Radar

Hegazkinak detektatzeko radarra.

Radarra (ingelesezko radio detection and ranging-en akronimoa, euskaraz "irrati bidezko detektatze eta distantzia neurketa") objektuak detektatu eta kokatzeko sistema bat da, seinale elektromagnetikoak transmitituz eta objektu horiek islatutako uhinek eragindako oihartzunak jasoz.

Radarrak energia elektromagnetikoko pultsuak transmititzen ditu eta objektuetan islatutako energiaren frakzioa jasotzen du. Radar-ekipoek “oihartzun” horiek aztertzen dituzte radar-seinalea islatu duen objektu bakoitzaren presentzia zehazteko eta haren kokapenari eta abiadurari buruzko informazioa lortzeko.

Radar gehienek transmisiorako eta hargailurako antena komun bat dute. Eskuarki, transmisio-potentzia oso handiak erabiltzen dituzte eta sentikortasun handiko hartzaileak behar dituzte.

Garrantzitsua da bi termino bereiztea: clutter eta target. Clutter: radarrak jasotako oihartzun guztietatik radarrarentzat interesgarri ez direnak. Target edo "Zuria": radarrarak aztertu nahi duen objektua da.

Radar pultsatua.

Historia

• 1886an, Heinrich Rudolf Hertzek frogatu zuen uhin elektromagnetikoak gainazal metalikoetan islatzen direla.
• 1904an, Christian Huelsmeyerrek itsasontzien talken aurkako lehen sistema patentatu zuen uhin elektromagnetikoak erabiliz.
• Guglielmo Marconik, besteak beste, irratia eta haririk gabeko transmisioa garatu zituen, eta horri esker garatu ziren antenak.
• 1917an, Nikola Teslak radarraren etorkizuneko printzipio teorikoak ezarri zituen: maiztasunak eta potentzia-mailak.
• 1934an, magnetroiaren azterketa sistematikoari esker, uhin motzeko detekzio-sistemei buruzko saiakuntzak egin ziren, Nikola Teslaren printzipioei jarraituz. Horrela sortu ziren uhin dezimetrikoen radarrak.
• XX. mendean zehar, asmatzaile, zientzialari eta ingeniari askok radarraren garapenean lagundu dute, batez ere Bigarren Mundu Gerra hasi baino lehenagoko gerra aurreko giroak, eta gerrak berak bultzatuta. Bertan parte hartu zuten herrialde handiek radar-sistema desberdinak garatu zituzten aldi berean, eta bakoitzak aurrerapen handiak egin zituen gaur egun radar-sistemei buruz ezagutzen denera iristeko.
• Azken urte hauetan, zientziaren atal ezberdinetan erabili da, esate baterako, industrian, aeronautikan, militarrean eta meteorologian.

Printzipioak

Izkinako islagailua

Uhin elektromagnetikoak konstante dielektriko edo diamagnetikoetan aldaketa esanguratsuak daudenean sakabanatzen dira. Horrek esan nahi du airean edo hutsean dagoen objektu solido batek (hau da, objektuaren eta haren ingurunearen arteko atomo-dentsitatearen aldaketa batek) irrati-uhinak sakabanatuko dituela, radarrekoak bezala. Hori bereziki gertatzen da material eroaleen kasuan; hala nola, metalaren eta karbono-zuntzaren kasuan eta, horregatik, radarra bereziki aproposa da aireontziak detektatzeko. Batzuetan, hegazkin militarrek radar-uhinak xurgatzen dituzten substantzia erresistibo eta magnetikoak dituzten materialak erabiltzen dituzte, islapen-maila murrizteko. Radarraren uhinen eta espektro ikusgaiaren artean analogia bat ezarriz, material horiek kolore iluneko zerbait margotzearen pareko lirateke.

Radarraren uhinen islapena aldatu egiten da uhin-luzeraren eta zuriaren formaren arabera. Uhin-luzera zuriaren tamaina baino askoz txikiagoa bada, uhinak ispilu baten kontrako argia bezala errebotatuko du. Aldiz, zuriaren tamaina baino askoz handiagoa bada, hori polarizatu egiten da (karga positiboen eta negatiboen bereizketa fisikoa), dipolo batean bezala (ikus: Rayleighen sakabanaketa). Bi eskalak antzekoak direnean erresonantzia-efektuak gerta daitezke. Lehen radarrek uhin-luzera oso altuak erabiltzen zituzten, objektiboak baino handiagoak; jasotzen zituzten seinaleak ahulak ziren. Egungo radarrek uhin-luzera txikiagoak (zentimetro gutxikoak edo txikiagoak) erabiltzen dituzte, ogi-barra baten tamainako objektuak detektatzeko.

Oihartzun-seinalearen izpi anitzaren ondorioz, radarrak "zuri mamuak" detektatzen ditu

Uhin motzeko irrati-seinaleak (3 kHz-30 MHz) kurbetan eta ertzetan islatzen dira, argiak kristal kurbatuko zati batean distirak sortzen dituen bezalaxe. Uhin-luzera horietarako, gainazal islatzaileen artean 90º-ko angeluak dituztenak dira islapen handiena duten objektuak. Izkina batean elkartzen diren hiru gainazal (kaxa batena bezalakoa) dituen egiturak beti islatuko ditu igorlearengana bere irekiduratik sartzen diren uhinak.

Mota horretako islagailuak, izkinako islatzaileak deritzenak (corner reflectors), beste egoera batzuetan hala izango ez liratekeen objektuak radarrean "ikusteko" erabiltzen dira (ontzietan instalatzen dira, detektagarritasuna hobetzeko eta talkak saihesteko). Arrazoibide berari jarraituz, nabe bat ez detektatzea nahi bada, haren diseinuan barneko izkinak eta atzemateko norabideekiko perpendikularrak diren gainazal eta ertzak kentzen saiatuko da. Horregatik dira bitxiak "stealth" hegazkinak (ezkutuko hegazkina). Neurri horiek guztiek ez dute guztiz ezabatzen difrakzioaren ondoriozko islapena, bereziki uhin-luzera handietarako.

Elementuak

Pultsu-radar baten definizioa

Transmititutako seinalea aldizkako pultsu-tren bat da, irrati-maiztasuneko eramailea anplitudean modulatzen duena.

Radar baten egitura

Radar baten osagaiak.

Bloke bakoitzaren funtzioak

Transmisorea

• Transmititu beharreko seinalea sortzen du, behar den uhin-formarekin.
• Beharrezko potentzia-maila ematen du.
• Maiztasunean egonkorra, esleitutako banda-zabaleraren barruan.
• Beste alderdi batzuk baloratzen dira: eraginkortasuna, mantentze-baldintzak, balio-bizitza, tamaina, pisua...

Teknologiak

400 kW klystron Canberrako Espazio Sakoneko Komunikazio Konplexuan espaziontzien komunikaziorako erabiltzen dira.

Hodi elektronikoak

Hodi elektronikoen barruan hainbat teknologia daude: Magnetroia, Klystron anplifikadorea, uhin-hodi progresiboa (ingelesez, Traveling_Wave edo TWT) eta eremu gurutzatuen anplifikadorea (ingelesez, Crossed-Field Amplifier edo CFA).

Egoera solidoko teknologia

Egoera solidoko teknologia transistore bipolarretan (3 GHz arte) eta MESFETetan (goi-maiztasunak) oinarritzen da. MMIC teknologiak (AsGa gaineko mikrouhin zirkuitu monolitikoak) egoera solidoko teknologia radar berrietan inplementatzeko aukera ematen du.

Egoera solidoko teknologiaren barruan daude: BJT egoera solidoa eta GaAs FET.

Sistema erradiatzailea (antena)

• Transmisioan eta harreran irabazia ematen du.
• Esleitutako norabidean dago (azimuta eta goratzea).
• Antenaren kontrola: biraketa-abiadura eta erradiazio-diagramaren forma (berriz konfiguratu badaiteke).

Motak

Hiru mota bereiz daitezke:

Erreflektoreak

Irrati-teleskopioaren antena parabolikoak

Sistema modernoenek islagailu paraboliko bideragarriak erabiltzen dituzte broadcast bidez igortzen den pultsu sorta estutzeko. Oro har, islatzaile bera erabiltzen da hargailu gisa. Sistema horietan, askotan bi radar maiztasun erabiltzen dira antena berean kontrol automatikoa ahalbidetzeko.

Uhin-gida artekatua

Itsasontsi baten uhin-gida artekatua

Artekatutako uhin-gida mekanikoki mugitzen da ekortzeko, eta egokia da bilaketa-sistemetarako (ez jarraipen-sistemetarako). Uhin-gida artekatuen zuzenkortasuna oso handia da antenaren planoan. Halabaina, parabolikoak ez bezala, ez dira gai plano bertikalean bereizteko. Parabolikoen kalterako, uhin-gida artekatuak itsasontzien estalkietan eta aireportuetako eta portuetako kanpoaldeetan erabiltzen dira,  hauen kostua txikiagoa eta haizearekiko duten erresistentzia handiagoa direlako.

Phased array

Phased array antena

Radarretarako erabiltzen diren beste antena mota batzuk phased arrayak dira. Phased array bat elementu erradiatzaileen matrize (array) bat da. Hauetako bakoitza elikatzen duen seinalearen fasea kontrolatuta dago, multzoaren erradiazioa oso direktiboa izan dadin. Hau da, seinaleen faseekin jolasten da, nahi ez diren norabideetan deuseztatu eta intereseko norabideetan interferentzia eraikitzaileak lortzeko (konstruktiboki interferitzeko).

Irrati-astronomian ere phased arrayak erabiltzen dira, irekidura sintetikoko tekniken bidez erradiazio-sorta oso estuak lortzeko. Irekiera sintetikoa hegazkinen radarretan ere erabiltzen da.

Duplexore

• Antena transmisorea eta hartzailea partekatzeko aukera ematen du.
• Transmisorea eta hartzailea isolatzeko balio du..
• Seinalea bideratzea (Transmisorea -> Antena eta Antena -> Hargailua) galerarik izan gabe.

Hargailua

• Demodulazioa.
• Iragazpena.
• Anplifikazioa.

Detekzio gaitasuna eta bereizmena hobetzeko teknikak

Helburuaren arabera, detekzio gaitasunak edo bereizmenak hobetu daitezke.

Detekzio gaitasuna hobetzea

Bi talde bereiz daitezke:

• Clutter-maila murrizteko (anti-clutter) teknikak: MTI (Moving Target Indicator), PDP (Pulse Digital Processing), MTD (Moving Target Detector) eta CFAR (Constant False Alarm Rate).

• Target-aren oihartzun argiagoa lortzeko teknikak: dibertsitatea maiztasunean, radar polarimetrikoa (dual radarra), Log-FTC (ertzak detektatzea) eta hargailuaren maila dinamikoa murriztea (antena cosec2, STC (Sensitivity Time Control)).

Bereizmena hobetzea

Petrolio-isuriaren irudia SAR teknikaren bidez lortuta.

Bi teknika:

• Pultsuen konpresioa: bi objektibo, distantzian bereizmen handiagoa izatea eta target mota identifikatzea eta ezaugarritzea. Pultsu luzeak (maiztasunean edo fasean modulatuak) eta pultsu laburrak transmitituz lor daiteke. Metodo desberdinak daude.
• SAR (Synthetic Aperture Radar): SARaren helburua antenaren apuntatzeko norabidearekiko norabide perpendikularrean bereizmena hobetzea da. Bereizmen handiena lortzeko oso antena kopuru handiko array baten simulazioa egiten da.

Seinalea prozesatzea

• Nahi den seinalea kentzea (clutter, zarata...).
• Objektuari buruzko informazioa lortzea: oinarrizkoa (posizioa, abiadura...) edo landuagoa (irudia).

Kontrola

• Radar-funtzioak monitorizatzen ditu.
• Jasotako aginduen arabera konfiguratzen ditu elementuak.

Radar sistemen sailkapena

Radarren sailkapen orokorra oinarrizko alderdi batzuen arabera egin daiteke:

Zuri-motaren arabera

• Radar primarioa: targetak ez du aktiboki parte hartzen, radarra sekzioaren (ingelesez, Radar Cross Section edo RCS) mende dago soilik.
• Radar sekundarioa: radarrak targeta galdekatzen du, eta horrek, normalean, datu batzuk emanez erantzuten du (hegazkinaren altuera, etab.). Ibilgailu militarren kasuan, lagun-etsai identifikatzailea sartzen da.

Transmisorearen eta hartzailearen kokapen erlatiboaren arabera

• Radar estatiko bakarra: transmisoreak eta hartzaileak antena bera partekatzen dute.
• Radar biestatikoa: transmisorea eta hartzailea fisikoki bereizita daude (hartzaile bat baino gehiago).
• Radar multiestatikoa: hainbat antenek emandako informazioa konbinatzen du.

Helburuaren arabera

• Zaintza-radarra (scanning radar): espazio osoa arakatzen du, edo haren sektore bat, agertzen diren zuri guztiak erakutsiz. Honela sailkatzen dira: 2D radarrak eta 3D radarrak.
• Jarraipen-radarra (tracking radar): zuri baten mugimendua jarraitzeko gai da. Adibidez, misilen gida-radarra.

• Radar multifuntzionala (tracking while scanning radar). Bi moduetan funtzionatzen du.

Seinale-motaren arabera

• Uhin jarraituko radarra (CW): etengabe transmititzen du. Poliziaren radarra uhin jarraitukoa izaten da, eta Doppler efektuari esker abiadurak detektatzen ditu.

• Modulazioa duen uhin jarraituko radarra (CW-FM, CW-PM): seinaleari faseko edo maiztasuneko modulazioa gehitzen zaio, oihartzun bati dagokion seinalea noiz transmititu zen zehazteko (distantziak zenbatestea ahalbidetzen du).

• Radar pultsatua: ohiko funtzionamendua da. Aldizka pultsu bat transmititzen da, modulatuta egon daitekeena edo ez. Transmititutako azkenaren aurreko pultsuen oihartzunak agertzen badira, azken honenak balira bezala interpretatuko dira eta, beraz, existitzen ez diren zurien arrastoak agertuko dira.

Ebazteko gaitasunaren arabera

• Radar konbentzionala: bereizmen-zelularen tamaina zuriarena baino askoz handiagoa da (radarrarentzat, objektua espazioko puntu bat da).
• Bereizmen handiko radarra: bereizmen-zelularen tamaina zuriarena baino txikiagoa da. Zurien identifikazio pasiboa errazten du, radar-sinaduraren bidez.
• Irudi-radarra: distantzia eta angeluko bereizmenak objektuen tamaina baino askoz handiagoak dira, eta horrela irudiak lortzen dira. Normalean radarraren mugimendua beharrezkoa da.

Maiztasun-banden arabera

Bandaren izena	Izenaren jatorria	Maiztasunak	Uhin-luzerak	Oharrak
HF	High Frecuency	3-30 MHz	10-100 m	Kostaldea zaintzeko radarrak, OTH zaintza (over-the-horizon)
VHF	Very High Frecuency	50-330 MHz	0,9-6 m	Oso helmen luzeko zaintza, lurra zeharkatzen du
UHF	Ultra High Frecuency	300-1000 MHz	0,3-1 m	Oso helmen luzeko zaintza (adib. misilak detektatzea), lurra eta landaredia zeharkatzen ditu
L	Long wave	1-2 GHz	15-30 cm	Distantzia handiak. Bide-trafikoaren kontrola.
S	(SHF Band) Short wave	2-4 GHz	7,5-15 cm	Tarteko distantzietako zaintza. Terminaletako trafikoa kontrolatzea. Distantzia luzeetako baldintza meteorologikoak
C	(SHF Band) Compromise between S- and X-bands	4-8 GHz	3,75-7,5 cm	Distantzia handiko jarraipena. Meteorologia
X	(SHF Band) Described fire control radars in World War II, X stands for "cross", as in "crosshairs"	8-12 GHz	2,5-3,75 cm	Misilen gida, meteorologia, bereizmen ertaineko kartografia, aireportuetako azaleko radarrak. Distantzia laburren jarraipena
Ku	(SHF Band) Kurz-under	12-18 GHz	1,67-2,5 cm	Bereizmen handiko kartografia. Sateliteentzako altimetroak
K	(SHF Band) Kurz-German for "short wave"	18-27 GHz	1,11-1,67 cm	Ur-lurruna xurgatzea. Meteorologiarako erabiltzen da, hodeiak detektatzeko. Baita motorzaleen abiadura kontrolatzeko ere. Gutxi erabiltzen da
Ka	(EHF Band) Kurz-above	27-40 GHz	0,75-1,11 cm	Bereizmen handiko kartografia, aireportuen zaintza
V	(EHF Band) Very short	40-75 GHz	6,0-4 mm	Atmosferak xurgatzen du
W	(EHF Band) W follows V in the alphabet	75-110 GHz	2,7 - 4,0 mm	Sentsore gisa erabiltzen da ibilgailu autonomo esperimentaletarako, bereizmen handiko meteorologiarako eta irudien tratamendurako
mm	(EHF Band) millimetter	110-300 GHz	7,5 mm - 1 mm	Esperimentala

Aplikazio-eremuaren araberako sailkapena

• Militarra: lurreko detekzio-radarrak, misil autogidatuen radarrak, artilleriako radarrak, Lurra behatzeko sateliteen radarrak.
• Aeronautikakoa: aire-trafikoaren kontrola, aireportura hurbiltzeko gida, nabigazio-radarrak. Abiazioan, satelite-errepikagailuak ezartzen du komunikazio elektronikoa hegazkineko ekipoaren eta lurreko estazioaren artean.

  

  Aire-trafikoa kontrolatzeko radarra.

• Itsasokoa: nabigazio-radarra, talken aurkako radarra, hegaztiak detektatzeko radarra.
• Zirkulazioa eta segurtasuna bidean: ibilgailuen abiadura kontrolatzeko radarra, larrialdiko balaztatze-laguntzako radarrak (ACC, Adaptive Cruise Control).
• Meteorologikoa: prezipitazioak detektatzeko radarra (euria, elurra, txingorra, etab.).
• Zientzia-azterketak: Lurra behatzeko sateliteetan, ozeanoen maila ikusteko, aztarna arkeologikoak aurkitzeko, etab..

Radar-ekuazioa

Harrera-antenan islatutako potentzia P_r radar-ekuazioaren bidez ematen da:

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

non

• P_t = transmititutako potentzia
• G_t = transmisio-antenaren irabazia
• A_r = harrera-antenaren benetako irekiera (eremua)
• σ = zeharkako sekzioa, edo helburuaren gainbehera-koefizientea
• F = patroiaren hedapen-faktorea
• R_t = transmisoretik objektiborako distantzia
• R_r = objektibotik hartzailearekiko distantzia.

Transmisorea eta hargailua leku berean dauden kasu arruntean, R_t = R_r. Hau da:

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

Horrek dio antena hartzailearen potentzia distantziaren laugarren potentziara murrizten dela proportzionalki, eta horrek esan nahi du urruneko helburutik islatutako potentzia oso txikia dela.

Target detektatzea

• Alarma faltsuaren probabilitatea (p_fa): radarrak zuri bat dagoela adierazteko probabilitatea, zarata erradioelektriko baino ez dagoenean.
• Detektatzeko probabilitatea (p_d): radarrak zuri baten presentzia adierazteko probabilitatea, zuri hori benetan dagoenean. Ehunekotan neurtzen da (normalean, % 50etik % 99,99ra).

Pultsuen integrazioa

Pultsuen integrazioa esplorazio berean target batetik datozen oihartzunen batura da.

Zarataren ohiartzuna aldatzean den bitartean, targetaren ohiartzuna elkarren segidako pultsuen artean berdin mantentzen da.

Bi mota bereiz daitezke: integrazio koherentea (aurredetekzioa) eta integrazio inkoherentea (postdetekzioa).

RCS (Radar Cross Section)

Radar sekzioaren diagramaren adibidea.

RCSk edo radar sekzioak objektuak norabide guztietan sakabanatzen duen radarretik datorren energia kantitatea ezaugarritzen du.

Targetak islatutako potentziaren eta objektu horretan eragiten duen potentzia-dentsitatearen arteko erlazioa:

${\textstyle \sigma ={{P(W)} \over {{{(P_{t}G_{t})} \over (4\pi d^{2})}(W/m^{2})}}(m^{2})}$

Beraz, radar sekzioak esfera eroale perfektu baten sekzioa adierazten du, eta esfera horrek, norabide guztietan erradiatuz, radarrean objektu errealak sortutako potentzia bereko oihartzuna sortzen du. Esan daiteke oihartzuna sortzen duen objektuaren eremu eraginkorra dela.

Garrantzitsua da ikustea objektu gehienetan radar sekzioak ez duela eremu fisikoa irudikatzen.

Ikus, gainera

• Nikola Tesla
• Sonar
• LIDAR
• Uhin elektromagnetiko

Bibliografia

• Principles of Modern Radar. J.L. Eaves, E.K. Reedy. Van Nostrand Reinhold, New York, 1987 (Ingelesez).
• Radar y Sistemas de Navegación por Satélite (I., II., III., IV. eta V. gaiak). David de la Vega Moreno. 2022. Komunikazio Ingeniaritza saila. Bilboko Ingeniaritza Goi Eskola Teknikoa. Euskal Herriko Unibertsitatea. (Gaztelaniaz).
• Introduction to Radar Systems. M.I. Skolnik. McGraw–Hill (Second Edition), 1980 (Ingelesez).
• Radar Technology, Guy Kouemou (Ed.), InTech, 2010, ISBN 978-953-307-029-2, ([1]) (Ingelesez).
• Radar handbook, Merrill I. Skolnik, 2^nd ed, New York, McGraw-Hill, 1990 (Ingelesez).

Kanpo estekak

• Christian Huelsmeyer, the inventor - Radar World (Ingelesez)
• radartutorial
• radar world
• Radartutorial

Wikimedia Commonsen badira fitxategi gehiago, gai hau dutenak: Radar

• Datuak: Q47528
• Multimedia: Radars / Q47528