, la lluvia, la nieve, tormentas de arena, animales (especialmente pájaros), turbulencias en el aire o incluso edificios. También puede haber clutter intencional, como los chaffs que se lanzan para confundir al radar.

A veces, lo que es clutter para un radar (como las nubes para un radar de defensa) es útil para otro (como un radar meteorológico). El clutter es una interferencia pasiva porque solo aparece cuando el radar envía un pulso.

Existen muchos métodos para reducir el clutter. Uno común es comparar barridos consecutivos del radar: el objeto real se mueve, mientras que el clutter suele estar quieto. Los radares meteorológicos usan polarización lineal para detectar la lluvia, mientras que otros radares usan polarización circular para reducir la interferencia de la lluvia.

También puede haber clutter causado por la señal del eco que toma múltiples caminos, por ejemplo, rebotando en el suelo. Esto puede hacer que el radar detecte "objetos fantasma" que no existen. Los radares modernos usan algoritmos y mapas del terreno para eliminar estos ecos falsos.

Jamming (Interferencia Intencional)

El jamming son señales externas que se emiten en las mismas frecuencias que el radar y que, por lo tanto, ocultan los objetos de interés. Puede ser intencional (como una contramedida electrónica en la guerra) o accidental (por ejemplo, sistemas de comunicación amigos que usan la misma frecuencia). El jamming es una interferencia activa porque se origina fuera del radar.

El jamming es un gran problema porque las señales de interferencia suelen ser más potentes que los ecos de interés. La interferencia puede llegar al radar directamente o por otros caminos.

Para reducir el jamming, se puede hacer que el haz del radar sea más estrecho. Si el jamming tiene la misma frecuencia y polarización que el radar, es muy difícil eliminarlo por completo. Otras técnicas incluyen cambiar rápidamente la frecuencia del radar (frequency hopping) o usar una polarización específica.

Procesamiento de Señales en el Radar

Radar pulsado.

Principio de un sonar o radar de medición de distancia.

Medición de Distancias

Tiempo de Viaje

Una forma de medir la distancia es enviar un pulso electromagnético y medir el tiempo que tarda el eco en regresar. La distancia es la mitad del tiempo de viaje multiplicado por la velocidad de la luz (300.000 km/s).

• r = distancia
• c = velocidad de la luz
• t = tiempo de viaje

La mayoría de los radares usan la misma antena para enviar y recibir. Mientras se envía un pulso, no se puede recibir ningún eco. Esto crea una "distancia ciega" por debajo de la cual el radar no puede detectar nada. Para detectar objetos más cercanos, se necesitan pulsos más cortos.

También hay una distancia máxima de detección. Si el eco llega cuando se está enviando el siguiente pulso, el radar no podrá distinguirlo. Para aumentar el alcance, se debe aumentar el tiempo entre pulsos.

• r_UNAMB = Distancia máxima sin ambigüedad
• c = Velocidad de la luz
• T = Tiempo entre dos pulsos

Hay un equilibrio entre detectar objetos cercanos y lejanos. Los radares modernos pueden cambiar su patrón de pulsos electrónicamente para ajustarse a diferentes rangos. Algunos incluso envían dos pulsos diferentes en el mismo ciclo, uno para distancias largas y otro para cortas.

Modulación de Frecuencia

Otra forma de medir distancias es usando la modulación en frecuencia. El radar emite una señal cuya frecuencia cambia constantemente. Cuando el eco regresa, su frecuencia será diferente de la señal original. Comparando las frecuencias, se puede saber cuánto tiempo ha pasado y, por lo tanto, la distancia al objeto. Cuanto mayor sea la diferencia de frecuencia, mayor será la distancia.

Esta técnica se usa en radares de onda continua (que transmiten todo el tiempo) y en altímetros de aviones.

Medición de Velocidades

Radar de pistola para la medición de velocidad.

La velocidad es el cambio de distancia de un objeto con el tiempo. Los radares pueden medir velocidades guardando la posición anterior del objeto. Los primeros operadores de radar usaban lápices y reglas para calcular la velocidad, pero hoy en día los ordenadores lo hacen de forma rápida y precisa.

Si la señal que envía el radar es "coherente" (sincronizada en fase), se puede usar el efecto Doppler para medir velocidades casi al instante. Este efecto hace que la señal que regresa de un objeto en movimiento cambie de frecuencia. Los radares Doppler pueden medir la velocidad del objeto en relación con el radar. Las velocidades perpendiculares a la línea de visión del radar no se pueden medir solo con el efecto Doppler.

Los radares de onda continua (CW), como los que usa la policía para medir la velocidad de los coches, también usan el efecto Doppler para determinar la velocidad.

Reducción de Interferencias

Los sistemas de radar usan técnicas de procesamiento de señal para reducir los efectos de las interferencias. Estas técnicas incluyen la indicación de objetivo móvil (MTI), radares Doppler pulsados y procesadores de detección de objetivos móviles (MTD). En entornos con mucho clutter, se usan técnicas como CFAR y mapas digitales del terreno.

Componentes de un Radar

Componentes de un radar.

Radar militar.

Un radar tiene varias partes principales:

• Un transmisor que genera las señales de radio.
• Un receptor que capta los ecos y los procesa.
• Un duplexor que permite que la misma antena se use para enviar y recibir señales.
• Hardware de control y procesamiento de señales.
• Una interfaz de usuario para que las personas puedan ver la información.

Diseño del Transmisor

Oscilador

El corazón del transmisor es un dispositivo llamado oscilador. Los más comunes son:

• Magnetrón: Es el más usado, son pequeños y ligeros. Pueden funcionar a frecuencias muy altas y dan buena potencia.
• Klistrón: Son más grandes, pero también dan buena potencia.
• TWT (Tubo de ondas progresivas): Para radares de diferentes frecuencias, con buena potencia.

Modulador

El modulador es el encargado de enviar pequeños pulsos de potencia al oscilador. Esto se llama "potencia pulsada". El modulador asegura que los pulsos de radio que emite el oscilador tengan una duración fija.

Diseño de la Antena

Las señales de radio que se envían desde una sola antena se esparcen en todas direcciones. Esto hace que sea difícil para el radar saber dónde está el objeto.

Los primeros sistemas usaban antenas que enviaban señales en todas direcciones y antenas receptoras que apuntaban en diferentes direcciones. Una limitación era que la energía se dispersaba mucho. Para que llegue suficiente potencia al objeto, se necesitan antenas direccionales.

Reflector Parabólico

Phased array: no es necesario movimiento físico para hacer el barrido.

Los sistemas modernos usan reflectores parabólicos que se pueden mover para enfocar el haz de radio. Generalmente, el mismo reflector se usa para enviar y recibir.

Guía de Onda Ranurada

Las guías de onda ranuradas se mueven mecánicamente para escanear el área. Son muy direccionales en el plano de la antena, pero no pueden distinguir en el plano vertical. Se usan a menudo en barcos y aeropuertos por su costo y resistencia al viento.

Phased Arrays

Los phased arrays son otro tipo de antenas de radar. Consisten en una matriz de muchos elementos que emiten radio. La fase de la señal que alimenta cada elemento se controla para que la radiación se enfoque en una dirección específica. Es como si se jugara con las fases de las señales para que se cancelen en las direcciones no deseadas y se sumen en las direcciones de interés.

Hay dos tipos principales:

• Pasive Electronically Scanned Array (PESA): La antena solo tiene los elementos que emiten y cambian la fase, y la señal viene de una fuente externa.
• Active Electronically Scanned Array (AESA): La señal se amplifica en cada elemento de la antena.

Los phased arrays se usaron desde la Segunda Guerra Mundial, pero eran imprecisos. Hoy son una parte esencial de sistemas de defensa. Su uso se ha extendido porque no tienen partes móviles, lo que los hace muy fiables. Casi todos los radares militares modernos usan phased arrays. También se usan en aviones militares porque pueden seguir múltiples objetivos.

Tipos de Sistemas de Radar

Los radares se pueden clasificar de varias maneras:

Según el Número de Antenas

• Monoestático: Una sola antena envía y recibe.
• Biestático: Una antena envía y otra recibe, en el mismo lugar o en lugares diferentes.
• Multiestático: Combina la información de varias antenas.

Según el Objeto Detectado

• Radar primario: Funciona sin depender del objeto, solo de cómo refleja las ondas.
• Radar secundario: El radar "pregunta" al objeto, y este responde, normalmente con datos como la altura del avión. En vehículos militares, incluye un identificador de amigo o enemigo.

Según la Forma de la Onda

• Radar de onda continua (CW): Transmite sin parar. Los radares de policía suelen ser de este tipo y detectan velocidades por el efecto Doppler.
• Radar de onda continua con modulación (CW-FM, CW-PM): Se le añade modulación para poder estimar distancias.
• Radar de onda pulsada: Es el funcionamiento más común. Envía pulsos periódicamente.

Según su Propósito

• Radar de seguimiento: Puede seguir el movimiento de un objeto, como los radares que guían misiles.
• Radar de búsqueda: Explora un área completa o un sector, mostrando todos los objetos que aparecen.

Algunos radares pueden funcionar en ambos modos.

Según su Frecuencia de Trabajo

Los radares operan en diferentes bandas de frecuencia, cada una con usos específicos:

Según su Campo de Aplicación

• Militar: Radares para detectar objetos en tierra, radares para misiles, radares de artillería, radares en satélites para observar la Tierra.
• Aeronáutico: Control del tráfico aéreo, guía para aterrizajes, radares de navegación en aviones.
• Marítimo: Radares de navegación en barcos, radares para evitar choques, radares para detectar aves.
• Circulación y seguridad en carretera: Radar de control de velocidad de coches, radares para asistencia de frenado de emergencia.
• Meteorológico: Detección de lluvias, nieve, granizo, etc.
• Científico: En satélites para observar los océanos, encontrar restos arqueológicos, etc.

Otras Tecnologías de Radar

• Radar tridimensional: Puede determinar la altura de un objeto, además de su posición.
• Radar de imágenes laterales o radar de apertura sintética (SAR): Permite obtener imágenes del terreno, como fotografías. Funciona combinando muchas observaciones de un radar con una antena pequeña para crear la sensación de una imagen hecha por una antena muy grande.
• Radares Ultra Wideband: Pueden detectar a una persona a través de paredes. Esto es posible porque las personas reflejan más las ondas que los materiales de construcción. Requieren tecnología avanzada para crear una imagen detallada.

Galería de imágenes

• 

  Una antena de radar de detección a larga distancia

Véase también

En inglés: Radar Facts for Kids