diseño y realización de un simulador de radar

7/30/2019 Diseo y realizacin de un simulador de radar

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PROYECTO FIN DE CARRERA

Ttulo: DISEOY REALIZACIN DE UNSIMULADOR DE RADAR

Autora: Arnzazu Gmez AlmadanaTutor: Jos Ramn Cerquides Bueno


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Diseo y Realizacin de un Simulador de Radar 3

NDICE DE CONTENIDOS

1. Agradecimientos ............................................................................................................42. Objetivos del proyecto....................................................................................................53. Estado del arte................................................................................................................64. Principios bsicos del radar...........................................................................................18

4.1.

Principio de funcionamiento4.2. Bandas de frecuencias4.3. Aplicaciones radar4.4. Tipos de radar

5 Forma de onda del Radar Pulsado..................................................................................325.1Fuentes de Radiofrecuencia : Transmisores5.2Seal de RF transmitida5.3Pulsos de RF

6 Informacin extrable ........ ........ ......... ........ ......... ........ ......... ......... ........ ......... ........ ...... 366.1Distancia al blanco6.2Velocidad radial6.3Localizacin angular del blanco

7 Desarrollo de la simulacin...........................................................................................437.1Fsica y requerimientos del sistema........... ......... ........ ......... ........ ......... . 447.1.1Forma bsica de la ecuacin radar7.1.2Ruido del Receptor y Relacin Seal a Ruido7.1.3Seccin Recta Radar7.1.4Efecto del integrador7.1.5Prdidas del sistema (LS)7.1.6Balance de prdidas7.1.7Diagrama de Blake7.1.8Criterio de deteccin de blancos7.1.9Seleccin del umbral de deteccin Vt

7.2Modelado y Diseo ......... ........ ......... ......... ........ ......... ........ ......... ........ 60

7.2.1Limitaciones/Simplificaciones en el diseo7.2.2Herramientas Simulink de diseo

7.3 Implementacin del MODELO......... ........ ......... ........ ......... ........ ......... . 697.3.1 Interfaz de usuario7.3.2Radar Pulsado7.3.3Bloque TRANSMISOR7.3.4Bloque del BLANCO7.3.5Bloque RECEPTOR7.3.6Medidas RADAR7.3.7Paso de parmetros entre subsistemas

7.4Simulacin y Resultados ......... ......... ........ ......... ........ ......... ........ ......... . 927.4.1Simulation parameters7.4.2Resultados de la simulacin

7.5Creacin de una librera ......... ........ ......... ........ ......... ........ ......... ......... 1008 Conclusiones........... ........ ......... ........ ......... ........ ......... ......... ........ ......... ........ ......... ..... 1059 Bibliografa y Referencias......... ........ ......... ........ ......... ......... ........ ......... ........ ......... ..... 106


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1 Agradecimientos


1 Agradecimientos

Deseo expresar mi agradecimiento a D. Jos Ramn Cerquides Bueno por su ayudaen la realizacin de este proyecto y en la obtencin de documentacin y materialnecesario.

Han sido muchos los contratiempos con los que me he encontrado, los cuales hanretrasado notablemente la elaboracin del proyecto, pero finalmente y gracias alapoyo de mi madre, hermanas, y tutor lo he sacado adelante.


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2 Objetivos del proyecto


2 Objetivos del proyecto

El objetivo de este proyecto es encontrar una herramienta software que permita eldiseo y realizacin de un Radar Pulsado, y la observacin de sus caractersticas

bsicas. Para ello se ha empleado la herramienta de Mathworks Simulink5.0, que

interacciona con Matlab 6.5 en la adquisicin y presentacin de resultados.En la implementacin del modelo se han hecho una serie de simplificaciones en loscomponentes fsicos del sistema de radar, haciendo uso de las herramientas

proporcionadas por Simulink.Simulink es un programa muy potente de procesamiento de seales, tanto continuascomo discretas. Tras un proceso de aprendizaje del programa, se llega a laconclusin de que es una herramienta vlida para modelar los requerimientos fsicosdel sistema, y que actualmente es muy utilizada para la realizacin de simuladoresde vuelo, procesadores digitales de radar, sistemas de posicionamiento ynavegacin, altmetros, etc.Se pretende dar aplicacin prctica a la deteccin de un blanco en movimiento por

parte de un Radar Pulsado con las siguientes caractersticas bsicas:

Monoesttico (antenas transmisora y receptora situadas en el mismoemplazamiento)Primario (el blanco es pasivo y no colabora en la deteccin)De Exploracin o Vigilancia (rastreo continuo de su entorno en busca de

blancos)Pulsado (el Transmisor emite energa electromagntica en forma de untren de pulsos de anchura t seg y de periodo Tprf, y espera la llegada de losecos producidos por el rebote de esta seal sobre el blanco)


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3 Estado del arte


3 Estado del arte

La mayora de proyectos que en la actualidad estn relacionados con la simulacinde radares, estn orientados a aplicaciones militares para la realizacin desimuladores de vuelo, seguimiento y guiado de misiles, reconocimiento de

superficiesEl nmero de proyectos propuestos para desarrollar simuladores de radar conSimulink es variado, pero slo se ha encontrado documentacin ms o menosdetallada en Internet acerca de un par de proyectos.Como ejemplo se citan algunos trabajos que se llevan en la actualidad o se hanrealizado recientemente:

Demostracin Software interactiva de procesado de arrays de radar:

La demostracin se realiza empleando la herramienta DBTLink, mediante la fusinde 3 paquetes Software: Matlab, Simulink y DBT (herramienta desarrollada por elDefence Research Establishment de Suecia para el procesado de arrays de radar,incluyendo lectura de datos experimentales de antenas, filtrado Doppler, compresinde pulsos).DBT es una extensin del lenguaje de programacin MATLAB con nuevos tipos dedatos y funciones, con una interfaz de usuario grfica atractiva y potente que haceuso de SIMULINK.DBTLink es una herramienta flexible y de fcil interaccin. Los parmetros de los

bloques son modificados va cuadros de dilogo.Tpicamente se comienza por el procesado convencional sobre la seal recibida:

Pulse CompressionDoppler FilteringBeamforming

A continuacin, el modelo de deteccin y estimacin se utiliza para estimar, porejemplo, el nmero de blancos, la direccin hacia el blanco y la frecuencia Doppler.La direccin a los blancos se expresa por la DOA (direction of arrival) o direccinde llegada de la seal reflejada:


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sta es una muestra de un modelo DBTLink con definicin de antena, seal ysimulacin, compresin de pulsos, estimacin y representacin grfica de DOA.Haciendo doble clic sobre un bloque se abre un cuadro de dilogo para editar los

parmetros.

Un nuevo modelo en DBTLink se crea del mismo modo que en Simulink. Primero,la librera principal se abre con el comando dbtlink en Matlab. La librera principalcontiene sublibreras, tales como Simulate Radar Signals y Beamforming.Haciendo doble clic en una de estas sublibreras se abre una nueva ventana, porejemplo, Spectral DOA Estimation. Los bloques se copian de la librera alnuevo modelo como se hara con cualquier bloque: seleccionar y arrastrar con elratn. A continuacin se conectan los bloques y se establecen los parmetros de

bloque en las correspondientes ventanas de cuadro de dilogo.

DBTLink contiene adems una serie de bloques que hacen que el procesado sea ms

completo y til en un sistema normal de radar:

Modelado de arrays de antenas y sus elementosSimulacin de radares de seales de banda estrechaSimulacin de ruido y clutterConexin con antenas reales experimentalesConformacin del haz, compresin de pulsos y filtrado DopplerconvencionalEstimacin espectral y paramtrica del DOA.Estimacin y modificacin de la matriz de correlacin espacialEstimacin del nmero de fuentes de informacin del espacioVisualizacin de seales recibidas, espectro de DOA y patrn de antena


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Como conclusin, la herramienta DBT es muy flexible y educativa, y emplea unainterfaz de usuario sencilla e intuitiva. La principal desventaja es la reduccin deflexibilidad, comparado con el DBT orientado a lneas de comando, y que serequiere un paquete software adicional (Simulink). Adems, el umbral deaprendizaje es algo mayor con Simulink que con una interfaz grfica de usuariodiseada con herramientas grficas de Matlab (GUIDEs). Sin embargo, para grandes

paquetes de programas como DBT, el tiempo total de desarrollo se vesignificativamente reducido.

Implementacin de un receptor de radar de alto rendimiento utilizandoherramientas de diseo DSP de Mathworks y Xilinx

Objetivo:Desarrollar un receptor digitalde radar e implementarlo en la

plataforma FPGA Virtex II deXilinx.

Solucin adoptada:

Usando Matlab, Simulink yherramientas de diseo desistemas de Xilinx, se pretendecrear, simular y probar el diseo,y despus realizarlo en unaFPGA.

Resultados:Representacin apropiada delsistema sin necesidad de realizar

prototipos.

Diseo acelerado, con pocas iteraciones.Implementacin a alta velocidad,corriendo a velocidades de entre 20-25gigaMACs/seg


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Implementacin de un radar doppler meteorolgico en una FPGA:

Las FPGAs ofrecen la misma funcionalidad que los dispositivos de silicio, altiempo que mantienen la flexibilidad y economa de las soluciones basadas enmicroprocesadores. Dispositivos recientes poseen la densidad y funcionalidad pararealizar un procesador de seales de radar completo en una sola FPGA, incluyendo

la etapa compleja de bajada de frecuencia IF a banda base. Diseando esta etapajunto al filtro adaptado en la misma FPGA se elimina la necesidad de chipsadicionales, anteriormente utilizados para realizar estas funciones.Este sistema empaqueta 4 canales en un par de FPGAs. Cada canal (demodulador,filtro adaptado y procesador doppler de pulsos) ejecuta ms de 5 billones demultiplicaciones por segundo.

Para la realizacin del procesador de 2 canales se hace uso de la plataforma VirtexXCV1000-4 FPGA de Xilinx.

Simulador de una plataforma nica de FSS (Fixed Scan Schedule):

Estructura del Simulador:

Este simulador implementa el escenario de un entorno el cual incluye como entradasuna serie de emisores, la trayectoria de un avin y un FSS (Fixed Scan Schedule) o

parmetros prefijados de bsqueda. En principio se genera un archivo de datosEDW (Environment Description Words) donde se concreta si la simulacin serefiere a un radar de bsqueda, seguimiento o a un misil, y a continuacin se simulala deteccin de emisores basndose en el archivo EDW generado y el FSS.Finalmente los resultados de la deteccin de los emisores son evaluados respecto ala descripcin del entorno (EDW). Los resultados de esta evaluacin son mostradosen display.

Scenario FileEmitters

Flight Path

EDW Generator

FSS File Detection Evaluation

Display


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Escenario de la simulacin:

Este fichero (EDW) especifica las caractersticas de los emisores y de la trayectoriade vuelo del avin:

Emisores: Freq (frecuencia del emisor), PRI (periodo de repeticin de pulsos),PW (anchura de pulsos), RP (periodo de rotacin), Threshold (umbral de

deteccin),etc.Trayectoria de vuelo: [x y] (localizacin del emisor), [Start_Point_xStart_Point_y], [End_Point_x End_Point_y] (coordenadas iniciales yfinales del vuelo), velocity (velocidad del avin).Simulacin: [Start_Time End_Time]

ModeloSimulink SubsistemaEmitters(Emisores)

Definicin de los Emisores

Subsistema Flight Path(Escenario del vuelo)

Modelo:

Los ficheros FSS y EDW (descripcin de la bsqueda y entorno )se generan nuevos o se pueden cargar externamente


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Resultados de la simulacin:

Los resultados se almacenan en el archivo Result.mat. Tras cada simulacin, elresultado de la evaluacin se aade a este fichero. Si el n de simulaciones essuficientemente grande, se mostrar un histograma con la distribucin de losresultados. Este archivo contiene las siguientes 3 matrices:

Illuminations_to_First_Detection: representa el n de iluminaciones tras lascuales el receptor detecta la seal de un determinado emisor. El valor ptimo deeste parmetro es 1.Hit_rate: # Detected Illuminations / # IlluminationsEs una medida del xito en la deteccin.Miss_Rate = 1 - Hit_Rate.Es una medida del fracaso o prdida en la deteccin.

Interfaz de usuario:

La interfaz de usuario permite establecer los parmetros de los emisores, del vuelo y

de la simulacin, as como visualizar los resultados. Para ello el usuario hace uso dela interfaz proporcionada por Simulink.

Este ltimo trabajo est bastante relacionado con el proyecto, pero al no disponersede lasfunciones-Sque implementan la simulacin, no se ha podido hacer un estudioa fondo de la funcionalidad del mismo.

Sistema de Radar Pulsado (V1.0):

Descripcin:

Simulinky los DSPBlockset han sido utilizados para modelar un sistema de radarpulsado. El modelo se ha dividido en tres subsistemas: un Transmisor, el Blanco, yun Receptor.

El Transmisor enva una trama de datos que representa los pulsos y lossilencios.Esta trama se retarda, se aplica el desplazamiento doppler y la degradacinde seal debido al viaje por el espacio libre y al Blanco.

El Receptor recoge y correla los pulsos para formar una matriz, se calculasu FFT y se visualiza esta matriz con el Matrix Viewer.

Los parmetros por defecto son:

Radar de banda S (fo=3 GHz)Potencia transmitida: 10 kWPosicin inicial del blanco 1 km, alejndose muy deprisa


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Modelo:

Parmetros del Transmisor

El subsistema Transmisor genera una trama con pulsos y silencios, que componenla seal del radar, a continuacin se pasa por un filtro para limitar en banda, y se leaplica los parmetros de ganancia:

Subsistema Transmisor

Herramienta de filtrado para

limitar en banda la seal de radar


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Parmetros del blanco

Subsistema del Blanco

En el subsistema del Blanco se retarda la seal (segn la posicin inicial delblanco), se le aplica el desplazamiento doppler y se enva a un subsistema quecalcula la potencia recibida por el radar aplicando la ecuacin radar:

El subsistema Receptor recoge la trama de la seal recibida, la correla con un trende pulsos idntico al transmitido (filtro adaptado), y genera una matriz que sevisualizar al realizar la simulacin:


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Subsistema del Receptor

Herramienta para visualizar la matrizcomo una imagen

El bloque Matrix Viewer mapea una matriz MxN de entrada a un rangoespecificado de colores, visualizando la matriz como una imagen.

Parmetros de simulacin:

Funcin cargada al comienzo con parmetros de inicializacin del modelo

Simulation Parameters


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Simulacin:

A medida que se aleja el blanco, ste se desvanece, ya que disminuye la potenciarecibida por el radar.

La desventaja de este modelo es que se limita a un radar de la banda S, con unas

caractersticas muy concretas, y no da la posibilidad de escoger otro tipo deparmetros ms que los que se cargan en el archivo inicial radar_init.m


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Modelo de Cadena de Markov para un Detector de Radar:

Este modelo representa elfuncionamiento de un radar de trfico,detectando la velocidad de los vehculosque se aproximan a l. Para ello se hautilizado un modelo de cadena deMarkov.

El bloque principal RadarDetector se ha implementado utilizando la herramientade SimulinkStateflowChart, que permite crear un modelo con cuadros de flujo ytransicin de estados. Para abrir un nuevo modelo se escribe en la lnea decomandos de Matlab stateflow:

Interfaz de trabajo con Stateflow Chart

Subsistema Radar Detector


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El radar se mueve de estado a estado cuando se reciben los ecos de vuelta. Latransicin entre los estados depende de si el vehculo es detectado o no (Acquired-not Acquired) durante los periodos de bsqueda, y posteriormente se determina lavelocidad del mismo.

CONCLUSIONES:

A la vista de la multitud de proyectos que emplean conjuntamente Matlab ySimulink para la realizacin de modelos de simulacin que incluyan el

funcionamiento de un radar, queda constatado que SIMULINKes una herramientavlida para la realizacin del proyecto, ofreciendo diversas interfaces con el usuarioque permiten introducir los datos y observar los resultados de una manera sencilla.Adems, es lo suficientemente flexible como para admitir futuras ampliaciones, y esfcilmente exportable; adems incluye la facilidad de insertar el modelo resultanteen Simulink como una librera, con lo cual no podr ser modificado por el usuario,si es lo que se desea.


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4 Principios bsicos del radar



4.1 Principio de funcionamiento

El trmino radar es la contraccin de las palabras radio detection and ranging. El

nombre refleja la importancia que tena en los comienzos de la investigacin conestos sistemas, el encontrar un dispositivo que detectara la presencia de un blanco yque midiera la distancia a l.El radar es un sistema electromagntico empleado para la deteccin y localizacinde objetos reflectantes. El modo de operacin est basado en la radiacin de energaelectromagntica al espacio y la deteccin del eco reflejado por un objeto. Porobjeto se entiende o bien blanco (objeto deseado), o bien clutter (blanco nodeseado).

El Transmisor genera una seal electromagntica que es radiada al espacio por laantena transmisora. Una parte de esta energa transmitida es interceptada por el

blanco y reirradiada en todas direcciones. La antena receptora recoge la energareirradiada en su direccin, y se la proporciona al equipo Receptor. Aqu es

procesada la seal para discernir sobre la presencia o no de blanco (alarma).Un radar obtiene informacin del blanco comparando la seal de eco recibida con laseal que fue transmitida. La presencia del blanco se anuncia cuando la seal deleco es lo suficientemente fuerte como para superar el umbral de deteccin Vt fijadoen el Receptor.A partir de esta seal recibida se puede extraer cierta informacin. Por ejemplo, ladistancia al blanco se obtiene midiendo el tiempo que tarda la seal radar en

alcanzar el blanco y volver.Laforma de onda radar ms corriente es una serie repetitiva de pulsos de muy cortaduracin, que modulan una seal portadora sinusoidal. Este tipo de radar sedenomina Radar Pulsado, ya que emplea un tren de pulsos para la exploracin ydeteccin de blancos en el espacio.


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4.2 Bandas de frecuencias

Los radares han evolucionado en su frecuencia de operacin pasando del rango delos pocos MHz a las decenas de GHz (actualmente los radares experimentales

pueden operar a frecuencias de cientos de GHz), dependiendo de su aplicacin.

La siguiente tabla resume las bandas de frecuencias nominales de radar segn elestndar IEEE, la designacin con letras y las ventajas e inconvenientes de cada una.

Designacin de labanda Rango nominal de frecuencias

Ventajas Inconvenientes

HF 3-30 MHz

Insensible afenmenosatmosfricosGran alcance

Gran tamao deantenasBW pequeo

VHF 30-300 MHz

Insensible afenmenosatmosfricosTecnologabarata

Ruido considerableReflexin especularcon el marBW pequeo

UHF 300-1000 MHz

Ruido disminuyeAntenas bastantedirectivas

Saturacin de la bandapor sistemas mviles

L 1-2 GHz

DimensionesmanejablesVigi lancia a largadistancia

S 2-4 GHz

Buena precisinangular

Sensible a fenmenosatmosfricos

C 4-8 GHz

Gran directividad

X 8-12 GHz

Radar pequeo yligero

Corto alcance

Ku, K, Ka 12-40 GHz

Alta resolucin Absorcin demolculas de H2O, O 2,N2 provoca atenuacinimportante

V, W 40-110 GHz

Antenas muypequeas

Muy corto alcanceAplicaciones pticas,no radar

mm 110-300 GHz

Antenas muypequeas

Experimentales

Estndar de la IEEE para designar las bandas de frecuencia radar

De una punta a otra de la tabla, hay radares que caben en la palma de la mano yotros que ocupan varios campos de ftbol, y los hay que detectan objetos adistancias planetarias o al alcance de la mano.


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4.3 Aplicaciones radar

El desarrollo del radar en el ltimo siglo ha estado asociado fundamentalmente a lasaplicaciones militares. No obstante, existen otras muchas aplicaciones enfocadas a laexploracin espacial, control de trfico areo en aeropuertos, etc.

Control de trfico areo (ATC): su empleo no slo se limita al control deaproximacin de trfico areo en la vecindad de un aeropuerto (ASR).

Tambin proporcionan untrfico seguro en la rutaentre aeropuertos (ARSR),as como equipos areos dedeteccin de superficies(ASDE). El ASR tambingenera mapas de lluvia, de

modo que un avin puedeser conducido entre ella.

RADAR ASR-12 DE VIGILANCIA DEAEROPUERTOS

Los radares especficos de observacin meteorolgica en las proximidadesdel aeropuerto se denominan TDWR. Las bandas de frecuencias en queestos radares operan van de la banda L (1-2 GHz) a la banda C (4-8 GHz).

MAPAS DE LLUVIARADAR TDWR

(Terminal Doppler Weather Radar)

Sensores remotos: todos los radares tienen sensores remotos, en el sentidode sensibilidad ante el medio

Observacin del tiempo: usados para proporcionar los partesmeteorolgicos.Observacin planetariaSondeo bajo el suelo a corta distanciaCreacin de mapas para el correcto rutado de embarcaciones en elhieloSeguridad en autopistas y radares de trfico

Seguridad naval: trfico martimo seguro incluso en condicionesmeteorolgicas adversas.

Seguridad area: sobre todo para evitar colisiones a baja altura.


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Navegadores y Radio altmetros: creacin de perfiles del suelo, imgenesinversas, interferometra, mapeado. Cuando el objetivo es el suelo, sualcance es corto, y operan en frecuencias de las bandas X(8-12 GHz) yKu,a-K(12-40 GHz).

Espacio: los enormes radares en tierra son usados para la deteccin yseguimiento de satlites y otros objetos espaciales, as como la exploracinde superficies planetarias.

Militar: puede decirse que los avances en el desarrollo de nuevos y mspotentes sistemas de radar (deteccin, reconocimiento y seguimiento deblancos) han estado impulsados por fines blicos. De hecho, muchas de lasaplicaciones civiles del radar son tambin empleadas con fines militares.


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4.4 Tipos de radar

4.4.1 Segn el tipo de blanco

Radar PRIMARIO: su funcionamiento se basa en la deteccin de la seal reflejada

por un blanco que no colabora, es decir, que espasivo.Radar SECUNDARIO: en este caso el blanco es activo, es decir, colabora en sudeteccin.

VENTAJAS:

Mayor alcance que el primario, siempre que el blanco colaboreInmunidad al clutter, dado que slo detecta lo que el blancoresponde

INCONVENIENTE:

Requiere la colaboracin del blanco

4.4.2 Segn la finalidad

Vigilancia o Exploracin: exploracin continua de su zona de cobertura.Seguimiento: enganche con la trayectoria de un blanco prioritario. Deteccin y

prediccin de trayectorias.Multifuncin: comparten tanto tareas de exploracin como de seguimiento. Se sirvende servomecanismos que corrigen la orientacin de los haces de las antenas,

siguiendo la trayectoria del blanco.SAR: radar de apertura sinttica o deimagen. Los sensores de radar deformacin de imgenes que operansobre la base de los principios delSAR son de especial importancia

para las tareas de reconocimiento.Estos sensores proporcionanimgenes de alta resolucin sinverse afectados por las condicionesmeteorolgicas o el nivel de luz

existente durante la operacin. Losprocesadores de imgenes SAR

ofrecen imgenes multiaspecto entiempo real con compensacin demovimiento, disponiendo de MTI(Moving Target Indicator) a bordo oen tierra. Es un radar de exploracincuyo fin es obtener unarepresentacin en imgenes del

blanco.

4.4.3 Segn la ubicacin del Transmisor y Receptor

Radar MONOESTTICO: las antenas Transmisora y Receptora se encuentran en lamisma ubicacin (o directamente, son la misma). En el caso de ser dos antenas, elmodo de polarizacin cambia:

Transmisin ? polarizacin Horizontal

Recepcin ? polarizacin Vertical


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VENTAJAS:

Esta diferenciacin favorece la deteccin, ya que una vez que unblanco es iluminado, la energa se reirradia en todo el espacio y entodas direcciones, siendo conveniente discriminar la polarizacinen horizontal y vertical, para aumentar la sensibilidad adeterminados blancos.Sencillez de clculoPor parte del blanco es una gran ventaja el conocimiento de lascoordenadas del Receptor en todo momento.

INCONVENIENTES:

El tener una sola antena requiere un dispositivo duplexor(circulador) que derive la potencia bien hacia el Transmisor, bienhacia el Receptor, as como equipos de proteccin ante fugas de

potencia que puedan estropear el Receptor. Pero el aislamiento delcirculador no ser total. Siempre aparecer una parte de la sealdel oscilador, pero en niveles de 5 dB, y siempre se puedeeliminar con el filtro doppler.

Radar MULTIESTTICO: las antenas Transmisora y Receptora se encuentranseparadas en emplazamientos distintos. En este caso, el blanco conoce la situacindel Transmisor (est siendo iluminado con una determinada potencia), perodesconoce la localizacin del Receptor.

VENTAJAS:

Este tipo de radares son mucho ms difciles de cegar, ya queson inmunes a las contramedidas electrnicas (EMC).La diversidad permite correlar la informacin, llegndose a unadecisin por mayora.Mayor alcance que una antena monoesttica: el hecho de poderemplazar el Receptor en un lugar distinto, permite que incluso unsistema portable y pequeo (radar mvil) opere como Receptor.

INCONVENIENTES:

Todas estas ventajas son a costa de algo: si las antenas estnseparadas pero prximas, se requiere un aislamiento entre ellas, yaque cualquier espreo de seal rebote podra quemar el Receptor.Un aislamiento de 20 dB entre las antenas es suficientemente

aceptable.

Mezclador Filtro dopplerfd

Osciladorfo

f0 + fd

fo + fd

fo

fo fd

A(dB)


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4.4.4 Segn el tipo de seal radar

4.4.4.1 RADAR PULSADO

Se trata de transmitir un tren de pulsos repetitivos y de muy corta duracin con una

determinada energa que se irradia en todo el espacio. El blanco iluminado con estaenerga electromagntica, la reirradia en forma de ecos atenuados y retrasados. ElReceptor procesa esta seal y es capaz de hacer mediciones de rango (distancia al

blanco) a partir del tiempo que tarda la seal en ir y volver.

El Transmisorpuede ser un amplificador de potencia tal como un klystron, TWT, oamplificador de transistores. Tambin podra ser un oscilador de potencia tal comoun magnetrn, pero limitado a radares pulsados con requisitos de baja potencia

promedio.

TRANSMISOR KLYSTRON

OSCILADORLOCAL

AMPLIF. DE

POTENCIA

MODULADORDE PULSOS

DUPLEXOR

AMPLIF. RFBAJO RUIDO

AMPLIFIC.FI

FILTROADAPTADO

DETECTOR

O

DEMODULA-DOR

AMPLIFICA-DOR VIDEO

MEZCLADOR

GENERADORFORMA DE

ONDA

DECISIONUMBRAL

ESQUEMA DE BLOQUES DE UN RADAR DE PULSOSCONVENCIONAL CON RECEPTOR SUPERHETERODINO


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La seal radar se produce a baja potencia en el generador de forma de onda, quesirve de entrada al amplificador de potencia, hasta alcanzar los niveles de potencia

promedio requeridos. En la mayora de los amplificadores de potencia (salvo los deestado slido), un modulador enciende y apaga el Transmisor en sincronismo conlos pulsos de entrada. Cuando se usa un oscilador de potencia, tambin se enciendey apaga por un modulador de pulsos, generando la seal radar

MODULADOR DE PULSOS

La salida del Transmisor es entregada a la antena a travs de una lnea detransmisin o una gua de onda:

GUAS DE ONDA DEL RADAR ASR-9

Esta seal es entonces radiada al espacio a travs de la antena. Estas pueden ser:

Reflectoresparablicos gobernados mecnicamente: focalizan la energaen un haz estrecho.

Arrays planos gobernados mecnicamente: conjunto de elementosradiantes cuyas seales se combinan en el espacio para producir una onda

plana radiante.Arraysdefase gobernados electrnicamente: usando desplazamientos defase en cada uno de los elementos radiantes, se puede cambiar rpidamentela direccin del haz de la antena sin moverla mecnicamente.

El ancho de haz (?B) de un reflector parablico es:

DB

2= rad

D

65 grados

donde D son las dimensiones de la antena medidas en el mismo plano que ?B esmedido, y ? la longitud de onda. Valores tpicos para un radar operando a una

frecuenciaf0=3 GHz y unas dimensiones deD=3.25 m son:


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==of

c 10 cm, ==

DB

65 2

La tasa de rotacin se define como la velocidad de rotacin de la antena 360 enazimut. Un valor tpico para un radar ATC civil de vigilancia es de 6 rpm. En casode radares militares de seguimiento areo, se requiere una tasa mayor de rotacin.

El duplexor permite usar una nica antena en tiempo compartido tanto entransmisin como en recepcin. Es generalmente un dispositivo gaseoso que

produce un cortocircuito a la entrada del Receptor cuando el Transmisor estoperativo, de modo que las seales de alta potencia se dirigen a la antena, no alReceptor. En recepcin, el duplexor dirige los dbiles ecos al Receptor, no alTransmisor. Pueden usarse tambin como parte del duplexor dispositivos en estadoslido como circuladores de ferrita, y dispositivos de proteccin del Receptor talescomo diodos.El Receptor es casi siempre Superheterodino. La etapa RF o de entrada puede ser unamplificadordebajoruido(transistores).

El mezclador y el oscilador localconvierten la seal RF a frecuenciaintermedia (FI), que sirve de entradaal amplificador FI. El ancho de

banda de un receptorsuperheterodino viene fijado por elBW de su etapa FI.

El amplificador FI se disea como un filtroadaptado que maximice la relacin seala ruido (se desea maximizar la detectabilidad de ecos dbiles y atenuar las seales

no deseadas). Lo que se desea maximizar es:ts

R mxo

f

2)(

= , dondemxo

ts )( es el mximo nivel de voltaje de seal a la

salida del Receptor, y N es el valor cuadrtico medio de potencia de ruido a lasalida. Se demuestra que este valor depende nicamente de la energa total de seal

recibida, y la potencia de ruido por ancho de banda. Es decir,o

fN

ER

2 , con lo cual

no depende explcitamente de la forma de la seal, su duracin o ancho de banda.Sin embargo, dichas propiedades de la seal pueden ser usadas para alcanzar ciertascapacidades del radar aparte de la detectabilidad.

En los comienzos de los sistemas radar (aos 30) no se tena conocimiento delconcepto de filtro adaptado. Lo que se observ mediante la experiencia es que si la

banda de paso del Receptor era demasiado grande (comparada con el espectro de laseal radar), se introduca excesivo ruido extra, y la SNR se vea muy deteriorada;

por otro lado, si la banda de paso era demasiado estrecha se reduca el ruido, peroigualmente la energa de la seal, con lo que la SNR tambin disminua. Enconsecuencia, deba existir un punto intermedio, un valor ptimo de ancho de bandadel Receptor en relacin a la anchura espectral de seal, que maximizase la SNR.Con forma de onda de seal rectangular, la experiencia demostr que la mxima


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SNR suceda cuando el ancho de banda del Receptor B era el recproco de laanchura del pulso, es decir, 1B .En la prctica, el filtro adaptado no puede ser exactamente implementado. Existiruna prdida en la SNR comparada con la terica obtenida con un filtro adaptado

perfecto. La siguiente tabla muestra algunos valores de B que maximizan la SNRpara ciertas combinaciones de filtros hipotticos y formas de pulsos:

SEAL DE ENTRADA FILTRO PTIMO B PRDIDAS EN LA SNR (dB)

Pulso Rectangular Rectangular1.37 0.85

Pulso Rectangular Gaussiano0.74 0.51

Pulso Gaussiano Rectangular0.74 0.51

Pulso Gaussiano Gaussiano0.44 0 (adaptado)

En caso de no existir otra informacin, la regla que se aplica es 1B , y unaprdida en la SNR de 0.5 dB aproximadamente.

La siguiente etapa es la del detectordeenvolvente, compuesta de un diodo de cristal(demodulador) y el amplificador de video. Con esto se rechaza la portadora y semantiene la modulacin de los pulsos (envolvente).

La combinacin del amplificador FIy el amplificador de video se disea

para conseguir elevar los niveles de

seal de entrada hasta una magnitudque pueda ser mostrada en undisplay, tal como un tubo de rayoscatdicos o un procesador digital.

A la salida del Receptor se toma la decisin de si hay blanco presente o no. Si lamagnitud de salida del Receptor es suficientemente grande como para exceder elnivel predeterminado deumbral (Vt), se decide que hay blanco presente. Si no secruza el umbral, se decide que slo hay ruido presente. El nivel de umbral se fija demodo que la tasa en que se dan las falsas alarmas debido al cruce del umbral enausencia de seal (slo ruido), est por debajo de un nivel aceptable. Esto funciona

bien cuando el ruido es constante (domina el ruido del Receptor). No sucede as

t fo

2/t

2t

(a) (b) (c)

(a) Pulso Rectangular de seal sinusoidal con anchura t y frecuencia fo

(b) Respuesta en frecuencia del filtro adaptado H(f)=S*(f)=S(f)(c) Envolvente de la salida del filtro adaptado


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cuando la fuente de ruido es externa (interferencias no intencionadas, ruidodeliberado ojamming, ecos provenientes del entorno o clutter). En este caso el niveldel umbral debe ser modificado mediante tcnicas adaptativas, de modo que la tasaen que se dan las falsas alarmas se mantenga constante (CFAR: constant false alarmrate).Un radar recibe usualmente muchos ecos de un blanco. El proceso de sumar estos

pulsos para obtener una relacin seal a ruido mayor antes de tomar la decisin dedeteccin, se denomina integracin. El integrador se suele encontrar en la etapa devideo del Receptor.A continuacin se encontrara la etapa deprocesamientodeseal(conversin A/D),y la etapa de presentacin. El estndar de la IEEE de definiciones radar incluye 19formatos distintos de displays. Algunos de ellos son:

A,B,C,D,E-scope: depende de si se muestra en pantalla rectangular laamplitud, ngulos en elevacin y azimut, rango.PPI-scope (plan position indicator): representacin en polares del rango yngulo de azimut en pantalla circular.

CTR Display: se intensifica el haz de electrones del tubo de rayoscatdicos en presencia de blanco, representndose como un puntoluminoso en pantalla.


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4.4.4.2 RADAR CW (de onda continua)

En este caso la seal radar es una portadora pura (CW) o con modulacin en fase(CW-PM) o en frecuencia (CW-FM). Con estas dos tcnicas se busca marcar dealguna manera la portadora, para poder extraer medidas de rango, ya que el radar

simple CW no mide distancias, sino velocidades (desplazamiento doppler).Es, histricamente, el primer radar desarrollado, aunque estn siendo sustituidos porlos radares pulsados. El diagrama de un radar simple CW que extrae eldesplazamiento de frecuencia doppler de un blanco en movimiento, es:

Estos radares han sido y son ampliamente usados en aplicaciones que impliquenmedidas de velocidad, tales como:

A corta distancia: radares de trfico de la polica; atraco de grandes barcosen puerto; navegador doppler en aviones; deteccin de intrusos; detector de

incendios; medida de velocidad de tiro en deportes como tenis, bisbol, etc.A larga distancia: defensa area, seguimiento espacial, deteccin demisiles, etc.

Resumidas en la siguiente tabla estn las ventajas e inconvenientes de este tipo deradares, que aun teniendo actualmente muchas aplicaciones, no son competitivosfrente a un moderno radar pulsado:

VENTAJAS INCONVENIENTESTransmisor y Receptor sencillos y baratos, basadosen dispositivos semiconductores (diodos,transistores)

Difcil deteccin por otro radar CWMayor alcance que radar pulsado con igualpotencia de pico (filtro doppler del orden de KHz vsMHz)

Menor ruido de efecto flicker (f

1 )

Posibilidad de cubrir todo el espacio dopplermediante un banco de filtros, simulando as unfiltro adaptado (mxima SNR)Deteccin de movimiento del blanco (signo de vr)mediante receptor heterodinoDeteccin de posiciones mediante modulacin enfrecuencia (CW-FM)

El radar CW con portadora pura pierde el signo deldesplazamiento dopplerEl radar CW ve clutter en todas partes: necesidad de

tcnicas dinmicas de eliminacin de clutter y ungran factor de mejoraReceptor homodino (frecuencia FI cero) requiereeliminacin de efecto flicker introducido pordispositivos semiconductores mediante un receptorsuperheterodino, cuya frecuencia FI seasuficientemente grande para hacerlo despreciableReceptor heterodino requiere aislamiento entreantenas transmisora y receptora (evitar que elreceptor se queme o que un ruido inaceptableenmascare la seal deseada)La falta de un filtro adaptado que maximice larelacin SNR se cubre con un receptor heterodinocon banco de filtros, que encarece mucho el radar

TTT rrraaannnsss mmmiiisssooorrr CCC WWWfffttt

DDDeeettteee ccctttooorrr (((mmmeee zzzccc lllaaa dddooorrr)))

FFF iiilll tttrrroooDDDoooppp pppllleeerrr

fffddd

fffttt

fffttt ffftttfffddd

ffftttfffddd

fffttt


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El radar CW-FM ha sido muy usado en el pasado como altmetro. En un altmetrohay un nico blanco (el suelo) y el rango es relativamente pequeo como para que elradar sea sencillo. Adems, no existe clutter, dado que el blanco es el propio clutter(rebote del suelo). No obstante, los radares CW-FM tienen el gran inconveniente deno funcionar bien ante la presencia de mltiples blancos. A pesar de ser utilizado

por las fuerzas areas y navales de defensa, presenta grandes penalizaciones en su

funcionamiento (en comparacin con un radar pulsado), y requiere enormes rangosdinmicos del receptor as como grandes factores de mejora y aislamiento fsico delTransmisor y Receptor (emplazamientos distintos para las dos antenas).La gran ventaja del radar CW radica en que las seales CW tienen menorpotenciade pico que su equivalente pulsado, haciendo ms difcil (pero no imposible) que seainterceptado por un dispositivo Receptor electrnico hostil.Por todas estas razones, no es de extraar que hayan sido desplazados frente a losradares pulsados doppler de alta potencia (high-prf pulse doppler radars).

4.4.4.3 El radar ASR-9 como ejemplo

El radar de vigilancia de aeropuerto ASR-9 es un ejemplo de Radar Pulsado, cuyascaractersticas son las siguientes:

BANDA DE OPERACINS (2.7-2.9 GHz)

TRANSMISORKlystron

POTENCIA DE PICO1.1 MW

ANCHO DE PULSO1microseg

ROTACIN ANTENA12.5 rpm

GANANCIA ANTENA34 dB

ANCHO DE HAZ1.4

RANGO50-60 nmi

RADAR ASR-9

Hay dos alimentadores verticales para esta antena, que producen dos haces que sesuperponen en elevacin. Dispone de un array de antenas en la parte superior.La funcin de este radar es la de proveer de cobertura area al trfico de aviones en

las proximidades de un aeropuerto.


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A continuacin se muestra una tabla comparativa de distintos dispositivos de radarpulsados, incluyendo el propio ASR-9:


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5 Forma de onda del Radar Pulsado



5.1 Fuentes de Radiofrecuencia: Transmisores

Las diferentes fuentes de RF para

radares de alta potencia incluyen elklystron, TWT (travelling wavetube), transistores amplificadores enestado slido, Twystron, magnetrn,amplificadores de campo cruzado,gyrotrn, etc.

AMPLIFICADOR ENESTADO SLIDO

Cada uno de ellos es bueno para una aplicacin, proporcionando potencias de picodel orden de kW a MW, ganancias de 30 a 70 dB, y operando a voltajes de

alimentacin desde las decenas de voltios (estado slido) a decenas de kilovoltios(klystron).En un sistema de radar sera deseable un Transmisor que proporcionase energasuficiente para detectar blancos, que fuese fcilmente modulable para generarcorrectamente las formas de onda deseadas, que la seal generada fuese estable, que

proporcionase un ancho de banda sintonizable, que fuese de alta eficiencia yduracin, y en fin, que fuese barato. Todas esas caractersticas pueden obtenerse,

pero difcilmente todas juntas en el mismo Transmisor.Algunos Transmisores de radar deben generar una gran potencia de pico Pt, as

como una gran potencia promedio Pavprf

t

T

P

= (es este ltimo el parmetro real de

medida en el diseo del radar, ms que la potencia de pico). Como ya se ver(ecuacin radar bsica), el alcance del radar es proporcional a la raz cuarta de la

potencia promedio del Transmisor. Para aumentar el rango en un factor de 10, lapotencia debe aumentarse en 10000. Aunque han habido radares con potenciapromedio de ms de un milln de watios, la potencia no puede ser incrementada sinlmite, ya que los Transmisores se hacen ms grandes y caros, pesados y consumenms.Los Transmisores de radar han estado basados bien en amplificadoresde potencia,tales como el klystron, o bien en osciladoresde potencia tales como el magnetrn.En realidad un Transmisor es algo ms que la fuente activa de seal RF: tambin se

incluyen los drivers y excitadores que proveen de amplificacin a la seal (caso deque la fuente de potencia sean amplificadores), o bien un modulador de pulsos si elTransmisor genera un tren de pulsos.

GENERADORES DE POTENCIA DC

Tambin hay que considerar losgeneradores de potencia dc paragenerar los voltajes y corrientesnecesarios para que opere el dispositivoRF, los disipadores de calor, losdispositivos de proteccin, aisladores,cables de alto voltaje


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5.2 Seal RF transmitida

Una portadoraideal de informacin en RF es una sinusoide pura. En el desarrollo dela simulacin se explicar cul ha sido el modelo de escogido para implementar esta

portadora modulada, que es su Equivalente Paso de Baja, ya que ste es

transparente a la frecuencia de la portadora (las fuentes de frecuencia de unaportadora ideal no es necesario que sea representadas en el modelo de simulacin).Una portadora modulada puede ser modelada por:

[ ])()(2cos)()( tttftAtS oT ++=

donde A(t) y )(t representan informacin de la modulacin de amplitud y faserespectivamente, y )(t es el ruido de fase debido a la inestabilidad del oscilador, y

que provoca una cierta modulacin de fase. Debido a esto, las fuentes de RF en laprctica tienen un espectro de anchura distinta de cero.

En el caso del Radar Pulsado, la seal moduladora es un tren de pulsos de periodoTprf y anchura t :

+

=

=n

prfnTtptA )()(

con lo que la seal de radar transmitida es

[ ])()(2cos)()( tttfnTtptS on

prfT ++= +

=

Esto sera directamente implementado a no ser porque el proceso fsico del ruido defase )(t es difcil de describir. Como alternativa, se puede representar )(t por un

proceso que sea fcil de generar, tal como un proceso gaussiano, cuya potenciapromedio y densidad espectral son las mismas que las del proceso actual.El efecto del ruido de fase es de mayor importancia en los sistemas digitalescoherentes. Realmente )(t no es de inters por s mismo, sino por la modulacinde fase que aparece en la red y permanece tras la demodulacin.

5.3 Seal Recibida por el radar

El proceso por el cual el radar detecta la presencia de un blanco en su entorno es la

captacin del eco producido por el rebote de la seal electromagntica sobre lasuperficie del blanco, el cual la reirradia de vuelta al espacio. La cantidad de energarecibida por el radar depende de la capacidad del blanco de irradiar potencia, que esfuncin de su seccin recta radar, y del rea efectiva de la antena.En el camino de ida y vuelta, la seal se ver atenuada (por la propagacin en unmedio distinto al vaco) y retrasada en una cantidad que depende de la posicininicial en que se encuentre el blanco y de la trayectoria descrita por ste, si seencuentra en movimiento. Cuanto ms lejos se encuentre el blanco, ms atenuados yretrasados se vern los ecos recibidos en el radar.Para modelar estos dos efectos, se expresa la seal recibida como

)()( dTR ttStS =


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donde el retardo de ida y vuelta esc

tRttd

)(2)( = , para un blanco situado a una

distancia R del radar. En este punto hay que distinguir dos casos, ya que el blancopuede estar quieto o en movimiento:

Blanco ESTTICO: en este caso el retardo que sufre la seal radar es de

valor constantecRtd 2= , ya queR(t)=R y la seal recibida es

)2

()(c

RtStS TR =

Blanco DINMICO: si el blanco se mueve a una velocidad vr, latrayectoria descrita por ste es

tvRtR ro =)(

donde Ro es la posicin inicial del blanco. La expresin para el retardo yano es constante, dado que la seal transmitida impacta en el blanco en elinstante td/2 (la mitad del tiempo de ida y vuelta)

c

tttRtt

d

d

=2

)(2)(

Para obtener la forma del retardo td(t) hay que despejarlo de esta ltimaexpresin:

( )

c

ttvtvR

c

tttvR

tt drrod

ro

d

)(22)(2

)(+

=

=

Agrupando trminos:

( ) ( )c

tvR

vc

tvRtt ro

r

rod

=22

)(

haciendo la aproximacin c>>vr vlida en radar. Esta es la base del efectodoppler, que provocar que la frecuencia recibida por el radar sea distinta ala transmitida. Con sto:

( )

=

c

tvRtStS roTR

2)(

donde el signo de vr depende de si el blanco se aleja (vrpositiva) o acerca(vrnegativa).


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5.4 Pulsos de RF

La forma de los pulsos de RF es la siguiente:

PULSOS DE RF: PORTADORA DE FRECUENCIA F0 MODULADA POR UN TREN DE PULSOS(SE HA EXAGERADO EL ANCHO DE PULSO RESPECTO AL PERIODO)

Las caractersticas de este tren de pulsos son las siguientes:

Frecuencia de portadora (fo)Potencia de pico (Pt)Ancho del pulso (t)Periodo de repeticin de pulsos (Tprf)Potencia promedio (Pav): se utiliza ms que la potencia de pico paradescribir al transmisor.Ciclo de trabajo (duty): es la relacin entre el tiempo que el radar estrealmente radiando energa (pulso permanece activo), y el tiempo que

podra estar radiando (periodo del tren de pulsos).

duty =PRFT

=

t

av

PP

Energa del pulso (Ep): la cantidad de energa que transporta un pulso esproporcional a su duracin,Ep = Ptt

Una energa de pulso pequea tiene sus ventajas e inconvenientes. Un pulso de cortaduracin, garantiza que el transmisor no estar activo cuando el eco, de muy dbil

potencia, alcance al receptor. Como inconveniente, el transmisor tiene que saturarel espacio con energa en un periodo muy corto de tiempo, lo cual supone una

limitacin.

Tprf=1ms

t=1sPt=1MW

duty=0.001

ECO

tT

prf


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6 Informacin extrable



6.1 Distancia al blanco

Aunque los radares modernos pueden extraer ms informacin de la seal de eco de

un blanco aparte de su distancia, la medida de rangos es an la ms importante desus funciones. No existen tcnicas que sean competitivas con el radar en cuanto amedidas de largas distancias, tanto con buen tiempo como en condiciones

meteorolgicas adversas.La distancia al blanco se determina mediante el tiempo td que le lleva a la sealradar viajar hacia el blanco y volver. La energa electromagntica en el espacio libreviaja a la velocidad de la luz, c=3x108 m/s. Por tanto, la informacin relativa alrango (para un blanco ESTTICO) se calcula como:

Distancia al blanco:2

dctR =

Mximo rango de NO AMBIGEDAD:

t=0

Pulso 2

Eco 1 Eco 2

Pulso 1

R1=c?t/2

t=Tprf

Ru=cTprf/2

R2=c(Tpr f+?t)/2

?t

Tprf

R

ct


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El Eco 1 representa la seal devuelta al radar por un blanco a distancia2

1

tcR

=

debido al Pulso 1 transmitido. El Eco 2 podra ser interpretado como la sealdevuelta del mismo blanco debido al Pulso 2, o bien podra ser el retorno de un

blanco lejano a distancia2

)(2

tTcR prf

+= debido de nuevo al Pulso 1.

En este caso, la ambigedad en el rango est asociada al Eco 2.Una vez que un pulso es transmitido, el radar debe esperar una cantidad suficientede tiempo a que le lleguen los ecos de blancos al mximo rango de distancia, antesde transmitir el siguiente pulso. Con eso, el mximo rango de no ambigedad del

radar es2

prf

u

cTR = .

Distancia CIEGA: se denomina as a la mnima distancia a la que el radar puedever un blanco. Dado que el radar transmite un pulso de duracin t seg y escuchadurante Tprf seg a recibir el eco, hasta que no han transcurrido t seg el radar ni

siquiera est recibiendo. Por tanto, la distancia ciega se define como 2

c

Rciega = .Para un radar tpico pulsado con t= 10-6 s, mRciega 150= .Un radar de vigilancia area de larga distancia (long-range air-surveillance radar)

puede medir rangos con una precisin de pocos metros, pero precisiones de pocoscentmetros son tambin posibles. En los sistemas ms precisos estas medidas estntan slo limitadas por la exactitud con que se conoce la velocidad de propagacin.En realidad, el principal requerimiento para obtener una mayor precisin en lamedida de rangos es el ancho de banda espectral ocupado por la seal de radar. Amayor ancho de banda, mayor precisin.

6.2 Velocidad radial

La medida de la componente radial de velocidad se obtiene clsicamente en muchos

radares mediante medidas sucesivas de rango (range rate):12

12

TT

RRvr

= , que se

obtiene de las medidas de rango R2 y R1 en los instantes de observacin T2 y T1respectivamente.A pesar de ser un mtodo muy utilizado, el mtodo bsico para obtener la velocidad

radial es el desplazamiento de frecuencia doppler. El efecto doppler provoca uncambio en la frecuencia de la seal electromagntica que se propaga del radar alblanco y de vuelta al radarLos mximos del frente de onda electromagntica transmitida por el radar se

producen cada ? m. En el rango de frecuencias radar ms usual (fo del orden deGHz), la longitud de onda es de decenas de cm.El blanco en movimiento se encuentra con estos frentes de onda a una distancia ?,distinta a la terica, debido al movimiento de ste a velocidad v. Por lo tanto, alradar le llegar una frecuencia distinta a la transmitida.


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Si la distancia al blanco esR, el n total de longitudes de onda en el camino de ida yvuelta al radar es de

R2 . Cada longitud de onda equivale a un cambio de fase de 2p

radianes. Por tanto, el cambio total de fase en el camino de propagacin es:

RR

42

2 ==

Si el blanco est en movimiento relativo al radar, R estar cambiando, y tambin lafase. El cambio de fase se mide por la frecuencia angular,

dr

d fv

dt

dR

dt

d

2

44 ====

donde vr=dt

dRes la velocidad radial en m/s, yfdes el desplazamiento de frecuencia

doppler:

c

vfvf rord

22==

Si el vector v de velocidad del blanco forma un ngulo ? con la lnea del radar,entonces vr= v cos(?) es la proyeccin de este vector sobre el eje del haz del radar:

c

vff od

)cos(2 =

Si la seal transmitida de frecuenciafo se representa por:

)2cos()()( tftAtS oTT =

la seal recibida es

))(2cos()()( doRR ttftAtS =

dondeAT(t) yAR(t) representan las modulaciones en amplitud de la portadora (trende pulsos peridicos), y tdes el tiempo de ida y vuelta de la seal desde el radar al

blanco y vuelta al radar. En este punto hay que distinguir dos casos, segn elmovimiento relativo del blanco respecto al radar:

R?

vr=vcos(?)

v


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Blanco estacionario:c

Rtd

2= ,para un blanco quieto a una distanciaR del

radar. En este caso el retardo del eco es un valor constante.Blanco en movimiento: si el blanco se mueve hacia el radar a velocidadradial vr (signo de vr es negativo), el rango cambiar segn tvRR r= 0 con Ro la posicin inicial del blanco. En el caso de un blanco que se alejedel radar, el signo de vr ser ms. Sustituyendo la expresin de la

trayectoria, el retardo variable con el tiempo esc

tvRtt rd

)(2)( 0

= , con lo

que la seal recibida ser ahora:

+=c

Rft

c

vftAtS oroRR

04212cos)()(

La seal recibida es mezclada con la seal de referenciaAocos(2pfot), y se obtiene

=

c

RftftAtS odINdoppler

042cos)()(

Para blancos estacionarios fd=0, y la salida del mezclador es constante.Para blancos en movimiento, la salida del mezclador es variable con eltiempo, lo que constituye la base para rechazar ecos estacionarios condesplazamiento doppler cero (clutter: blancos no deseados), pero permitirque pasen ecos de blancos mviles.

El cambio de frecuencia es detectado (reconocido) por el filtrodoppler. Este filtro

detecta blancos en movimiento en un rango de velocidades entre mnv y mxv . Secoloca a continuacin del mezclador, de manera que si no hay nada que se mueva enel entorno, la salida del mezclador ser una seal continua, que el filtro dopplerelimina, con lo que no se detecta blanco en movimiento. En cambio, si algo semueve en el entorno, y est en los lmites de corte del filtro doppler, ste lo dejar

pasar, detectndose un blanco cuya velocidad radial se calcula:o

ddr f

cffv

22==

La caracterstica en frecuencia de este filtro doppler es la siguiente:

mxdf

mndf

|H(f) |doppler


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c

vffv mnomndmn

2=

c

vffv mxomxdmx

2=

Lo usual es encontrarse con quefd


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A la salida el filtro doppler no se sabe discernir cul es el original y cul la rplicadel filtro, por lo que no se puede distinguir el signo de la velocidad del blanco.Receptores ms complejos (heterodinos) solucionan este inconvenienteincorporando otra fase de frecuencias (bajada a frecuencias intermedias FI),

permitiendo as que tras la etapa del mezclador nos encontremos con una frecuenciapor encima defI(blanco se acerca) o por debajo defI(blanco se aleja).

Los Receptores heterodinos con banco de filtros permiten la posibilidad dediscriminar varios blancos en movimiento, aunque no distinguen si se acercan oalejan (baten desde una frecuencia mnima de mxdI ff hasta

mxdI ff + ). Dos

blancos a velocidad distinta entrarn cada uno por un filtro distinto. El problemaest en qu sucede con dos blancos a igual velocidad: slo se detecta uno.

fd- fd

Frecuencia

SALIDA DEL FILTRO DOPPLER

fI-fI

fI+ fd-(fI+ fd)

Frecuencia

OsciladorfI

Mezclador

FiltrofI+ fd

Mezclador

Osciladorfo-fI

Filtrofo

fo +fd

ESQUEMA DE UN RECEPTOR HETERODINO

fo

BLANCO QUE SE ACERCA (fd positiva)


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6.3 Localizacin angular del blanco

Casi todos los radares usan antenas directivas con haces relativamente estrechos.Una antena directiva no slo provee de una gran ganancia de transmisin y una granapertura de recepcin (necesaria para poder detectar los dbiles ecos), sino que

permite la localizacin con precisin de la direccin en que se encuentra el blanco.Los radares de seguimiento usan la desviacin angular del blanco del eje principaldel haz de la antena, para generar una seal de error. La seal de error resultantedescribe cunto se ha desviado el blanco del eje principal del haz. A continuacin, la

posicin del haz es continuamente corregida hasta obtener unaseal de error cero.Se demuestra que esta seal de error debe ser una funcin lineal del ngulo dedesviacin. Para ello se requiere que el eje del haz de rastreo (LOS: antennas LineOf Sighto radar tracking axis) est un poco vizco respecto al eje principal de laantena.Como tcnicas de rastreo angular de blancos, se encuentran:

Lobulado secuencial (sequential lobing): se trata de conmutarcontinuamente el haz tipo pincel entre dos posiciones predeterminadas ysimtricas respecto alLOS. El radar mide los niveles de seal devueltas. Ladiferencia entre estas dos medidas, se usa para calcular la seal de errorangular. El signo de la diferencia de voltaje determina la direccin en quedebe ser movida la antena.Bsqueda cnica (conical scan): en este caso la posicin del haz de laantena es rotada continuamente a una velocidad angularws.

Un radar tpico de microondas puede tener un ancho de haz de unos pocos grados.La situacin de compromiso est en que cuanto ms estrecho sea el haz, mayorestolerancias elctricas y mecnicas sern requeridas a la antena.

Eje de rastreo

Eje del haz

Posicin haz B

Posicin haz A

Eco

haz A Ecohaz B

LOBULADO SECUENCIAL


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7 Desarrollo de la simulacin



Los pasos que se han seguido en el proceso de diseo y realizacin de un sistema deRadar Pulsado modelado con Simulinky que interacta con Matlab, son:

Una vez conocido el sistema que hay que simular, se busca documentacinnecesaria que asegure un conocimiento amplio de la fsica delsistema y susrequerimientos.El proceso de diseo se realiza en paralelo con el modelado y lasimulacin.Finalmente se pasa a la implementacin del sistema, una vez que las sucesivassimulaciones y ajuste de los parmetros aseguran un funcionamiento optimizado.En paralelo con todas estas fases hay un proceso de aprendizaje, no slo del sistema

que se modela, sino de las herramientas empleadas para ello.

F SICA DEL SISTEMA REQUERIMIENTOS

SIMULINK+

MATLAB

Optimizacin

Parmetros dediseo RADAROPTIMIZADOS

Diseo

Implementacin

Modelado

Simulacin

APRE

NDIZAJE


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7.1 Fsica y Requerimientos del sistema

7.1.1 Forma bsica de la ecuacin radar

Ya introducidos los principios bsicos del funcionamiento del radar, se describe a

continuacin una herramienta muy til, no slo para determinar el mximo rango alque se puede detectar un blanco, sino para entender qu factores afectan en el

proceso de diseo.Si la potencia del transmisorPt (potencia de pico) es radiada por una antenaisotrpica (que radie uniformemente en todas direcciones), la densidad de potenciaa una distanciaR del radar es igual a la potencia radiada entre el rea de la superficiede una esfera de radioR:

24 R

PS tR

= W/m2

Los radares utilizan antenas directivas con ancho de haz estrecho que concentran lapotencia radiada en una direccin particular. La ganancia de una antena es unamedida del incremento de densidad de potencia radiada en una direccin concreta,en comparacin con la que producira una antena isotrpica en aquella direccin:

tPigualconisotrpicaantenaporradiadapotenciadedens

directivaantenaunaporradiadapotenciadedensidadmximaG

_________.

________=

La densidad de potencia en un blanco desde una antena directiva que transmite conganancia G:

24 RGPS tB

= W/m2

El blanco intercepta una porcin de la energa que incide en l y la reirradia envarias direcciones. Slo ser de inters aquella densidad de potencia reirradiada enla direccin del radar. La seccin recta del blancos (SRR) determina la cantidad dedensidad de potencia devuelta por el blanco al radar:

Densidad de potencia devuelta al radar=22 44 RR

GPt

La seccin recta radar (s ) tieneunidades de rea, pero desaparecenal asociars con el tamao fsico del

blanco. En realidad la SRR dependems de la forma del blanco que desu tamao fsico. En la expresin

bsica de la ecuacin radar seconsidera s constante, pero en larealidad esto no sucede, con lo quese requiere un incremento en la SNR

para modelos de blanco con SRR no

constante, lo cual provoca unareduccin en el rango mximo delradar.


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La antena del radar capta una parte de la energa del eco que incide sobre ella. Lapotencia recibida por el radar viene dada por el producto de la densidad de potenciareirradiada por el blanco hacia el radar y el rea efectiva de la antena (Ae). sta estrelacionada con el rea fsica (A) y la eficiencia de apertura (?A): Ae= ?AALa potencia de seal r ecibidaen W es:

4222 )4(44 RGAPA

RRGPP ete

tR

== W

La distancia mxima del radarRmxes aquella a partir de la cual el radar no puededetectar al blanco. Esto sucede justamente cuando la potencia de seal recibida PRes igual al mnimo de seal detectable, Smn:

41

2)4(

=

mn

etmx S

GAPR

Si se utiliza la misma antena para transmitir y recibir, la teora de antenas demuestrala siguiente relacin:

2

4

eAG = , dondef

c= es la longitud de onda, c la velocidad de propagacin y f

la frecuencia. Con esta relacin entre G y Ae se obtiene otra forma de la ecuacinradar:

41

3

22

)4(

=

mn

tmx S

GPR

Esta es la forma bsica de la ecuacin radar, que no describe adecuadamente eldiseo de los radares actuales. No se incluyen efectos como la integracin de pulsos,las prdidas de propagacin, las prdidas fijas, el factor de ruido del Receptor, elancho de banda, etc.

7.1.2 Ruido del Receptor y Relacin Seal a Ruido

Cualquier otra seal que no sean los ecos del blanco en el Receptor es considerado

ruido. Este incluye las seales interferentes del exterior, as como el ruido trmicogenerado en el interior del propio Receptor. El ruido trmico (por agitacin trmicade los electrones) y el ruido de disparo (shot noise) son las dos principales fuentesde ruido en el interior del Receptor.El valor cuadrtico medio de potencia de ruido generada a lo largo de unaresistencia de 1ohm es:

==B

B

n kTBdSn

2

2

2 4)(2

1, dondeB es el ancho de banda del sistema en Hz.

La densidad espectral de potencia de ruido trmico es kTSn 2)( , donde kes laconstante de Boltzmann y Tes la temperatura del medio conductor.


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Cualquier sistema elctrico que contenga ruido trmico y con resistencia de entradaRin, puede ser sustituido por su sistema equivalente sin ruido en serie con una fuentede voltaje equivalente de ruido y la resistencia de entradaRin :

Se define el Factor de Ruido del Receptor(F) como la relacin entre el ruido totalpresente a la salida de un Receptor real y aqul con ruido trmico nicamente:

pi

o

AN

NF= , donde

i

op S

SA = es la ganancia de potencia del sistema.

Rescribiendo la expresin para F, donde se refleja la degradacin que sufre la sealal pasar por el Receptor:

o

o

i

i

NS

NS

F = , donde S representa los niveles de seal a la entrada y salida del

Receptor.

Teniendo en cuenta que el ruido a la entrada del Receptor es BkTN oi = yreordenando trminos:

o

ooi N

BFSkTS = , donde o

oo

o SNRNS

N

S)(== es la relacin seal a ruido a la salida

del Receptor.

Si Smnes el mnimo valor de seal detectable por el Receptor, le corresponde unarelacin seal a ruido (SNR)mn :

mnomn SNRBFkTS )(= , y sustituyendo en la forma bsica de la ecuacin radar:

( ) ( )

41

3

22

4

=

mno

tmx

SNRBFkT

GPR

El valor de ( )mnSNR es el que corresponde a un solo pulso, debiendo incluir elefecto del integradoren la ecuacin radar, para que se contemple el efecto de lasuma de los n pulsos en la relacin seal a ruido.La ventaja de expresarla en funcin de ( )mnSNR es que se puede obtener a partir delos valores de la probabilidad de falsa alarma Pfa y la probabilidad de deteccin Pd,que son parmetros de diseo de las necesidades del radar.

SISTEMA

NO RUIDOSO

Rin

inkTBRn 42 =


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7.1.3 Seccin recta radar

El hecho de tener una SRR fluctuante con la frecuencia, polarizacin y ngulo, haceque sta resulte difcil de modelar para formas geomtricas complejas. Por ello serecurre a los modelos Swerling de seccin recta radar, que describenestadsticamente las funciones de densidad de probabilidad segn el

comportamiento del blanco.La distribucin Chi-cuadrado de grado 2m se aplica a un amplio rango de blancos.Su funcin densidad de probabilidad viene dada por:

( )( )

av

mm

avav

em

m

mf

=1

0

donde ( )m es la funcin gamma de argumento m, ys aves el valor promedio deSRR. Al aumentar el grado m, la distribucin se vuelve ms estrecha en torno a s av.El lmite m , corresponde a blancos con SRR constante (s= s av).

Swerling I y II: vienen descritas por la Chi-cuadrado de orden 2 (m=1),

( ) avefav

=1

0

En Swerling I, las muestras de la SRR medidas por el radar son correladas entrepulsos, pero son incorreladas entre exploraciones (fluctuacin lenta).La variacin de blancos Swerling IIson ms rpidas, pero son incorreladas entre

pulsos (fluctuacin rpida).Swerling I y II se aplican a blancos que consisten en mltiples puntos fluctuantesdesperdigados de aproximadamente las mismas dimensiones fsicas (ningunodominante).Swerling III y IV: ambas tienen la misma funcin densidad de probabilidad,descrita por la Chi-cuadrado de orden 4 (m=2),

( ) avefav

2

2

4 = 0

Las fluctuaciones en Swerling IIIson similares a Swerling I(fluctuacin lenta entreexploraciones), mientras que enSwerling IV son similares aSwerling II (fluctuacin rpida entre

pulsos).Swerling III y IV se aplican a

blancos que pueden serrepresentados por un puntoreflectante dominante y muchos

otros reflectores ms pequeos.


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Swerling V: corresponde a blancos con SRR fija, constante entre pulsos yexploraciones. Es el caso ms sencillo.

La fluctuacin de s es tanto menorcuanto mayor es la frecuencia, demodo que cuando la banda de

funcionamiento del radar seaproxima a la zona ptica, msconstante ess :

La SSR de una esfera conductora perfecta es constante en la regin ptica. Es porsto que los diseadores de radar usan esferas de SRR conocida para calibrar

experimentalmente los sistemas de radar. Para este propsito, y para obtener eldesplazamiento doppler, las esferas (o balones) son lanzados fuera de un avin(cuya velocidad es conocida por el radar) y remolcados en la parte trasera delmismo.

PROBABILIDAD DE DETECCIN vs SNR PARA SW1 Y Pfa=1e-6

En general, los blancos con SRR fluctuante requieren mayor SNR que aquellos nofluctuantes. Cuando se disea el rango del radar en base a una SRR constante, peroen realidad flucta, se necesita aadir un incremento en la SNR para compensar las

prdidas, con lo que el rango mximo del radar se ver reducido:

SNRSNRSNR 11

En la prctica, los casos de Swerling I demandan ms al radar que los dems casos,sobre todo a partir de una probabilidad de deteccin alta. Como ejemplo, si laPd=0.95 entonces la SNR por pulso requerida es:

SRR cte: dBSNR 2.6= Swerling I: dBSNRdBSNR 6.108.16 ==


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7.1.4 Efecto del integrador

Cuando un blanco es iluminado por el radar, ste refleja numerosos pulsos. Laprobabilidad de deteccin del radar es mejorada generalmente sumando todos (o lamayora) de los pulsos.

Se define n como el n total de pulsos que utiliza el integrador en el Receptor paraconseguir sumar sus efectos y conseguir una mejor relacin seal a ruido. Enrealidad este n no tiene por qu ser igual al de pulsos que se reciben dentro delancho del haz de la antena, ?B. El valor de n tiene la siguiente forma:

=

6PRFBfn

, donde ?B() es el ancho de haz de la antena, fPRF(Hz)=

PRFT

1 es la

frecuencia de repeticin de pulsos y O(rpm) es la velocidad de rotacin de la antena.La integracin de pulsos puede hacerse sobre las componentes en cuadratura justoantes del detector de envolvente. Se denomina integracin coherente, y preserva la

relacin de fase entre los pulsos recibidos.Tambin puede realizarse la integracin despus del detector de envolvente,destruyndose as la relacin de fase. Se denomina integracin no coherente.Como integradores pueden utilizarse dispositivos analgicos de almacenamiento,tales como filtros de banda estrecha, pero han sido sustituidos por mtodos digitales(integrador binario, integrador de ventana mvil).

INTEGRACIN COHERENTE:

Si se utiliza un integrador perfecto (100% de eficiencia), entonces al integrar npulsos se mejorar la SNR en la misma proporcin. Aunque tericamente es un

proceso con eficiencia del 100%, se producen prdidas de integracin, lo quesuceder siempre en el caso de la integracin nocoherente.Se demuestra que el nivel de potencia de seal se mantiene tras la integracincoherente, mientras que la potencia de ruido se reduce en 1/n. Se denota la SNR deun solo pulso para producir una determinada probabilidad de deteccin como SNR1.De este modo, la SNRpor pulso necesaria para obtener la misma Pd cuando seintegran n pulsos ser:

n

SNRSNRn

1=

El requerimiento de recordar la fase de cada pulso transmitido, as como demantener la coherencia durante la propagacin es muy costoso. Por ello, la mayorade los radares usan integracin no coherente.

INTEGRACIN NO COHERENTE:

Es ms fcil de implementar, ya que la fase de los ecos no se mantiene. Tan slo lasenvolventes de los pulsos deben alinearse para realizarse la sumaAl integrarse los n pulsos despus del detector, la relacin SNRn resultante sermenos de n veces la de un solo pulso. Esta prdida en la eficiencia de la integracin


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es debida al comportamiento no lineal del detector de envolvente, que convierte algode energa de seal en energa de ruido en los procesos de rectificacin.La eficiencia de integracin no coherente se define por:

11 =n

n nSNR

SNRE

Elfactor de mejora de integracin para unaPfa dada se define:

nnESNR

SNRI n

n

n ==1

Como se observa, SNRn corresponde a la SNR por pulso necesaria para producir lamisma Pd que en el caso de un solo pulso, cuando se integran n pulsos. Por tanto,

1SNRSNRn <

Existe una expresin emprica para el factor de mejora con una precisin de 0.8dB,desarrollada porPeebles, Jr.[2]:

[ ] ( ) ( ) ( ) ( )( )( )2log018310.0log140.01log6.46

1log

1235.0179.6 nnnP

PIfa

ddBn +

++=

FACTOR DE MEJORA DE INTEGRACIN EN FUNCIN DEL N DE PULSOS INTEGRADOS , PARA VALORES DE Pd Y PFA (nFA=1/PFA)

La ecuacin radar cuando se integran n pulsos con un integradorno coherentequeda:

( )

41

13

22

4

=

SNRBFSNRkT

nEGPR

o

ntmx


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El valor de SNR1 se obtiene en funcin de PdyPfa mediante una frmula empricadesarrollada porAlbersheim, W.J.[1]:

BABASNR 7.112.01 ++= , donde

=

faPA 62.0ln y

=d

d

P

PB

1ln

SNR DE UN SOLO PULSO EN FUNCIN DE LA PDY PARA DISTINTOS VALORES DE PFA

7.1.5 Prdidas del sistema (LS)

En el diseo del sistema de radar, deben reducirse al mnimo las prdidas conocidas,pero incluso con los mayores esfuerzos para lograrlo, no es extrao encontrarprdidas que oscilan entre 10 y 20 dB (con unas prdidas de 12 dB se reduce elrango a la mitad).Las prdidas del sistema (LS) se insertan en el denominador de la ecuacin radar,disminuyendo as el rango del mismo:

( )

41

13

22

4

=

So

ntmx

LSNRBFSNRkT

nEGPR

7.1.5.1 Prdidas fijas (LF)

Son debidas a los diversos componentes de microondas tales como el duplexor,protectores del Receptor, juntas de rotacin, acopladores direccionales, conectores,

as como las debidas a las lneas de transmisin (que conectan la antena con elTransmisor y Receptor).

Prdidas de las lneas de transmisin:

A bajas frecuencias radar las lneas de transmisin introducen pocas prdidas, amenos que sean muy largas. Pero a altas frecuencias tiene que ser tomadas encuenta.En la prctica, el Transmisor y el Receptor deben colocarse cerca de la antena, paraevitar que las prdidas sean demasiado elevadas.


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Tambin hay prdidas debidas a losconectores con la lnea, pero sondespreciables (a menos que lasconexiones sean defectuosas).

Prdidas del duplexor:

Las prdidas debidas a este dispositivo que protege al Receptor de las altaspotencias del Transmisor, son diferentes en transmisin y en recepcin.Los dispositivos de proteccin asociados al duplexor (atenuadores de estado slido,obturadores de la gua de onda) aaden algunas prdidas de insercin.

Prdidas de procesamiento de seal:

En los radares modernos se emplean tcnicas sofisticadas de procesamiento de sealpara extraer informacin de los ecos recibidos de seal. Los factores citados acontinuacin pueden introducir importantes prdidas:

Utilizacin de unfiltro adaptado no ideal.Uso de un Receptor CFAR, para el ajuste dinmico del umbral Vt yminimizar as el efecto de ruido debido a agentes externos.Uso de integradores automticos: tcnicas de ventana mvil.

Ajuste del nivel Vt: para evitar un n de falsas alarmas demasiado elevado,hay que subir ligeramente el umbral respecto al valor terico.

Prdidas por muestreo: si hay una sola muestra por pulso, el muestreo

puede que no se produzca en la mxima amplitud del pulso. La diferenciaentre el valor muestreado y la mxima amplitud del pulso constituye una

prdida de hasta 2 dB. La solucin est en aumentar el n de muestras porpulso (esto ocurre para elevados valores de probabilidad de deteccin).Con 2 muestras por pulso, las prdidas pasan de 2 a 0.5 dB, y con 3muestras por pulso disminuye hasta 0.2 dB.

Tambin existen prdidas importantes en los radares que emplean tcnicas deprocesamiento doppler (MTI: moving target indicador), debido a las posiblesambigedades de rango o frecuencia doppler.

Prdidas debidas al operador:

Actualmente los radares modernos dejan la decisin de deteccin a procesosautomticos, sin la intervencin humana.Antiguamente se culpaba de la prdida de precisin a los operadores. Pero a medidaque iban siendo entrenados, se demostr que podan operar con igual eficacia queequipos electrnicos de decisin; eso s, debidamente turnados cada 20 30 minutos

para evitar la degradacin en la deteccin.


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7.1.5.2 Prdidas por la forma del haz de la antena (LHA Z)

La ganancia de antena G de la ecuacin radar es supuesta constante e igual a sumximo valor, pero esto no es cierto en la prctica. En realidad, el tren de pulsosdevueltos por un blanco es modulado en amplitud por la forma del haz de la antena:

nicamente 1 de los n pulsos integrados (el central) tiene el mximo de ganancia G.Esto sucede cuanto el pico del haz de la antena est apuntando en direccin al

blanco. Dentro de los estudios sobre probabilidad de deteccin, hay algunos queincluyen esta prdida, otros no.Un posible mtodo es considerar los pulsos de amplitud constante, determinados porla mxima ganancia G, y aadir una prdida por la forma del haz a la cantidad de

prdidas del sistema en la ecuacin radar. Definido as, no depende de laprobabilidad de deteccin.Se trata de calcular la reduccin en la energa de seal recibida de un tren de pulsosmodulados, en comparacin con la que se habr recibido de un tren de pulsos deamplitud constante.Considerando un patrn antena gaussiano (tipo pincel), la prdida por la forma delhaz es:

=

+

=2

1

1

2 )(21

n

k

HAZ

kg

nL

, donde se ha considerado n impar y )(2 kg la

distribucin de la potencia de la antena en cada uno de los pulsos separados por

1=

nB grados.

Por ejemplo, para n=11 pulsos integrados,LHAZ=2dB.

Situacin de

los pulsos

Hazprincipal dela antena

G

1=

n

B

PRDIDA POR LA FORMA DEL HAZ


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7.1.5.3 Prdidas por propagacin

El efecto del entorno en la propagacin de ondas radar puede ser muy significativo,y puede hacer que el rango actual sea considerablemente distinto a si se propagaranen el espacio libre. Estos efectos pueden provocar tanto un aumento como una

disminucin del rango.Los principales efectos de propagacin que hay que considerar en el diseo son:

Reflexiones de la superficie de la tierra, que provoca la lobulacin deldiagrama de radiacin de la antena.

Refraccin, como consecuencia de la variacin del ndice de refraccin dela atmsfera con la altura, y que puede provocar un aumento del rango.

Atenuacin de ida y vuelta (Two-way attenuation): se desarrolla en lasiguiente seccin.

7.1.5.4 Atenuacin de ida y vuelta (L2

a)

Es debida a la atenuacin producida por la absorcin de los gases de la atmsfera. Elvapor de agua y el oxgeno pueden atenuar la energa del radar cuando la frecuenciade operacin se encuentra en las proximidades de la frecuencia de resonancia dedichas molculas.Hay un pico de resonancia para el vapor de agua a la frecuencia de 22.2 GHz, y otroen la regin milimtrica a 184 GHz. Depende en gran medida de la cantidad dehumedad de la atmsfera.Esta atenuacin es tan slo de 0.2 dB/km a la frecuencia de 22 GHz, aunque puedeser bastante problemtica para los radares que operan en la banda Ka 24 GHz. Esta

banda fue dividida en otras dos (Ku y Ka)para evitar este problema.Las molculas de oxgeno tiene resonancias a 60 y 118 GHz. La atenuacin llega aser de 16 dB/km en esta regin, lo cual lo hace inaceptable, excepto para radares amuy corta distancia o los espaciales, que operan fuera de la atmsfera.En realidad el efecto de la atenuacin por absorcin es despreciable en el diseo de

radares que operen en la banda de las microondas. Empieza a ser incrementalmenteimportante a partir de los 10 GHz.Otro aspecto a tener en cuenta es el ngulo de elevacin (a) de la antena: laatenuacin ser mayor cuando la antena apunte al horizonte, mientras que irdecreciendo al apuntar al cielo (hay menos molculas que absorban la energa delradar).Por ejemplo, para el pico de resonancia del vapor de agua a 22.2 GHz, cuando laantena est apuntando al horizonte, presenta una atenuacin de 80 dB, mientras que

para un ngulo de elevacin de 90 (apuntando directamente al cenit) la atenuacines tan slo de 1.3 dB. Para ngulos superiores a 10, se considera una atenuacin noimportante (menos de 7 dB).


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7.1.6 Balance de prdidas en el sistema

El balance total de prdidas del sistema(sin incluir los efectos de la propagacin) seobtiene como HAZFS LLL += Como ejemplo, consideremos las prdidas en un sistema radar pulsado que opera en

la banda C(5GHz):

LFIJAS: Lnea de Transmisin 1 dBDuplexor y dispositivos

asociados1.5 dB

Juntas y conectores 1dB

Procesamiento de seal 3.5 dB

LHAZ: n=8, G=35dB 2dBTOTAL LS=9 dB

7.1.7 Diagrama de Blake

Es una herramienta utilizada para afinar el clculo de la Rmx incluyendo los efectosde la propagacin.

El factor de prdidas 2aL es funcin del rango R, luego la ecuacin radar queda en

funcin deR y es necesario aplicar un mtodo recursivo para el clculo exacto delrango del radarRmx.

Existen valores tabulados de 2aL en dB como funcin del rango y la frecuencia para

a=0 y a=5, o bien como funcin del rango y el ngulo de elevacin a para f=3 y10 GHz.El proceso es el siguiente:

Pasar todas los parmetros a dBCalcular Rmx de la ecuacin radar sin considerar las prdidas poratenuacin ( 2aL =0), incluyendo en el denominador el factor de prdidas del

sistema: HAZFIJASS LLL +=

Ver en las tablas el valor de 2aL que corresponde a ese valor deRmx

Calcular nuevamente Rmx , incluyendo2aL en las prdidas del sistema:

2aHAZFIJASS LLLL ++=

Volver al tercer paso hasta que el valor de Rmx converja.


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7.1.8 Criterio de deteccin de blancos

La capacidad del radar para detectar los dbiles ecos del blanco est limitada por lapresencia de ruido que ocupa la misma parte el espectro de frecuencia que la seal.El mnimo nivel de seal detectable por el Receptor del radar fue denotado como

Smn en la ecuacin radar, pero no es un parmetro comn en el diseo, sino ms bienen trminos de la relacin seal a ruido a la salida del Receptor.El criterio de deteccin en un radar se basa en establecer un umbrala la salida delReceptor. Si la salida es suficientemente grande y excede el umbral, entonces sedice que hay blanco (deteccin). Pero si la amplitud de la salida n

diseño y realización de un simulador de radar

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