01 Princípios de funcionamento
Figura 1: RADAR (Fonte: Angeloleithold 2007)
ECOLOCALIZAÇÃO
A capacidade da ecolocalização foi postulada pelo biólogo italiano Lazzaro Spallanzani (1729-1799), contudo somente foi descrita primeiramente nos anos de 1930. O termo é atribuído ao zoólogo Donald Griffine e ao pesquisador Jonas Ansel, que foi o primeiro a demonstrar conclusivamente a existência nos morcegos.
Os morcegos, animais mamíferos adaptados ao vôo, possuem a habilidade sonar compartilhada com aves e insetos. Durante o dia, ficam em cavernas, forros de casas abandonadas ou árvores. Tem hábitos noturnos, consomem principalmente insetos, frutos e também néctar de algumas flores. Os que se alimentam de sangue são chamados hematófagos. Emitem pulsos de ondas ultra-sônicas, isso é, com freqüência muito alta, na faixa de 20 a 215 kHz, pelas narinas ou pela boca, dependendo da espécie. As ondas atingem obstáculos no ambiente e voltam na forma de ecos com freqüência menor. Os sinais de retorno são captados pelo sistema auditivo, e, com base no tempo em que os ecos demoraram a voltar, das direções de onde vieram. Através da ecolocalização percebem se há obstáculos no caminho, as distâncias, as formas e as velocidades relativas entre eles, no caso de insetos voadores que servem de alimento, por exemplo. Dividem a capacidade sonar com os golfinhos e as baleias e alguns pássaros. O modo de utilizá-la varia para cada espécie, alguns emitem sons puros que duram até 150 milissegundos, enquanto outros usam uma série de “chilreios” curtos. A eficiência da ecolocalização também varia entre as espécies, sendo que os de hábito alimentar insetívoro, ou predadores de insetos em geral, possuem o sistema mais desenvolvido. Mesmo na escuridão total capturam sua presa em pleno vôo.
O golfinho possui um extraordinário sistema acústico de ecolocalização que lhe permite obter informações sobre outros animais e o ambiente, pois consegue produzir sons de alta freqüência ou ultra-sônicos, na faixa de 150 kHz, sob a forma de “clicks” ou estalidos sonoros. Esses sons são gerados pelo ar inspirado e expirado através de um órgão existente no alto da cabeça, os sacos nasais ou aéreos. Os sons provavelmente são controlados, amplificados e enviados à frente através de uma ampola cheia de óleo situada na nuca ou testa, o Espermatócito, que dirige as ondas sonoras em feixe à frente, para o ambiente aquático. Esse ambiente favorece muito esse sentido, pois o som se propaga na água cinco vezes mais rápido do que no ar. A freqüência desses estalidos é mais alta que a dos sons usados para comunicações e é diferente para cada espécie.
Quando o som atinge um objeto ou presa, parte é refletida na forma de eco e é captado por um grande órgão adiposo ou tecido especial no seu maxilar inferior ou mandíbula, sendo os sons transmitidos ao ouvido interno ou médio e daí para o cérebro. Grande parte do cérebro está envolvida no processamento e na interpretação dessas informações acústicas geradas pela ecolocalização.
Assim que o eco é recebido, o golfinho gera outro estalido. Quanto mais perto está do objeto que examina, mais rápido é o eco e com mais freqüência os estalidos são emitidos. O lapso temporal entre os estalidos permite ao golfinho identificar a distância que o separa do objeto ou presa em movimento. Pela continuidade deste processo, o golfinho consegue seguí-los, sendo capaz de o fazer num ambiente com ruídos, de assobiar e ecoar ao mesmo tempo e pode ecoar diferentes objetos simultaneamente. O sentido dos golfinhos, além de permitir saber a distancia do objeto e se o mesmo está em movimento ou não, permite saber a textura, a densidade e o tamanho do objeto ou presa.
O pássaro do petróleo ou Guácharo sul-americano (Steatornis caripensis) e certo tipo de andorinhão do gênero Aerodramus (Formerly collocalia) ou swiftlets das cavernas, são as únicas aves conhecidas que também podem ecolocalizar e voar na escuridão absoluta. Porém o sistema desses pássaros não é tão sofisticado quanto o do morcego e golfinho, além de servir somente para orientação ao vôo.
RADAR
O radar, do inglês Radio Detection And Ranging (Detecção e Telemetria pelo Rádio), é um dispositivo que permite detectar corpos que refletem radiofreqüência a longas distâncias. Basicamente emite pulsos eletromagnéticos que ao atingir o alvo buscado são refletidos.
A sua operação se dá numa faixa do espectro eletromagnético em que é favorecida a alta transmissão de radiofreqüência na atmosfera sem interferências ocasionadas pela radiação solar. Os comprimentos de ondas utilizados para a operação do radar também permitem a propagação dos pulsos através da atmosfera mesmo estando nublada ou durante precipitações.
A detecção das ondas refletidas, permite determinar a localização do objeto, o primeiro radar foi construído em 1904, por C. Hülsmeyer na Alemanha, naquela época não houve utilidade prática para tal dispositivo, de baixa precisão, construção difícil, e sistema de detecção de eco ineficiente. Em 1934, Pierre David, revisando teoria eletromagnética, encontrou o estudo realizado pelo alemão. Iniciou então, experiências para o desenvolvimento de um sistema de detecção por ondas de rádio em alta freqüência. Este era eficiente para a localização de aviões. Simultaneamente, Henri Gutton e Maurice Ponte, conseguiram criar um dispositivo de detecção que funcionou com grande precisão. Em 1935, foi instalado o primeiro sistema de radiotelemetria no navio Normandie cujo objetivo era localizar e prevenir a aproximação de obstáculos.
No início da Segunda Guerra Mundial, Watson Watt, melhorou e desenvolveu novas tecnologias, utilizando o sistema de telemetria fixa e rotatória. Em função da maximização e da exatidão do processamento de sinal e eco por radiofreqüência, foi aprovado um projeto de instalação piloto para detecção de aeronaves inimigas, na costa da Inglaterra. Em função do sucesso alcançado da estação, foram instaladas muitas outras em todo o País.
Os radares foram muito importantes na previsão de ataque, pois os ingleses sabiam com precisão a distância, velocidade e a sua direção, tendo tempo assim, de alarmar a população a fim se proteger, diminuindo imensamente baixas civis, apesar do bombardeio constante. As Potências do Eixo, também estavam a desenvolver sistema similar, porém seu uso era diferente, os radares alemães, eram para aumentar a precisão de tiro, facilitando o direcionamento dos projéteis.
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 o monitorado, sendo então refletido, e, retornando para a antena, que neste momento é receptora de sinais. Desta forma, através da velocidade de propagação do pulso conhecida, e o tempo de chegada do eco também, pode-se facilmente calcular a distância do alvo e saber se está se afastando, ou se aproximando do radar. Este efeito é possível devido Efeito Doppler, pois a defasagem de freqüência entre o sinal emitido e recebido propicia o cálculo exato. O Equipamento é composto de uma antena transceptora, uma linha de transmissão, um transmissor de alta potência e alta freqüência, sistema de recepção, decodificação, processamento e visualização das informações coletadas, além da mesa de interface entre equipamento e operador.
O nome próprio, "Radar" diz que é um sistema que usa ondas eletromagnéticas para identificar o tipo, a altitude, direção, velocidade de móveis ou fixos. Sejam aviões, navios, veículos terrestres, formações meteorológicas e terrenos. O transmissor que emite as ondas de rádio deve ter alta potência, embora já existam instrumentos de consumo bastante reduzido, por exemplo, radares embarcados em naves espaciais. Uma vez emitido, o sinal reflete no objeto e é detectado pelo receptor acoplado ao sistema. Apesar do sinal refletido ser muito fraco, é facilmente amplificado. Assim, o sistema de detecção consegue identificar objetos onde outros métodos, (Som ou a luz), seriam demasiado fracos para detectar. Os equipamentos de rastreamento de massas aéreas, ou radares meteorológicos distinguem com facilidade as precipitações dos mais diversos tipos. Os controles de tráfego aéreo, os sistemas detectores de velocidade funcionam de forma similar.
Originalmente o termo utilizado era RDF (Radio Direction Finder Grã - Bretanha). Foi alterado em 1941 para RADAR (Radio Detection And Ranging - Detecção e Telemetria pelo Rádio). Vários inventores, cientistas, engenheiros contribuíram para o seu desenvolvimento. O primeiro sistema que detectou "a presença de objetos metálicos distantes através de ondas rádio" foi Hülsmeyer, em 1904. Na experiência foi demonstrada a viabilidade de se detectar um navio em nevoeiro denso, contudo não informava a distância. Sua "Reichspatent" era de número 165546 registrada no mês de abril. No dia 11 de novembro de 1905 o registro foi alterado para 169.154> Na Inglaterra recebeu a patente GB13170 e o sistema "telemobiloscope" no dia 22 de setembro de 1904. Nikola Tesla, em Agosto de 1917, pesquisou os princípios relativos à emissão de ondas eletromagnéticas verificando alguns fenômenos de reflexão. Em 1934, o norte-americano Dr. Robert M. Page, testou pela primeira vez um radar monopulso. Os alemães, os franceses (French Patent n º 788795, em 1934), e principalmente ingleses, exploraram os sistemas de emissão e detecção como métodos de defesa contra ataque de aeronaves, sendo que a Inglaterra desenvolveu os sistemas mais avançados na época (British Patent GB593017 - Robert Watson - Watt, em 1935). O húngaro Zoltán Bay construiu um sistema em 1936, no laboratório Tungsram. Em 1934, Émile Girardeau, desenvolveu sistemas de emissão e detecção de pulsos eletromagnéticos, que, segundo declarações da época foram "concebidos de acordo com os princípios enunciados por Tesla".
A Segunda Guerra Mundial precipitou as pesquisas para encontrar uma melhor resolução, maior portabilidade e recursos para a nova tecnologia defesa. No Pós - guerra os radares já eram utilizados no controle de tráfego aéreo, meteorologia, radioastronomia e controle rodoviário velocidade. Na marinha, os radares são utilizados para a navegação, detectando e monitorando obstáculos que podem oferecer riscos até a distância de duzentos quilômetros aproximadamente. No caso de belonaves de guerra, existem sistemas para a detecção de alvos e direcionamento de tiro passivo para facilitar o acerto de mira de projéteis disparados por canhões, metralhadoras, para direcionamento de tiro ativo de mísseis e torpedos. Existem os radares de defesa antiaérea com alcance de até duzentos quilômetros para captar aeronaves orientando as defesas em sua direção. Nos Porta-aviões, existem radares semelhantes aos de aeroportos para orientar o tráfego aéreo, desembarque e embarque de aeronaves com segurança e em movimento. Neste caso o alcance atinge até 1.000 km em mar aberto. O uso de radares na aeronáutica se dá a nível de aeroportos, bases aéreas, aeronaves civis e militares, para monitoramento e orientação de tráfego aéreo. Os aeroportos mais modernos possuem radares para "vôo cego", isto é, para condições de visibilidade muito baixa, servindo à aterrissagem e decolagem com pouco teto sob neblina leve e baixo horizonte. A defesa aérea e vigilância utiliza radares mais específicos com detecção de alvos até 1.000 quilômetros para aviões em grande altitude, e alcance de até trinta quilômetros para aeronaves voando em baixa altitude. Os radares de direcionamento bélico são utilizados para orientar os mísseis balísticos no momento inicial de arremesso, para depois da decolagem, internamente estes possuem equipamentos de orientação autônomos (Alguns com GPS) para dirigi-los até seu alvo. A figura 1 mostra um diagrama em blocos típico de uma estação de radar, nesta observamos que a antena é transceptora, isto é, transmite e recebe os pulsos emitidos por si, este sistema é bastante utilizado pela aeronáutica.
Figura 1: Diagrama esquemático de uma estação de radar típica. (Fonte: Angeloleithold 2003)
Nos radares de controle de tráfego e vigilância aérea de maior alcance, o monitoramento não se dá por uma única estação de vigilância e rastreamento, e sim por muitas interligadas e com os sinais processados de forma redundante pela somatória e processamento de todos os dados numa central. No Brasil, o (http://www.decea.gov.br/oqueeosisceab/sisceab.htm) SISCEAB (Sistema de Controle do Espaço Aéreo Brasileiro) possui um sistema que funciona desta forma, onde existem radares com alcance de até 4.000 km, que interligados cobrem os 8,5 milhões de km² do território nacional. As aeronaves de combate possuem radares de interceptação, radares de ataque com pulsos eletromagnéticos de alta definição que permitem o vôo em baixa altitude sem visão direta do solo, além de radares nos mísseis ar-ar e ar-terra, para busca de alvos por sistemas de detecção eletromagnética, pois os sensores de calor são obsoletos e fáceis de ser despistados. Na força terrestre, Exército,, existem radares de patrulha aérea, com alcance de até trezentos quilômetros, radares de aquisição de alcance até cem quilômetros, de tiro e perseguição de mísseis terra-ar, antiartilharia, para reconstituição das trajetórias dos projéteis, para localização das peças de artilharia com alcance de até dez quilômetros, e, radares de vigilância terrestre para detectar alvos móveis e regulagem de tiro de alta precisão. Os radares de pequeno alcance na guerra moderna, entre eles se destacam os Rasura com alcance de 5 quilômetros usados pela infantaria, o Rapace utilizado nos carros de combate blindados com alcance de até cinco quilômetros, além do Ratac utilizado pelas peças de artilharia para detectar alvos à trinta quilômetros. Os radares meteorológicos são de suma importância para o monitoramento da atmosfera, facilitando assim atividades como a agricultura, aeronáutica, entre outras atividades, pois detectam com precisão os movimentos das massas de ar, dando subsídios aos meteorologistas para prevenir, desde geadas, vendavais e chuvas de granizo, entre outros fenômenos que podem ser rastreados. Cientistas usam o radar para várias aplicações espaciais, os EUA, Reino Unido e Canadá, por exemplo, rastreiam objetos em órbitas ao redor da Terra. Isto ajuda os cientistas e engenheiros a vigiar satélites, partes de foguetes abandonados, etc. Durante viagens espaciais os radares também são utilizados para medir distâncias precisas, como nas missões da Apollo nos anos 60 e 70. A US Magellan, (sonda espacial), mapeou a superfície do planeta Vênus com um radar entre 1990 a 1994. Outra importante aplicação espacial é a utilização de uma rede de satélites que emitem sinais de ondas de rádio. O mais conhecido desse tipo de sistema é o GPS que fornece uma navegação de alta precisão para qualquer pessoa que possua um receptor. A figura 2 ilustra um tipo de radar cuja função é mapear as massas gasosas, muito útil para se observar furacões, por exemplo. Um dos maiores avanços deste sistema, além do uso para a anvegação, é justamente para a observação e previsão meteorológica.
Figura 2: 1960 Atlantic hurricane season (Fonte NASA)
A reflexão ou espalhamento de ondas eletromagnéticas, ocorre quando um objeto sólido no ar ou vácuo, recebe a "iluminação" por pulsos emitidos a partir de um radar. Isso ocorre sempre que existem alterações significativas na densidade atômica entre o elemento emissor e o objeto iluminado, isto é, sempre quando atingido um alvo, este espalha as ondas de rádio. As superfícies eletricamente condutoras se tornam bons espelhos para radiofreqüência, desta forma aeronaves e navios são facilmente detectados. Para dificultar a reflexão eletromagnética, veículos militares contém em suas blindagens elementos resistivos e substâncias magnéticas que "camuflam" boa parte dos sinais pois se tornam boas absorvedoras de energia eletromagnética. As ondas de radar se dispersam de diversas formas, dependendo do comprimento de onda, freqüência e forma do alvo. Se a a freqüência é muito maior em comprimento de onda que o tamanho do alvo, a energia será devolvida ao largo de uma forma semelhante à maneira como luz é refletida por um espelho. Sendo muito maior do que o tamanho do alvo, este é polarizado da mesma forma que uma antena dipolo. À este efeito se dá o nome de "espalhamento Rayleigh". Quando as duas escalas são comparáveis comprimento, poderão haver ressonâncias, isto é, o objeto atingido pela frente de onda ressona e devolve a radiação reemitindo-a. Freqüências muito altas, quando atingem o alvo, refletem em suas curvas e cantos, deformando o sinal. Os objetos mais reflexivos metas possuem bordas e cantos com ângulos menores que 90°. Uma estrutura composta por três superfícies planas reunidas em um único canto (Forma piramidal), ao penetrar em si a radiofreqüência, sempre vai refletir ondas eletromagnéticas. A este efeito se chama reflexão de canto cujos refletores são comumente utilizados em radares refletores, (freqüentemente em embarcações), a fim de melhorar a sua detecção numa situação de salvamento e para reduzir as colisões. Por semelhança, para evitar a detecção, o ângulo se inverte, isto é, ao invés de ser utilizada a parte interna de uma pirâmide reflexiva, se utiliza a parte externa, o que provoca um espalhamento em todas as direções do sinal, o que causa a impressão deste ter sido absorvido.
A transmissão de ondas eletromagnéticas num meio é diretamente proporcional ao comprimento de onda, desta forma se deve escolher a freqüência de acordo com o fim a que se destina. A reflexão de ondas eletromagnéticas (espalhamento) ocorre quando há mudança física na constante dielétrica ou diamagnética do meio de propagação. Ou seja, um objeto sólido no ar, no vácuo ou mesmo em outros meios, causa alterações significativas na densidade atômica entre o alvo e o meio que o rodeia, isso normalmente acarretará no espalhamento de ondas eletromagnéticas incidentes sobre si. Esta particularidade ocorre em materiais eletricamente condutores, a exemplo de metais, fibras de carbono entre outros. A penetrabilidade e propagação dos pulsos eletromagnéticos depende de vários fatores, por exemplo: da umidade do ar, esta altera significativamente sua densidade, se o feixe emitido se propaga rente ao solo a densidade da vegetação também influi na propagação das ondas eletromagnéticas de comprimento de onda muito curto (SHF - Super High Frequency) ou seja, se o comprimento de onda do pulso de radar for muito curto, este poderá interagir com a superfície do solo devido comprimento de onda da vegetação superficial. Em casos de comprimentos de onda mais longos, a interação se dará nas camadas inferiores, e dependendo da freqüência, esta ocorrerá inclusive com o solo ou mesmo subsolo. Os radares, são adequados para a detecção de aeronaves, navios, etc. Contudo, se na pintura, ou na blindagem houver materiais bons absorvedores de ondas eletromagnéticas que possuam constantes resistivas à radiofreqüência, ou mesmo compostos magnéticos que alteram a propagação de ondas, estas terão suas direções alteradas ou serão absorvidas. Isso causará a "camuflagem" eletromagnética do alvo, e este ficará invisível para um radar, à exemplo das pinturas que camuflam visualmente objetos militares nas selvas. A eficiência de um radar, sua sensibilidade e capacidade de imageamento depende de vários fatores, e estes podem ser equacionados através de diversos dados que formam a chamada "equação do radar (1)", esta é formada pela Potência de transmissão, ganho de transmissão antena, área de abertura efetiva da antena de recepção, da seção transversal do radar, ou coeficiente de dispersão do alvo, do fator de propagação, da distância do transmissor ao alvo e da distância do alvo para o receptor.
Equação do RADAR:
onde:
Pt = Potência de transmissão
Gt = Ganho de transmissão da antena.
Ar = Área de abertura efetiva da antena de recepção.
σ = Seção transversal do radar, ou coeficiente de dispersão do alvo.
F = Fator de propagação.
Rt = Distância do transmissor ao alvo.
Rr = Distância do alvo para o receptor
Se transmissor e receptor estão situados no mesmo local a equação se modifica para a equação (2):
Na faixa de comprimento de onda óptico, ocorre a interação a nível de ressonância molecular na superfície de contato, no caso das microondas se condiciona a resposta à geometria e à rugosidade das grandezas dielétricas de superfície. Ao se combinar imagens por microondas e do espectro óptico, é possível uma substancial melhora na observação dos alvos. A potência recebida diminui à quarta potência, isso significa que a distância de reflexão do alvo ao sistema RADAR é muito pequena. Com F = 1 se têm medidas para o vácuo, o fator de propagação para efeitos de interferências ou sombreamento depende das condições do ambiente, e, numa situação real, estas devem ser levadas em conta. Outros desenvolvimentos matemáticos dos processamentos dos sinais de radar, incluem a análise tempo-freqüência. Da mesma forma que os atrasos ou ruídos são gerados quando um radar está móvel, muitas vezes os sinais refletidos sofrem distorções chamadas "chirp" (mudança de frequência, em função do tempo , semelhante ao som emitido por aves ou morcegos), estas podem confundir os sistemas que calculam as distâncias em função do efeito Doppler.
Nos sinais transmitidos por radares, o campo elétrico é perpendicular à direção de propagação, e esta considerada a polarização da onda. As polarizações dos sinais emitidos podem ser horizontais, verticais, lineares ou circulares, dependendo do fim a que se destinam vários tipos de reflexões. Por exemplo, polarização circular é usada para minimizar as interferências causadas pela chuva. A Linear retorna normalmente de superfícies metálicas. A polarização randômica retorna normalmente o sinal quando superfície do alvo é de formação fractal, (rochas ou solo), usada por radares navegação. Os pulsos eletromagnéticos emitidos devem ser de tal magnitude, que seja suficiente para superar as diversas fontes de sinais indesejáveis, consideradas ruídos ou espúrios. O feixe deve ser concentrado, se possível, apenas no próprio alvo, desta forma, as antenas devem ter uma emissão bastante estreita.
Figura 2: Pulso transmitido e pulso refletido de RADAR (Observar o ruído). Fonte Angeloleithold PY5AAL.
Em geral, em todos sistemas de prospecção reflexiva, sejam radares, sonares, ou sistemas de localização onde se utilizam feixes de luz, ultrasom, etc, os espúrios (Ruídos) podem ser originados por fontes internas e externas, tanto passivas quanto ativas. A capacidade do sistema para superá-los é dada pela relação sinal-ruído, (SNR signal-to-noise ratio) : Quanto mais elevado a SNR, melhor a qualidade de rastreamento. As fontes de ruído interno são geradas por variações aleatórias de sinal-ruído (Ver Figura 2), causadas por componentes eletrônicos do estado sólido (Transístores, diodos, circuitos integrados, etc). Normalmente são observadas como variações aleatórias que se sobrepõem ao eco do sinal emitido. Quanto menor a potência mais difícil a discriminação entre o sinal de retorno e os espúrios internos ou externos. Portanto, sempre o receptor é o maior captador dos tais, a estes se dá o nome de "noise valor (NV)", que é uma medida do ruído produzido por um receptor, em comparação com um receptor ideal. As interferências geradas por fontes externas, também são de grande importância para a discriminação e qualidade de um sinal. Um exemplo comum é a radiação térmica de fundo provinda do alvo. Nos sistemas mais modernos, devido elevado desempenho dos receptores, o ruído interno é aproximadamente igual ou inferior ao externo. Quando se aponta a antena de radar para cima, o ruído térmico é bastante reduzido e se torna fácil captar sinais de outras regiões do Espaço. Também existe um ruído chamado "Flicker", provocado pelo trânsito de elétrons que depende da freqüência de operação do radar, é muito inferior ao ruído térmico quando a freqüência é alta, contudo é bastante importante quando se faz leituras de alvos que estão no limiar de alcance. Quando se emite pulsos eletromagnéticos em direção a um alvo, o sinal de retorno ou eco, contém sinais ou ecos que são, por definição, desinteressantes para aos operadores. Embora não sejam ruídos, pois trata-se de reflexões diversas de objetos naturais, estes devem ser discriminados. Exemplos de "imagens" que se enxergam numa tela de radar são: terra (suas elevações, topografia, etc), mar (Movimentações de ondas, diferenças de marés), precipitação (chuva, neve ou granizo), tempestades de areia (Movimentos de grandes massas de matéria que causa refração, e reflexão dos sinais), animais (principalmente aves voando em grandes quantidades), turbulência atmosférica (Movimentações de massas térmicas), mudanças de eletricidade atmosférica provindas da ionosfera, reflexões ou absorções dos sinais de RF em função de variações ionsoféricas, rastros de meteoros, edifícios, estruturas metálicas, etc.
As ligações entre os transceptores e antenas nos sistemas de radar são feitas por linhas de transmissão, estas são: ou guia de ondas para freqüências mais altas, ou cabos coaxiais, para freqüências menores. Dependendo do comprimento de onda utilizado e do comprimento físico da linha de transmissão, ocorre um fenômeno chamado "embaralhamento". No caso de cabos coaxiais, ou mesmo em guias de onda, os efeitos de embaralhamento do sinal entre a antena e o transceptor, causam erros de leituras ou imagens "fantasmas". A imagem observada numa tela de radar típico, de antena rotativa, normalmente é um ponto central, que tem a partir de si uma linha que gira a exemplo de um ponteiro de relógio. À medida em que o sinal se propaga, reflete e retorna o eco para a antena, este no caminho em que percorre após ter sido captado para "dentro" da guia é interferido por ecos de poeira e partículas que se encontram em seu caminho. Para se minimizar este efeito, se ajusta o tempo de envio do pulso e a fase de recepção de forma a não afetar a precisão do intervalo, pois, em geral, este tipo de espúrio ocorre enquanto o sinal está se propagando em direção ao alvo, antes de sair da guia de ondas.
Embora algumas fontes de ruído sejam indesejáveis, a exemplo de leitura de nuvens de tempestades, ou radares de defesa aérea, em alguns casos como radares meteorológicos que marcam as movimentações de massas de ar os espúrios causados pelas tais é o principal fator de varredura. Existem vários métodos de detecção e neutralização de sinais embaralhados, estes em geral, ocorrem em radares de varredura estática. Portanto, ao comparar leituras de ecos, é desejável que os alvos sejam exibidos se movendo, assim, ecos estáticos podem ser eliminados. O embaralhamento de sinais também pode ser reduzido pelo uso de polarização horizontal, enquanto chuva é reduzida com polarização circular. No caso de radares meteorológicos o efeito deve ser contrário, pois a polarização linear é melhor para detectar precipitação. Existe um sistema chamado CFAR (Constant False Alarm - Rate), este é uma espécie de controle automático de ganho, (ou AGC) é um método que se baseia em pelo fato do embaralhamento de sinal retornar em número maior que o sinal aguardado. Assim, o ganho do receptor se ajusta automaticamente para manter um nível constante do sinal de retorno eliminando os sinais mais fracos, ou "fantasmas". Em casos de sinais fracos e reflexões secundárias quase de mesma magnitude, os alvos reais acabam "embaralhados" com os sinais virtuais (Irreais), isto é, o mesmo objeto aparece em duas posições diferentes, pois o sinal forte é "atenuado" e o fraco é "amplificado". Os sinais falsos, e/ ou embaralhados podem também ser causados por ecos múltiplos de alvos verdadeiros devida reflexão no terreno, formação de dutos atmosféricos, reflexões e refrações ionosféricas múltiplas, formação também de "dutos" ou guias de ondas ionosféricas (Dutificação da propagação entre camadas ionizadas), entre outros fenômenos. O espalhamento de sinal, ou as leituras erradas devidas variações iônicas, causam um efeito em que o alvo, mesmo fixo parece estar se movendo, em outros casos, aparecem objetos duplicados, um real e um virtual, também ocorre a absorção do sinal, isto é, o objeto "some" para aparecer em seguida em outro ponto da tela. Em aeronaves, o sinal às vezes é multi - refletido para solo abaixo, aparecendo para o operador como um objeto idêntico abaixo do real, isto é, enxergam-se dois aviões, um na altitude correta e outro mais abaixo. Os radares assim, quando utilizam sistemas ou softwares que unificam os alvos real e virtual podem tentar unificá-los e causar erro de leitura, mostrando o objeto numa altura incorrecta, ou pior, eliminá-lo da observação. Os problemas de leituras erradas podem ser reduzidos pela incorporação de mapas do terreno no ecrã de forma a eliminar os possíveis ecos que parecem originários ou abaixo do solo, ou acima de uma certa altitude. Existem softwares utilizados para identificar alvos falsos através do cálculo de probabilidades do sinal de retorno, fornecendo assim com uma certa precisão a distância, altitude e direção dos objetos prospectados.
Sabe-se que a única maneira de se ter certeza de que um alvo é real é por sobreposição de informações, ou seja, informações redunantes provindas de diversas fontes. Em geral, os radares se agrupam em imageadores e não imageadores. Os primeiros são compostos por antenas rotatórias, existem os chamados "SLAR - radares de visada lateral de abertura real, "SAR - radares de visada lateral de abertura sintética". São radares imageadores: espectrômetros, escaterômetros e altímetros. Os Radares de Visada Lateral de Abertura Real SLAR-RAR desenvolvidos durante a II Guerra Mundial, foram os primeiros imageadores que utilizaram microondas, eram utilizados para auxiliar bombardeiros noturnos. Possuem uma antena cuja gaometria propicia uma iluminação lateral e os alvos são atingidos por um feixe largo verticalmente e estreito horizontalmente. O movimento da aeronave produz a varredura de geração de imagem durante a sua passagem sobre a área a ser observada. Este sistema possui uma resolução azimutal diretamente proporcional à distância entre o ponto de emissão e a região imageada, e é inversamente proporcional ao comprimento de onda da própria antena, isso constitui numa limitação, pois, para ser obtida uma resolução azimutal de qualidade, ou se diminui a distância a distância do alvo, ou se aumenta o comprimento da antena. Na década de 1950, foi desenvolvido um sistema que reduzia algumas das desvantagens, é o "radar de abertura sintética ou SAR", a resolução azimutal deste sistema independe da distância entre a antena e o alvo. Em 1978 a NASA lançou o primeiro radar orbital, foi o SEASAT, a partir deste iniciou um programa chamado "SIR - Shuttle Imaging Radar", este era executado por uma série de vôos de curta duração. Foram lançados primeiramente as naves SIR-A e SIR-B em 1981 e 1984 respectivamente. Em 1994 foi lançado o SIR-C. Em 1981 iniciaram as missões de maior duração com o lançamento do ALMAZ-1, em 1991 o ALMAZ-2 e o ERS-1 em 1992 o JERS-1 em 1992, em 1995 a missão ERS-2 e RADARSAT.
CARACTERÍSTICAS DE SINAIS DE RADAR
(c) py5aal Comumente os sinais de RADAR são pulsos de RF, tipicamente em frequências de microndas geralmente modulada para permitir que o sistema capte as ondas refletidas propiciando dados necessários para a sua análise visual ou automática. O pulso pode ser modulado ou também podem ser utilizadas onda contínua como o radar Doppler, em que pode não ser necessária a modulação. Com modulação de impulsos, o pacote de ondas ou transportador do sinal é simplesmente ligado e desligado em sincronia com os pulsos. O envelope de forma de onda de impulso é demodulado a partir do pacote (Transportador) no receptor. A largura do pulso ou sua duração assegura que o radar emita energia suficiente para permitir que o impulso refletido seja detectável pelo seu receptor. A quantidade de energia emitida pelo alvo distante é resultante da potência de saída do transmissor, e da duração da transmissão. Portanto, a largura de pulso restringe a gama máxima de detecção de um alvo. Ela também determina a discriminação "gama", que é a capacidade do radar para distinguir entre dois alvos bastante próximos. Em qualquer gama, com ângulos de azimute e elevação semelhantes, vistos por um radar de impulsos não modulado, a discriminação do intervalo é aproximadamente igual no raio da metade da duração do impulso.
(c) py5aal A largura de pulso também determina a zona morta em faixas estreitas. Quando a saída do transmissor está ativa, a entrada do receptor está inibida inibida, para evitar que os amplificadores sejam saturados de RF e se danifiquem. Um eco de radar levará aproximadamente 10,8 mS para retornar de aproximadamente 1800 metros, contando a partir da borda do do trem de pulsos transmissor (Tx0), também conhecido como transmissor principal.
(c) py5aal A 1 km de distância o tempo é 6,7 mS, se a largura de pulso do radar é 1 mS, não há detecção de alvos mais próximos de 150 m porque o receptor está bloqueado. Ou seja não se pode simplesmente aumentar a largura de pulso para obter maior alcance, sem ter um impacto sobre outros fatores de desempenho. Para se obter um eco discernível, a maioria dos sistemas de radar emite pulsos continuamente e a taxa de repetição destes pulsos é determinada pelo necessidade de detecção. Um eco de um alvo será visto no monitor integrado pelo processador de sinal toda vez que um novo pulso é transmitido, reforçando o retorno e facilitando a detecção. Quanto maior o PRF usado, mais nítido o alvo é visto. Em geral, os projetos procuram usar um PRF mais potente o possível de acordo com os outros fatores que o restringem, interferências, opacidade atmosférica à RF, sinais fantasmas, etc. As características de largura de feixe da antena e a periodicidade necessária com a qual o radar deve prospectar o campo de visão com uma largura de feixe horizontal de 1°, que varre todo o horizonte em 360° a cada 2 segundos com um PRF de 1080 Hz, irradiará 6 pulsos ao longo de cada arco de 1 grau. Se o receptor necessitar de pelo menos 12 pulsos refletidos, de amplitudes semelhantes para obter uma probabilidade aceitável de detecção, então há três opções para o projetista: duplicar o PRF, reduzir para metade a velocidade de varredura ou duplicar a largura do feixe. Na realidade, as três escolhas são usadas, em diferentes graus.
(c) py5aal O PRF escalonado é um processo de transmissão em que o tempo entre as prospecções do radar muda ligeiramente, de forma repetível e facilmente discernível, um trem escalonável. A mudança de freqüência de repetição permite ao sistema uma integração em uma base pulso a pulso, diferenciar entre retornos de suas próprias transmissões e retornos de outros sistemas de radar com o mesmo PRF e uma freqüência de rádio similar. Considerando um intervalo constante entre pulsos, as reflexões alvo aparecem numa gama relativamente constante relacionada com o tempo de propagação do impulso. No espectro de RF muito saturado de outros sinais, podem haver outros pulsos detectados pelo receptor, quer diretamente a partir do transmissor ou como reflexões de outros lugares. Como sua "distância" aparente é definida pela medição de seu tempo em relação ao último pulso transmitido pelo equipamento, os espúrios ou outros pulsos podem aparecer a qualquer distância aparente, dando informação errônea. Quando o PRF de um primeiro radar é muito semelhante ao PRF de outro, as distâncias aparentes de um alvo podem ser vistas como reais, embora sejam interferentes. Usando o escalonamento, um designer de radar pode forçar o sistema para saltar erraticamente em escala aparente, inibindo a integração e reduzindo ou mesmo suprimindo seu impacto na detecção do alvo verdadeiro, pois, sem PRF escalonado, quaisquer pulsos provenientes de outro radar na mesma frequência de rádio podem parecer estáveis no tempo e podem ser confundidos com reflexos da própria transmissão.
(c) py5aal Com o PRF escalonado, os próprios alvos do radar aparecem estáveis em alcance em relação ao impulso de transmissão, enquanto os ecos de "interferência" podem se mover em uma faixa aparente não correlacionada, fazendo com que sejam rejeitados pelo receptor. O PRF escalonado é apenas uma de várias técnicas semelhantes usadas para isso, incluindo PRF variável em que o sincronismo de pulso é alterado de um modo menos previsível. Também a modulação em freqüência do pulso e várias outras técnicas similares, cujo principal objetivo é reduzir a probabilidade de sincronismo não intencional são utilizadas.
Publicado originalmente por Ângelo Antônio Leithold na Wikipédia em: 01h11min de 17 de novembro de 2004 Angeloleithold
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