Radar

Radar – História

O desenvolvimento do radar começou com o trabalho do físico alemão Heinrich Rudolf Hertz. Na década de 1880, Hertz demonstrou que as ondas de rádio se comportam como se fossem ondas de luz, ou seja, podem ser refletidas por objetos, assim como a luz é refletida por um espelho.

O engenheiro alemão Christian Hülsmeyer foi o primeiro a aplicar as descobertas de Hertz. Em 1904, Hülsmeyer patenteou um sistema de navegação que usava os ecos produzidos por ondas de rádio. O aparelho despertou pouco interesse devido a suas grandes limitações. A possibilidade de usar o reflexo de sinais de rádio para detectar objetos só foi considerada depois que o engenheiro italiano Guglielmo Marconi elaborou seus princípios em 1922.

Na década de 1930, vários países, entre eles o Reino Unido, os Estados Unidos, a França, a Alemanha e o Japão, iniciaram pesquisas para produzir sistemas de radar capazes de detectar aviões e navios a grandes distâncias e sob baixas condições de visibilidade. Antes do início da segunda guerra mundial, o Reino Unido já possuía uma rede de estações de radar capaz de perceber a aproximação de aviões inimigos. No final de 1939, uma rede semelhante, chamada Freya, começou a ser implantada na Alemanha. Em poucos anos, os ingleses desenvolveram aparelhos de radar pequenos o bastante para serem instalados em aviões de caça. Ao mesmo tempo, nos Estados Unidos, eram criados equipamentos de radar capazes de controlar o disparo de canhões. Ao longo da segunda guerra mundial, o esforço conjunto de pesquisadores americanos e britânicos produziu equipamentos de radar de microondas de alta potência para uso militar.

Após a década de 1940, o desenvolvimento dos radares prosseguiu com o aperfeiçoamento dos componentes e circuitos, bem como com o uso crescente de dispositivos eletrônicos, como transistores e circuitos integrados. A aplicação de novos métodos de rastreamento e o emprego de computadores de alta velocidade para o processamento dos sinais também contribuíram de forma significativa para a eficiência e a confiabilidade dos equipamentos de radar.

Radar – O que é

Radar

Radar é um sistema de detecção que usa ondas de rádio para determinar o alcance, o ângulo ou a velocidade dos objetos. Ele pode ser usado para detectar aeronaves, navios, espaçonaves, mísseis guiados, veículos a motor, formações meteorológicas e terrenos. Um sistema de radar consiste em um transmissor produzindo ondas eletromagnéticas no domínio do rádio ou microondas, uma antena transmissora, uma antena receptora (geralmente a mesma antena é usada para transmitir e receber) e um receptor e uma antena.processador para determinar propriedades do (s) objeto (s). As ondas de rádio (pulsadas ou contínuas) do transmissor refletem o objeto e retornam ao receptor, fornecendo informações sobre a localização e a velocidade do objeto.

Radar – Características gerais

O termo radar é formado pelas iniciais da expressão radio detecting and ranging (detecção e localização por meio de ondas de rádio). Um sistema de radar opera transmitindo ondas eletromagnéticas, geralmente na freqüência das microondas, na direção de um objeto, e registrando as ondas por estes refletidas. Embora com pequenas variações, segundo sua finalidade, os equipamentos de radar têm a mesma constituição básica. Um transmissor capaz de produzir microondas é provido de antena direcional para a focalização das ondas na direção desejada; um aparelho receptor utiliza a mesma antena do transmissor.

Cada vez que um sinal é enviado, o transmissor é desligado durante uma fração de segundo, para permitir a percepção dos sinais refletidos pelo objeto. Para essa operação, existe um tipo especial de interruptor, que apaga momentaneamente o transmissor, ligando-o logo em seguida para enviar o sinal seguinte. Esse processo de interrupção repete-se cerca de mil vezes por segundo.

As propriedades das ondas captadas, ou ecos, são amplificadas e analisadas por um processador de sinais. O processador de sinais converte os sinais em informação utilizável por um operador humano ou por um dispositivo controlado pela unidade de radar, como canhões antiaéreos. Geralmente a informação sobre um objeto detectado – por exemplo, distância, direção ou altitude – é mostrada na tela de um tubo de raios catódicos, que fornece uma imagem semelhante a um mapa da área varrida pelo feixe do radar.

Os radares podem distinguir entre um tipo de objeto e outro – como, por exemplo, um pássaro de um avião. Alguns sistemas são até mesmo capazes de distinguir diferentes classes de um mesmo objeto, como um avião comercial de um caça militar. Esse reconhecimento é possibilitado pela medição do tamanho e da velocidade do objeto e pela observação do objeto, em alta resolução, numa ou mais dimensões. Hélices ou motores a jato modificam a onda de radar refletida pela aeronave e podem ajudar no reconhecimento. Além disso, o bater das asas de aves durante o vôo produz uma modulação característica que pode ser usada para detectar a presença do animal e até mesmo para distinguir qual é o tipo de ave.

Radar – Funcionamento

O radar é composto por uma antena transmissora receptora de sinais para Super Alta Freqüência (SHF), a transmissão é um pulso eletromagnético de alta potência, curto período e feixe muito estreito. Durante a propagação pelo espaço, o feixe se alarga em forma de cone, até atingir ao alvo que está sendo monitorado, sendo então refletido, e, retornando para a antena, que neste momento é receptora de sinais.

Como se sabe a velocidade de propagação do pulso, e pelo tempo de chegada do eco, pode-se facilmente calcular a distância do objeto. É possível também, saber se o alvo está se afastando, ou se aproximando da estação, isto se deve ao Efeito Doppler, isto é, pela defasagem de freqüência entre o sinal emitido e recebido.

Radar – Aplicações

Os avanços tecnológicos deram origem a um vasto campo de novas aplicações para o radar. Na área militar, transmissores de alta potência e receptores de grande sensibilidade possibilitaram a criação de uma rede de radares de alcance extremamente longo para detecção de mísseis balísticos intercontinentais. Nas últimas décadas do século XX, os Estados Unidos e o Canadá operavam em conjunto uma rede de radares conhecida como Spadats (iniciais de space detection and tracking system, que em português quer dizer “sistema de rastreio e detecção espacial”). A rede Spadats detecta e monitora os satélites artificiais postos em órbita ao redor da Terra.

Os radares também apresentam inúmeras aplicações civis. O equipamento tornou-se um importante elemento de segurança para a navegação aérea e marítima. Praticamente todos os grandes aeroportos contam com sistemas de radar de alta precisão para controlar e orientar o movimento de chegada e partida de aviões, de forma a evitar colisões. Com esses sistemas, os controladores de tráfego aéreo podem guiar os pilotos para um pouso seguro, mesmo quando as condições de visibilidade são ruins.

Grande número de embarcações, inclusive lanchas particulares e barcos pesqueiros, são equipados com unidades de radar para navegação costeira. Em muitos portos, sistemas de vigilância por radar foram instalados em terra firme para orientar os navios que se aproximam. O radar também é um instrumento muito útil para pesquisas astronômicas. Ele permite não só efetuar medidas mais exatas das distâncias, em relação aos sistemas ópticos de medição, como também estudar as características das superfícies dos planetas e satélites. Os astrônomos já empregaram radares para mapear a superfície da Lua, de Marte e de Vênus em detalhe.

A meteorologia é outro campo da ciência beneficiado pelo radar. Equipamentos de radar instalados no solo e em aviões ajudam a fazer previsões de tempo a curto prazo. Eles podem localizar e rastrear temporais que se aproximam, a centenas de quilômetros, captando os ecos de sinais de radar produzidos por gotas, cristais de gelo e granizo no interior das nuvens.

A contínua miniaturização dos circuitos e de equipamentos auxiliares permitiu projetar unidades portáteis de radar cada vez menores. Os equipamentos usados pela polícia para detectar veículos em alta velocidade são um exemplo desse tipo de dispositivo. Uma unidade ainda menor foi desenvolvida para ser empregada em bengalas para cegos.

Radar – Tipos

Existem vários tipos de sistemas de radar, diferenciados segundo o método de transmissão de sinais e o uso de propriedades das ondas refletidas. O tipo mais comumente usado é o radar de pulsos, que recebe esse nome porque o transmissor é regulado para enviar descargas ou pulsações eletromagnéticas com um intervalo relativamente longo entre os pulsos. O receptor capta as ondas refletidas pelos objetos mais próximos logo depois da transmissão do pulso, e pelos mais distantes, quase no final do intervalo entre os pulsos. Depois de transcorrido tempo suficiente para a recepção das ondas refletidas pelos objetos mais distantes, o transmissor envia outro pulso eletromagnético, e o ciclo se repete. O intervalo de tempo entre a transmissão de um sinal e a recepção de um eco se deve ao fato de as ondas de rádio viajarem à velocidade extremamente alta – mas finita – da luz (300.000km/s).

Outro tipo muito utilizado de radar é o de onda contínua. Nesse modelo, a antena transmite sinais de rádio continuamente. Como o eco contínuo produzido pelos sinais enviados não pode ser associado a uma parte específica da onda transmitida, não é possível obter informações sobre distância do objeto observado com esse tipo de radar.

O dispositivo pode ser usado, porém, para descobrir, com precisão, a velocidade do objeto, por meio da medição do efeito Doppler – uma deformação da freqüência da onda transmitida, causada pelo movimento do objeto. Um sinal transmitido a uma freqüência específica é enviado por uma antena capaz de transmitir e receber sinais simultaneamente. Quando o sinal transmitido for interrompido por um objeto em movimento, o sinal refletido terá sua freqüência alterada.

Um modelo mais sofisticado de radar é o de freqüência modulada. Nesse dispositivo, marca-se cada porção do sinal de rádio transmitido, de forma a torná-lo reconhecível no momento da recepção. A marcação é feita pela alteração contínua da freqüência da onda transmitida. Quando um eco é captado, sua freqüência difere da freqüência do sinal enviado pelo transmissor no mesmo momento. Se a taxa de mudança de freqüência for conhecida, a diferença de freqüência pode ser interpretada como a distância do radar ao objeto.

Outro tipo de radar é o lidar, ou laser radar, que transmite feixes estreitos de raios laser no lugar das ondas de rádio. O lidar opera em frequências muito altas, cem mil vezes maiores do que as usadas pelos radares convencionais. A maioria dos sistemas de detecção por ondas de rádio usa frequências que variam entre alguns megahertz e quarenta gigahertz.

Construção física do Radar: O Equipamento de radar é composto de uma antena transceptora, da linha de transmissão, ou guia de onda, de um transmissor de alta potência e alta freqüência, do sistema de recepção, decodificação, processamento e visualização das informações coletadas, além da mesa de interface entre equipamento e operador.

Sistema de Transmissão: O sistema de transmissão é composto por 3 elementos principais: o oscilador, o modulador, e o próprio transmissor. O transmissor fornece radiofrequência para a antena em forma de pulsos eletromagnéticos modulados de alta potência que são disparados contra a antena parabólica que remete-os unidirecionalmente em direção ao alvo.

Oscilador

A produção do sinal do radar começa no oscilador, que é um dispositivo que gera radiofrequência num comprimento de onda desejado.
A maioria dos radares usa bandas de frequências de rádio (MHz- milhões de Hertz até centenas de milhões) ou de microondas (de centenas de milhões até GHz- dezenas de bilhões de Hertz).
O dispositivo precisa produzir uma freqüência estável, pois o radar necessita de precisão para calcular o efeito Doppler.

Modulador

O modulador, pode variar o sinal em amplitude ou freqüência, conforme o caso. Num radar de pulso, o sinal é ligado e desligado rapidamente no oscilador, neste caso, o modulador faz a mistura de um comprimento de onda secundário à freqüência fundamental.

Da estabilidade do sinal gerado no oscilador e da modulação dependerá a qualidade do eco captado após atingir o alvo.

Transmissor

A função do transmissor, é amplificar o sinal gerado no oscilador e misturado no modulador. Dependendo do ganho, um transmissor pode amplificar a potência de 1 Watt para 1 Megawatt.

Os radares em geral, necessitam enviar pulsos de alta potência, que após se propagarem, atingem o alvo e refletem numa espécie de eco. O sinal refletido, bem mais fraco que o emitido, é captado pela antena e amplificado novamente.

Antena

Depois que o transmissor amplifica o sinal no nível desejado, ele envia para a antena, que em alguns radares tem a forma de um prato de metal (Antena Parabólica).

As ondas eletromagnéticas, depois de geradas e amplificadas, são levadas por guias de onda em direção ao foco do disco parabólico. Disparadas contra a parábola, se propagam para o ambiente.

O extremo de saída da guia de onda é localizado no foco da parabólica. Semelhante às ondas luminosas no foco de num espelho parabólico, as ondas de radar se propagam em direção à parábola e por esta são emitidas em unidirecionalmente ao alvo.

Normalmente as antenas são giratórias, para mudar a direção das emissões, permitindo que o radar faça uma varredura na área ao invés de sempre apontar para a mesma direção.

Sistema de Recepção

O receptor do radar detecta e amplifica os ecos produzidos quando as ondas refletem no alvo. Geralmente a antena de transmissão e recepção é a mesma, principalmente nos radares pulsados.

O sistema funciona da seguinte forma:

O pulso gerado é disparado contra a antena que o envia ao espaço. O sinal bate no alvo e retorna em forma de eco. Neste momento é captado pela mesma antena, pois o transmissor está desligado. Pois, se estivesse ligado, devida alta potência, o receptor não receberia o pulso refletido, e sim o pulso emitido.
Para gerenciar a transcepção do radar, é utilizado um dispositivo que comuta o momento de transmissão e recepção. Determinando assim quando a antena está ligada ao transmissor ou ao receptor.
O receptor, recebe o sinal fraco provindo do alvo em direção à antena e amplifica-o.
Após a ampliação, o sinal é processado, demodulado, integrado e enviado para para o monitor que é lido pelo operador de radar.

Comutador (ou Duplexador)

O comutador possibilita ao sistema de radar emitir sinais e recebê-los na mesma antena. Em geral, atua como um relê entre a antena e o conjunto transmissor/receptor.

Isso evita que o sinal de grande intensidade vindo do transmissor chegue ao receptor causando sobrecarga, pois o receptor espera por um sinal de retorno de baixa intensidade.

O relê comutador conecta o transmissor à antena somente quando o sinal está sendo transmitido. Entre dois pulsos, o comutador desconecta o transmissor e liga o receptor à antena.

Para o radar de pulso contínuo, o receptor e o transmissor operam ao mesmo tempo. Este sistema não opera com comutador. Neste caso, o receptor através de uma cavidade ressonante separa o sinal por frequências automaticamente.

Como o receptor precisa interpretar sinais fracos ao mesmo tempo que transmissor está operando, os radares de onda contínua têm duas antenas separadas, uma de transmissão e outra para recepção defasada da primeira.

Receptor

Muitos radares modernos utilizam equipamentos digitais, pois este permite o executar funções mais complicadas. Para usar este tipo de equipamento, o sistema necessita de um conversor analógico-digital para transitar de uma forma a outra. A entrada do sinal analógico pode ser de qualquer valor, de zero a dez milhões, incluindo frações destes valores. Todavia, a informação digital trabalha a valores discretos, em intervalos regulares, como 0 e 1, ou 2, porém nada entre estes. O sistema digital pode requerer uma fração de sinal para arredondar números decimais como 0.66666667, ou 0.667, ou 0.7, ou mesmo 1. Após o sinal analógico ser convertido para sinal discreto, o número será usualmente expresso na forma binária, com uma série de zeros e uns que representam o sinal de entrada. O conversor analógico-digital mede o sinal analógico de entrada muitas vezes por segundo e expressa cada sinal como um número binário. Uma vez que o sinal é digitalizado, o receptor pode executar complexas funções sobre este. Uma das mais importantes funções para o receptor é o filtro Doppler, baseado no efeito do mesmo nome. Ele é usado para diferenciar alvos múltiplos. Seguido do filtro Doppler, o receptor executa outras funções como maximizar a força do sinal de retorno, eliminar o ruído e a interferência do sinal.

Visor

O visor é o resultado final das etapas de conversão do sinal recebido pelo radar em informação útil. Antes, os sistemas de radares usavam apenas modulação em amplitude – o sinal de força, ou amplitude era função da distância da antena. Nestes sistemas, um ponto de sinal forte aparece no lugar da tela que corresponde o alvo distante. Mais usual e mais moderno é o visor de plano de indicação posicional (PPI). O PPI mostra a direção do alvo em relação ao radar (em relação ao norte) com um ângulo de medida de cima do visor, enquanto que a distancia do alvo é representado como a distância até o centro do visor. Em alguns sistemas de radares que usam PPI mostra a real amplitude do sinal, enquanto que outros processam o sinal antes de exibi-lo e mostram alvos em potencial em forma de símbolos. Alguns sistemas simples de radares, para assinalar a presença de um objeto e não sua velocidade ou distância, notificam o controlador com um sinal de áudio, como um beep.

Fonte: www.der.rj.gov.br/www.tecdet.com.br/www.biomania.com.br/www.marpescaria.com.br