LOS RADARES DE MILIMÉTRICAS EN EL FUTURO DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN MILITARES NOMBRE DEL AUTOR/ES: Tte. Art. D. David Geijo Marcos INSTITUCIÓN DE PROCEDENCIA: Academia de Artillería DIRECCIÓN ELECTRÓNICA: [email protected] / [email protected] RESUMEN: Los radares son cada vez más un componente vital de multitud de sistemas de armas. Estos nos proporcionan principalmente la capacidad de observación del campo de batalla, el guiado de municiones o la detección de amenazas. Este trabajo versará acerca de las mejoras y limitaciones que supone el empleo de radares de milimétricas frente a los trabajan en otras bandas de frecuencias en el ámbito militar. Para ello se proporcionará una visión general del funcionamiento de un radar y de la influencia del empleo de ondas de milimétricas sobre las características técnicas del radar. Finalmente se expondrán sus posibles aplicaciones militares y las conclusiones extraídas sobre la viabilidad de estos radares en los sistemas de armas militares. NOTA BIOGRÁFICA DE LOS AUTORES/AS El Tte. David Geijo Marcos ha cursado con aprovechamiento los estudios militares para el acceso a la escala de oficiales del Ejército de Tierra en la especialidad fundamental de Artillería, siendo finalizados en el presente año 2014. Además ha prestado servicio como soldado del Ejército del Aire, destinado en la Agrupación de la Base Aérea de Cuatro Vientos durante los años 2007-2009. 5 PALABRAS CLAVE “Radares”, “Radares de milimétricas”, “Radares de alta resolución”, “Sensores en bandas milimétricas”. INDICE Página 1. INTRODUCCIÓN. EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO. 1 2. RADARES 2 2.1 Funcionamiento elemental de un radar. 2 2.2 Ecuación Radar 2 2.3 Características técnicas de un sensor electromagnético 3 2.3.1 Resolución en distancia 3 2.3.2 Resolución angular 3 2.3.3 Celda de resolución 4 2.3.4 Obtención de imagen radar 5 2.3.5 Características de propagación 5 2.3.6 Capacidad de penetración 7 2.3.7 Otras características 8 3. RADARES DE MILIMÉTRICAS. 9 3.1 Evolución de los dispositivos generadores de ondas milimétricas 3.2 Ventajas 10 3.3 Inconvenientes 12 4. APLICACIONES MILITARES 9 13 4.1 Radares de milimétricas 14 4.2 Cámaras de milimétricas 15 4.3 Munición inteligente 16 4.3.1 Municiones con guiado terminal 17 4.3.2 Municiones con sensores-espoleta 17 4.4 Radiómetros imagen 18 4.5 Otras aplicaciones 19 5. CONCLUSIONES 19 BIBLIOGRAFÍA I LISTA DE TABLAS Y FIGURAS Página Figura 1 Resolución angular en función de la frecuencia para unas dimensiones de antena cte. 4 Figura 2 Celda de resolución radar. 5 Figura 3 Obtención de imagen radar. 5 Figura 4 Atenuación atmosférica en función de la longitud de onda de la señal. 6 Figura 5 Atenuación debido a las condiciones meteorológicas. 7 Figura 6 Comportamiento de una onda al incidir sobre un obstáculo. 7 Figura 7 Espectro electromagnético. 8 Figura 8 Capacidad de penetración sobre la vegetación según la banda de frecuencia radar. 8 Figura 9 Atenuación atmosférica debido a las diferentes condiciones climatológicas. 12 Figura 10 Imagen de cámaras en banda de milimétricas. 16 Figura 11 Tipología de armas inteligentes. 17 Figura 12 Imagen terrestre de un radiómetro a 95 GHz. 18 II 1. INTRODUCCIÓN. EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO Los radares constituyen una parte fundamental de los sistemas de armas militares. La adquisición localización y seguimiento de objetivos van a ser determinantes para el cumplimiento de la misión, sobre todo dentro del campo de la artillería y más en concreto la artillería antiaérea. Por ello, contar con los medios de observación radar más avanzados jugará un papel de vital importancia dentro del contexto actual donde la amenaza cuenta con sofisticados medios para burlar las defensas enemigas. Previo al estudio más en profundidad, en una primera hipótesis, se espera que con el empleo de sistemas radar de milimétricas logremos aumentar notoriamente la precisión en la observación de objetivos, llegando incluso a distinguir la tipología de las aeronaves así como sus principales características y armamento. Además de su incorporación a sistemas de armas de corto alcance para mejorar su precisión y eficacia y a la carga de pago de UAV´s como suplemento de observación. Para realizar un estudio profundo sobre las aplicaciones militares de los radares de milimétricas es necesario que el lector tome conciencia de ciertos conceptos básicos a fin de crear un marco contextual del objeto de estudio. En primer lugar es conveniente introducir el término de onda electromagnética que será el principal artífice del funcionamiento de un radar. Una onda electromagnética es la propagación de energía en forma de campo eléctrico y magnético de forma simultánea y perpendicularmente entre sí. Las ondas electromagnéticas pueden variar sus características en función de su longitud de onda, aunque todas ellas viajan en el espacio a la velocidad de la luz (3×10-8 m/s) independientemente de dicha longitud. Por lo tanto consideraremos como espectro electromagnético al conjunto de todas las frecuencias posibles, o número de ciclos de la onda por unidad de tiempo, a las que se produce una radiación electromagnética. El espectro electromagnético está dividido en diferentes regiones conocidas como bandas o segmentos de frecuencia que atiende a unos criterios. El empleo de las ondas electromagnéticas por un sistema con el propósito de adquirir información del espacio que le rodea es lo que conocemos como RADAR o, según su traducción etimológica, radio detection and ranging (detección y medición de distancias por ondas radio). En el ámbito militar existen un gran número de radares que trabajaran en una banda de frecuencia o en otra en función del propósito de su empleo, así como las servidumbres que estemos dispuestos a asumir por razón de las dimensiones físicas de sus componentes electrónicos, por razones tácticas o por otras cuestiones. La Banda K (Banda Radar k y Ka), y más concretamente en la Banda Ka, es donde se va centrar el estudio de los radares de milimétricas. Se entiende por ondas milimétricas aquellas ondas electromagnéticas que se propagan por el espacio con longitudes de onda entre 1 y 10 milímetros, o lo que es lo mismo, ondas cuya frecuencia oscila entre 30 y 300 GHz. Durante este estudio hemos podido observar que determinados autores realizan una clasificación en la que estrechan este margen llegando a establecer el límite inferior en una longitud de onda de 7,5mm, que se corresponde con una frecuencia de 40 GHz. Esto es debido a que consideran la banda Ka (35 GHz) más afín a las microondas. 1 2. RADARES 2.1 Funcionamiento elemental de un radar. El principio de funcionamiento de un radar consiste en una antena transmisora que emite omnidireccionalmente o en una dirección determinada del espacio la energía electromagnética generada por un oscilador. La energía transmitida es interceptada por el blanco y es reflejada en todas las direcciones. La antena receptora, que en la mayoría de los casos puede ser la misma que la transmisora, recoge esta energía y la entrega al receptor, donde se realizará el procesado electrónico de amplificación de la señal, filtrado y extracción de la información que se requiere. 2.2 La Ecuación Radar. La Ecuación Radar es la expresión por la cual podemos estimar el alcance de un sistema radar a partir de unos parámetros que dependerán de las capacidades de los componentes que lo constituyen, como pueden ser la ganancia de las antenas o la potencia a la que puede operar el receptor entre otros, además de por otros factores externos, como la sección equivalente radar del blanco o el factor de reflexión del blanco. Es importante conocer estos parámetros para poder entender cómo se va a comportar un radar, pero independientemente de éstos nosotros vamos a estudiar cómo los diferentes valores de frecuencia que puede tomar un radar van a afectarle en lo que a su alcance se refiere. La ecuación radar va a quedar de la siguiente manera: 4 4 𝑃𝑡 𝐴𝑡 𝐴𝑟 𝜎 𝑃𝑡 𝐺𝑡 𝐺𝑟 𝜎 (1); 𝑅𝑚𝑎𝑥 = √ 𝑅𝑚𝑎𝑥 = √ (2) 2 (4𝜋) 𝑆𝑚𝑖𝑛 (4𝜋)2 𝑆𝑚𝑖𝑛 Donde: R: Distancia al blanco. Pt: Potencia de la cresta transmitida. Gt y G r: Ganancias de las antenas transmisora y receptora. Ar: Área efectiva de la antena receptora. σ: Superficie equivalente del blanco. Smín: Señal mínima a la que puede operar el equipo receptor (sensibilidad). Las dos expresiones obtenidas de la ecuación radar difieren en la consideración de emplear en la ecuación (1) apertura efectiva tanto de la antena receptora como la de transmisora constante y, por otro lado, la ecuación (2) que toma el valor las ganancias de las antenas transmisora y receptora constantes de igual modo. Para nuestro estudio nos vamos a centrar principalmente en la ecuación (1), puesto que pretendemos estudiar las variaciones que sufre el alcance a diferentes frecuencias para unas dimensiones de antena invariables. Hemos de tener en cuenta que la longitud de onda es la relación entre la velocidad de la luz y la frecuencia. 𝑐 𝜆= 𝑓 2 En consecuencia podemos representar la ecuación radar en función de la frecuencia de operación del sensor. 4 𝑃𝑡 𝐺𝑡 𝐺𝑟 𝑐 2 𝜎 𝑅𝑚𝑎𝑥 = √ (4𝜋)3 𝑆𝑚𝑖𝑛 𝑓 2 En lo que se refiere al estudio de la variación de la frecuencia, podemos considerar que doblando los valores del área efectiva de la antena receptora se obtendrá un incremento de un 19% en la distancia1. Tal y como sabemos y hemos deducido anteriormente, el área efectiva de la antena receptora está inversamente relacionada con la frecuencia de operación del sensor, por lo que podemos concluir que al aumentar la frecuencia disminuye el área efectiva y por consiguiente el alcance del radar. 2.3 Características técnicas de un sensor electromagnético. Las características técnicas de cada sensor son aquellas que deberemos tener en cuenta a la hora de diseñar un radar. Es imprescindible su estudio a fin para valorar correctamente la eficiencia de cada radar en función del cometido que queremos que cumplan. 2.3.1 Resolución en distancia La resolución en distancia está íntimamente relacionada con el ancho de banda del pulso que emite un radar de impulsos. Sus homólogos de onda continua no se verán afectados por esta condición dada la peculiaridad de emitir radiación de manera continuada en vez de por pulsos, y se tendrán que apoyar en la modulación de amplitud o fase, según el caso para poder obtener este dato de distancia. A fin de poder discriminar entre dos blancos que se encuentran situados en la misma dirección respecto a la antena y teniendo en cuenta que es necesario que produzcan dos ecos independientes para poder ser discriminados como tal, es necesario que la distancia entre ambos sea superior a la que recorre la radiofrecuencia durante el ancho de pulso de la señal. Por lo tanto podemos definir la resolución en distancia como: 𝐴𝑅 = 2.3.2 𝑐𝜏 2 Resolución angular La resolución angular se conoce como la capacidad para discriminar la información espacialmente y está condicionada por el ancho de haz obtenido de la apertura radiante empleada. Ésta determina una buena parte de las características operativas de un sensor tales como la precisión, la capacidad de separación e identificación de blancos, la eficacia en la adquisición y seguimiento de los mismos, así como el rechazo a señales no deseadas. 1 ACART-VA-014 Fundamentos Radar (Ed 2011) p.3-3 3 A la hora de emitir energía electromagnética, la capacidad de concentrarla en una dirección determinada es lo que nosotros entendemos como ancho de haz o directividad de la antena, siendo directamente proporcional a la relación entre el tamaño físico de la apertura de la antena, medido en longitudes de onda, y la longitud de onda propiamente dicha de la señal que emite el radar. De modo que para un mismo tamaño físico a medida que sube la frecuencia de trabajo, el ancho del haz obtenido es menor aumentando proporcionalmente la ganancia de la antena. Figura 1 Resolución angular en función de la frecuencia para unas dimensiones de antena cte. La utilización de sensores con haces muy estrechos tiene importantes ventajas operativas. Es importante resaltar que la directividad influye directamente en el alcance del sensor debido a que la ganancia toma parte de la ecuación radar como factor directamente proporcional del mismo. Del mismo modo una mejora de la resolución angular se verá reflejada en el incremento de la precisión en la medida de posicionamiento del blanco, una mayor discriminación de blancos y el aumento de la facilidad en la detección de blancos en presencia de obstáculos y la disminución del nivel de señales no deseadas que recoge el sensor. 2.3.3 Celda de resolución La celda de resolución sólo tendrá cabida cuando hablemos de radares pulsados, llegando a tener una gran relación con la frecuencia con la que emita un sistema radar. La celda de resolución de un radar estará definida por el volumen que barre la señal electromagnética durante un pulso. Tal y como podemos deducir, la celda de resolución aumentará su volumen a medida que la señal avance a lo largo de su trayectoria. Esto es debido principalmente a la forma geométrica aproximada de cono que presenta el lóbulo del radar. Por lo tanto el volumen de la celda de resolución de un radar se verá afectado por la resolución angular y por la resolución en distancia. Esto implica que para disminuir el volumen de la celda de resolución debemos trabajar con señales con gran ancho de banda y señales de alta frecuencia. 4 Figura 2 Celda de resolución radar 2.3.4 Obtención de imagen radar La formación de una imagen requiere disponer de una resolución angular muy elevada, es decir, un ancho de haz de las antenas muy pequeño que permita en el plano perpendicular a la dirección de propagación de la señal discriminar espacialmente dos puntos calientes del blanco2, si además se dispone de resolución en distancia la imagen será tridimensional. Como podemos entender conforme aumenta la distancia y Figura 3 Obtención de imagen radar disminuye la diferencia de distancias entre dos puntos próximos del objeto del que queremos obtener su imagen mayor precisión requiere el radar y por lo tanto mayor apertura de antena. Podemos concluir que el aumento de la frecuencia de la señal va a mejorar la resolución de la imagen a una distancia constante. 2.3.5 Características de propagación Una de las consideraciones más importantes a la hora del diseño de cualquier sensor es la propagación de las ondas electromagnéticas a través de Pérez Martínez, Félix. Sensores electromagnéticos. Los “Sentidos” de los Sistemas para la Defensa y la Seguridad. Primera edición: Septiembre de 2011, p.92. 2 5 la atmósfera. Los gases que conforman la atmósfera van a afectar de manera notoria la propagación de las ondas y como consecuencia el alcance del radar, en función de la frecuencia de trabajo del mismo. La manera en la que ve afectado un sensor su propagación a través de la atmosfera será función de la frecuencia de trabajo del mismo, produciendo mayores atenuaciones conforme aumenta progresivamente ésta. Puede comprobarse que por debajo de 10 GHz su efecto es muy pequeño. A partir de esta frecuencia se hace más notorio que la energía electromagnética trasferida al espacio produce que las moléculas de oxígeno y de vapor de agua presentes en la atmósfera resuenen convirtiendo en calor esta energía, viéndose la onda atenuada de forma significativa. Esto se debe a que cuanto menor es la diferencia entre la longitud de onda y las dimensiones de las moléculas del medio que atraviesa la señal, mayor será el número de choques, perdiendo la onda electromagnética consecuentemente energía y viéndose en ocasiones totalmente apantallada. Como podemos observar existen ventanas de baja atenuación a 35, 94, 140, 240, 360 o 420 GHz donde en algunos casos los radares pueden trabajar con una degradación asumible. Estas ventanas se hacen posibles debido a las características particulares que presentan los radiadores selectivos como son los gases, de forma que poseen emisividades y por tanto absortancias dispares para determinadas frecuencias. Figura 4 Atenuación atmosférica en función de la longitud de onda de la señal 6 Por otro lado podemos determinar que con situaciones meteorológicas adversas como lluvia o niebla, los sensores que trabajan por debajo de banda X (unos 10 GHz) pueden ser considerados “todo-tiempo” para distancias de centenares de kilómetros y hasta 30 GHz para alcances del orden de la decena de kilómetros. Este concepto de propagación está íntimamente relacionado con la capacidad de penetración que veremos a continuación. Figura 5 Atenuación debido a las condiciones meteorológicas 2.3.6 Capacidad de penetración La capacidad de penetración de las ondas electromagnéticas está íntimamente relacionada con su frecuencia de trabajo además de con la composición de los materiales que componen el obstáculo a atravesar. Será función de la relación entre el diámetro de las moléculas que componen el material y la frecuencia de trabajo del radar, siendo mayor o menor la penetración según el caso. De este modo observaremos que para bajas frecuencias y pequeños diámetros moleculares de los materiales del Figura 6 Comportamiento de una onda al obstáculo la penetración será mayor y incidir sobre un obstáculo viceversa. Las ondas electromagnéticas pueden ser reflejadas, absorbidas o bien pueden atravesar el medio tanto sin perturbar la dirección del rayo incidente como con alteraciones sobre la misma. Por lo tanto podemos concluir que cuanto mayor es la longitud de onda, mayor facilidad tendrá la onda para salvar irregularidades del terreno y mayor capacidad de penetración de cuerpos sólidos poseerá. Por contra, con una longitud de onda más pequeña, cualquier obstáculo por pequeño que sea afectará e interrumpirá su avance. 7 Figura 7 Espectro electromagnético En un ambiente militar puede ser conveniente atravesar obstáculos que se interponen entre el sensor y el blanco, como la vegetación, camuflajes, paredes, etc. La importancia de este hecho en algunas aplicaciones es evidente. El empleo de sensores que utilicen radares de frecuencias que tengan poca capacidad de penetración puede suponer la aparición de clutter dando lugar a ecos no deseados que dificultan la adquisición del objetivo. Figura 8 Capacidad de penetración sobre la vegetación según la banda de frecuencia radar. 2.3.7 Otras características A la hora de seleccionar la frecuencia de trabajo de un sensor existen otras características que condicionan la elección, en algunos casos de forma muy significativa. a) Peso y tamaño del radar. En general, el tamaño y peso de los componentes utilizados está directamente ligado a la longitud de onda de trabajo, por lo que a medida que subimos en frecuencia los equipos tienden a ser más pequeños y livianos. En el ámbito militar esto va a ser de 8 gran importancia ya que se tiende a la miniaturización de los equipos para su aplicación por las plataformas aéreas especialmente donde el volumen de los equipos y la carga de pago suponen un factor limitante. b) Señales transmitidas. La precisión de un sensor en la medida de distancias está directamente ligadas al ancho de banda procesado. Asimismo, las técnicas de espectro ensanchado, características de las técnicas LPI (Low Probability of Interception), también requieren la trasmisión y procesamiento de elevados anchos de banda. El empleo de frecuencias portadoras elevadas (f0) permite utilizar señales moduladoras de gran ancho de banda absoluto (Δf), pero con anchos de banda relativos pequeños (Δf/f0) y por tanto tecnológicamente más fáciles de obtener. c) Sección radar. Las propiedades de reflexión de las ondas sobre un blanco dependen fuertemente de la frecuencia, por lo que su sección radar es un criterio importante a la hora de seleccionar la banda de operación de un sensor activo. La sección radar se verá aumentada cuanto mayor sea la frecuencia del sensor que está emitiendo y viceversa. 3. RADARES DE MILIMÉTRICAS Como hemos mencionado con anterioridad los radares de ondas milimétricas son convencionalmente aquellos cuya frecuencia portadora está comprendida entre 30 y 300 GHz, por lo que son sensores con características intermedias entre los de RF/microondas y los optoelectrónicos. 3.1 Evolución de los dispositivos generadores de ondas milimétricas. Hasta los años 70 no comenzaron producirse aplicaciones de alto nivel de sofisticación donde el elevado coste, tamaño y peso de los componentes realizados en guía-ondas eran asumibles, por ejemplo en radioastronomía. Los diodos Gunn, IMPATT o Schottky entre otros, supusieron la aparición de los primeros dispositivos de dos terminales capaces de generar y detectar potencia a estas frecuencias, lo que despertó un extraordinario interés durante los años ochenta desarrollándose muy rápidamente numerosos componentes y algunos prototipos experimentales de sistemas completos, como por ejemplo radares anticolisión, medidores de velocidad, espoletas de proximidad, radiómetros, etc. Actualmente la evolución tecnológica está produciendo en estos momentos el desarrollo de la tecnología MMIC (Microwave and Millimeter-wave Monolithic Integrated Circuits). Los circuitos MMI o MMIC son un tipo de circuitos integrados que operan en frecuencias de microondas, es decir, entre 300 MHz y 300 GHz. El resultado es la obtención de circuitos que con un tamaño de algunos milímetros cuadrados realizan 9 sofisticadas funciones electrónicas a un precio potencialmente muy pequeño, lo que ha dado un gran impulso a la proliferación de dispositivos de alta frecuencia. 3.2 Ventajas La principal ventaja que nos ofrecen los radares de ondas milimétricas es la gran resolución angular que nos proporciona la capacidad de localizar blancos con gran precisión. Otra ventaja es gran ancho de banda que nos proporciona trabajar a esta frecuencia (30 – 300 GHz). Esta característica influirá directamente en la resolución tanto en distancia como en angular. Como hemos estudiado anteriormente en lo relativo a radares pulsados trabajar en la región de las milimétricas nos permitirá diseñar radares con la capacidad de proporcionarnos anchos de pulso estrecho, de manera que genere una celda de resolución mucho más reducida que los radares de microondas y permitiéndonos de esta manera discriminar con mayor precisión los objetivos. La alta resolución de los radares de milimétricas permite detectar blancos en movimiento sobre el terreno debido a la desviación Doppler de la señal reflejada. Además es capaz de discriminar objetivos estacionarios sobre el terreno. Esto se debe a las ya conocidas características de las ondas milimétricas que pueden generar minúsculas celdas de resolución, de manera que determinando las distancias a cada uno de los puntos de todas las superficies que explora es capaz de identificar los diferentes objetos que se encuentran sobre el terreno, lo que nos otorgará inteligencia sobre la composición y las capacidades de las fuerzas enemigas. Hemos de tener en cuenta que para que este radar trabaje de forma eficaz detectando objetivos estacionarios, la relación señal-ruido producida por el clutter del terreno debe ser favorable para que los ecos de los objetivos no se vean ocultados por el clutter. Por otro lado la utilización de frecuencias de milimétricas es idónea para el uso de técnicas radar de alta resolución (HHR). Del mismo modo e igualmente idóneo, será el uso de frecuencias milimétricas en radares de baja probabilidad de interceptación (LPI) como puede ser las técnicas de espectro ensanchado donde la transmisión de información utiliza un ancho de banda superior al necesario para el volumen de información manejado. La señal que se desea transmitir, es expandida en el espectro, reduciendo la densidad espectral de la misma, y en la recepción la señal recibida será comprimida para recuperar la señal original3. Para su empleo se requiere señales con unos grandes anchos de banda. Otra gran ventaja de los sensores de milimétricas es la posibilidad que nos ofrecen de ser empleados tanto en un ambiente diurno como nocturno al igual que con niebla, humo o incluso lluvia, viéndose reducido el alcance para este ultimo de manera considerable hasta el orden de centenares de metros. Estas características combinadas con las anteriormente mencionadas de resolución, hacen de los radares de milimétricas un sistema considerablemente valioso dentro del ámbito militar, sobre todo en comparación con los sistemas que trabajan en la región del espectro visible (optoelectrónicos). 3 ACART-VA-014 Fundamentos Radar (Ed 2011) S.p. 10 Los radares de milimétricas tienen la capacidad de poder trabajar tanto de manera activa como pasiva. Debido a la emitancia de determinados materiales a una determinada temperatura por encima del cero absoluto en la banda de las milimétricas del espectro electromagnético, es posible el diseño de radiómetros imagen de milimétricas4, capaces de captar esta energía a cortos alcances, pudiendo verse su aplicación en municiones. Son necesarias fuentes de gran potencia electromagnética para poder perturbar los radares que trabajan en esta banda. La producción de equipos con capacidad de generar suficiente potencia supondrá sistemas de guerra electrónica más voluminosos y por lo tanto con menor maniobrabilidad. Esto la convierte en una región del espectro electromagnético idónea debido a la escasa existencia de estos medios de guerra electrónica operativos con capacidad de perturbarla mediante el uso de contramedidas electrónicas (ECM's). Dentro del espectro electromagnético el uso de la banda de las milimétricas todavía no está muy extendido, bien sea por las dificultades tecnológicas que implica la generación de este tipo de energía electromagnética o por su elevado coste. La escasa saturación de esta banda por la apenas existencia de medios que la emplean, va reducir el número de interferencias entre que podemos ocasionar con nuestros equipos o los del enemigo. Para antenas del mismo diámetro en la región de las milimétricas vamos a obtener anchos de haz muy estrechos, lo que nos dará la posibilidad de construir radares de dimensiones mucho más reducidas que para los sensores de microondas, permitiéndonos dotar con ellos a sistemas de armas de sensores de milimétricas donde el espacio va a constituir una limitación. Un claro ejemplo son las municiones inteligentes con guía terminal radárica. Los radares de milimétricas van a suponer un suplemento ideal sobre plataformas aéreas de observación del terreno en situación donde los sistemas ópticos resultan inoperativos. El tamaño de los componentes electrónicos que componen el sensor es un factor de vital importancia a la hora de diseñarlo. El espacio disponible en los sistemas de armas es cada vez más un factor limitante que juega un papel muy importante y los radares de milimétricas suponen una mejora importante con respecto a las microondas. 4 Radiómetros imagen de milimétricas: Radares de milimétricas trabajando en modo pasivo, es decir sin emitir radiación electromagnética. 11 3.3 Inconvenientes La propagación atmosférica es el inconveniente más importante de los radares de milimétricas. Como hemos estudiado anteriormente conforme aumentamos la frecuencia de trabajo de un radar se va experimentar una disminución del alcance del radar, debido a las bandas de absorción y emitancia de los gases que componen la atmósfera. Los radares de milimétricas sólo disponen de apenas cuatro ventanas (34, 95, 140 y 240 GHz) donde pueden trabajar con resultados asumibles. A esto se le suma la baja sensibilidad con respecto a los radares de microondas y sobretodo la gran atenuación producida por la lluvia. Figura 9 Atenuación atmosférica debido a las diferentes condiciones climatológicas. De esta manera podemos determinar que al aumentar la frecuencia de trabajo de un radar deberemos incrementar la potencia del mismo, viéndose aquí las mayores dificultades. Como podemos apreciar una atenuación en un camino de 0.3 dB/Km en un radar de corto alcance que trabaja a 94 GHz no es significante pero puede ser abrumador para otro de largo alcance. Por lo que podemos concluir que en circunstancias normales no es probable que un radar de largo alcance trabaje con ondas milimétricas. A día de hoy este inconveniente se agrava debido a que todavía no se dispone de la tecnología adecuada capaz de generar la potencia suficiente para aumentar el alcance. Esto es debido a la conocida formula de Planck que relaciona de forma directa la energía generada con la frecuencia de la onda emitida a través de la cte. de Planck (1.054571628 × 10 -34 Jxs). Las longitudes de ondas de milimétricas nos proporcionan una serie de capacidades que en ocasiones limitan su desarrollo, siendo especialmente remarcable el pequeño tamaño de sus antenas como consecuencia, de su longitud de onda característica. 12 Los tamaños de antena físicamente pequeños, en longitudes de onda milimétricas, resultan de ganancia alta como hemos visto en apartados anteriores, pero es también por la pequeña área de su antena que la energía del eco captada por ésta es menor. La capacidad de vigilancia de un radar es proporcional al producto de su potencia media y a la apertura de la antena. Una antena de apertura grande es importante para radares de vigilancia de largo alcance. Así, una antena pequeña necesitará una gran potencia de transmisión para suplir la carencia de apertura de antena, y esto sumado a la dificultad conseguir altas potencias para la transmisión de señales con longitudes de ondas milimétricas, supone una gran desventaja para el empleo en sistemas radar de largo alcance. No es probable que los radares en esta porción del espectro encuentren grandes aplicaciones en la vigilancia de largo alcance. La formación de imágenes con este tipo de radares queda limitada en aplicaciones a muy corta distancia, puesto que aunque su resolución es superior a la de los sensores de microondas es todavía muy inferior a la de los optoelectrónicos. Esto limitará drásticamente la capacidad de discriminación de las capacidades de objetivos aéreos, no pudiendo proporcionar información en cuanto a su envergadura o armamento, entre otras, a cortas distancias. En cuanto a la capacidad de ser perturbados cabe decir que hasta el momento no se han diseñado equipos de contramedidas electrónicas para estas bandas de frecuencia, pero que en el momento que aparezcan serán muy vulnerables, esto es debido a que al ser conocidas las ventanas de emisión en las que los radares de milimétricas tienen una atenuación atmosférica asumible para su empleo, los equipos perturbadores requerirán poco ancho de banda y podrán ser centrados en la región del espectro específica para dejar inoperativos a estos radares. Por otro lado la capacidad de penetración es muy limitada debido a su pequeña longitud de onda, viéndose muy atenuada por la vegetación por escasa que sea. Se requerirán espacios abiertos, sin gran apantallamiento, para poder realizar una exploración eficaz. Como es de esperar el clutter será otro factor limitante de las capacidades de los radares de milimétricas. La media de la superficie radar del clutter por unidad de área para un estudio de medidas sobre árboles y vegetación, en longitudes de ondas milimétricas, está dada por: 𝜃 𝜎 𝑜 (𝑑𝐵) = −20 + 10𝑙𝑜𝑔 ( ) − 15𝑙𝑜𝑔𝜆 25 Donde θ es el ángulo de incidencia en grados y λ está en centímetros. Así, σo aumenta con el incremento de la frecuencia así como el ángulo de incidencia. 4. APLICACIONES MILITARES Los radares de milimétricas nos ofrecen hoy en día un amplio abanico de aplicaciones posibles dentro del ámbito militar y otras tantas todavía en desarrollo. Dentro de todas las aplicaciones militares que tienen los radares de milimétricas vamos diferenciar entre los radares como tal, cámaras de milimétricas y su aplicación dentro de municiones inteligentes. 13 4.1. Radares de milimétricas. Radares anticolisión para helicópteros. Estos radares se aprovechan de la capacidad todo tiempo y de la gran resolución de los radares de milimétricas. Son diseñados para permitir navegar cerca del suelo y en pobres condiciones meteorológicas. Trabajan a 35 GHz y permiten presentar al piloto una imagen tridimensional del terreno y posibles obstáculos. Un claro ejemplo de este tipo de radar es el Romeo II Obstacle Avoidance Radar5 también fue diseñado con propósitos parejos al anterior sistema. Este sistema radar emplea un transmisor/receptor de estado sólido que opera con una frecuencia de 94 GHz que destaca por sus dimensiones reducidas que le permiten ser adaptable a cualquier plataforma aérea. Radares de medio y corto alcance para plataformas vulnerables. Es el caso del radar de control de fuego AN/APG-78 Longbow6, consta de un radar de milimétricas que se monta en los mástiles de los helicópteros Apache. Sus principales prestaciones son la gran precisión en la localización de los blancos y el uso de señales LPI que dificultan su detección y, por tanto, la del helicóptero. Radar de seguimiento y tiro para sistemas de armas V/SHORAD. Esta puede ser una aplicación idónea para sistemas de armas cañón debido a que requieren ser dotados de radares de seguimiento y tiro de gran precisión para el posicionamiento del objetivo. Ésto supone un factor muy importante a la hora de minimizar errores para batirlo donde el alcance no supone un condicionante determinante. El Flycatcher7 es un ejemplo de este tipo de radar que dispone de una versión que trabaja en la banda K de 20 a 40 GHz para adquisición de objetivos a corto y muy corto alcance. Radares sobre aviones no tripulados (UAV’s). El uso de este tipo de plataformas aéreas hoy en día es una es una tendencia cada vez más extendida. Uno de los principales sistemas que hacen posible este tipo de proyectos son los radares de milimétricas que poseen la capacidad para reconocer el terrero y procesarlo para obtener el posicionamiento del aparato, además de misiones de inteligencia y 5 Romeo II obstacle avoidance radar [online]. Disponible en : https://janes.ihs.com/CustomPages/Janes/DisplayPage.aspx?DocType=Reference&ItemId=+++ 1531902&Pubabbrev=JC4IA [Accedido en 2014] Janes’s Avionics (2012), AN/APG-78 Longbow [online]. Disponible en : https://janes.ihs.com/CustomPages/Janes/DisplayPage.aspx?DocType=Reference&ItemId=+++ 1339188&Pubabbrev=JAV_ [Accedido en 2014] 6 7 C4ISR & MISSION SYSTEMS: LAND. (2013) [online]. Disponible en: https://janes.ihs.com/CustomPages/Janes/DisplayPage.aspx?DocType=Reference&ItemId=+++ 1504094&Pubabbrev=JC4IL [Accedido en 2014] 14 reconocimiento cuando la situación meteorología no permite el uso de sensores ópticos o IR. Radares contra morteros. Por las características técnicas estudiadas, un radar de milimétricas, es muy apropiado para la localización de proyectiles de tiro curvo viéndose restringido a morteros por su alcance reducido. Debido a la reducida sección equivalente radar de los proyectiles y la gran resolución de este tipo de radares. Radares de medición de velocidad inicial de proyectiles. Esta es una aplicación muy efectiva para radares de milimétricas porque este es capaz de medir velocidades con una precisión muy alta, además el culote del proyectil posee unas dimensiones muy pequeñas luego se precisa de un radar de longitudes de onda similares o inferiores para que se produzcan ecos efectivos sobre dicha superficie y poder medir su velocidad, no son necesarios grandes alcance por lo que la atenuación atmosférica no supone un gran problema. El equipo debe ser de pequeñas dimensiones y gran robustez. Radares de alerta temprana. Últimamente se están desarrollando sistemas radar de vigilancia perimetral de zona (Perimeter Surveillance Radar Systems) 8 que consiste en el establecimiento de una red de vigilancia dotada de uno o varios sensores con una unidad de control y una unidad de visualización que proporciona una cobertura de 360º ante cualquier alerta intrusa o intento de poner en peligro el perímetro asegurado. 4.2. Cámaras de milimétricas. Su funcionamiento es análogo al de las cámaras que trabajan en la banda de infrarrojos. Como en ellas, en la banda de milimétricas lo que se detecta es la energía emitida por los cuerpos mediante una antena con una resolución angular suficiente para permitir obtener imágenes tanto de día como de noche. Como inconveniente frente a las primeras destaca la menor calidad de la imagen, el mayor tamaño físico de la antena y la necesidad de realizar una exploración mecánica para formar la imagen, todo ello consecuencia directa de la mayor longitud de onda. Sin embargo tiene algunas ventajas en ciertas aplicaciones derivadas de su mayor inmunidad frente a malas condiciones meteorológicas y, sobre todo, de su capacidad de penetración con respecto a los infrarrojos. Además permite la localización pasiva de objetos debajo de las ropas o incluso detrás de paredes. Las principales aplicaciones para esta tipología de cámaras son las siguientes: Arcos o escáneres corporales de seguridad para la detección de armas (sean metálicas, cerámicas o de otros materiales) y explosivos. Determinados metales tienen la peculiaridad que a estas frecuencias son altamente reflectantes, por lo 8 Perimeter Surveillance Radar System (PSRS). (2013) [online]. Disponible en: https://janes.ihs.com/CustomPages/Janes/DisplayPage.aspx?DocType=Reference&ItemId=+++ 1498338&Pubabbrev=JC4IL [Accedido en 2014] 15 que en consecuencia son del mismo modo, fácilmente detectables. Este tipo de dispositivos los podemos ver hoy en día en cualquier lugar como por ejemplo en los controles de seguridad en aeropuertos o edificios públicos o en un ambiente más militar en los controles de acceso a dependencias o instalaciones militares tanto en territorio nacional como en teatro de operaciones así como por ejemplo la detección e identificación a cierta distancia de un terrorista suicida con explosivos próximo al perímetro de una instalación que se desea proteger. Las Figura 10 Imagen de cámaras en banda de milimétricas cámaras de milimétricas a diferencia de la tecnología de rayos X, son cámaras pasivas con lo que no necesitan “radiar” sobre el escenario a analizar y pueden utilizarse sobre personas para la detección de objetos ocultos o armas bajo la ropa. Aunque en países como EEUU ha surgido legislación que restringe su uso por violar la intimidad de las personas. Ayuda a la navegación y pilotaje a través de nubes, niebla y humo (EVS, Enhanced Visión System), para conducción con niebla o en condiciones donde el firme genere condiciones de baja visibilidad como puede ser las tomas de helicópteros en superficies desérticas. Observación de la superficie terrestre desde vehículos aéreos bajo condiciones de baja visibilidad. Dentro del ámbito militar esta es una de las principales aplicaciones de este tipo de cámaras. Pueden formar parte de UAV para la obtención de inteligencia en aquellas condiciones cuando nuestros medios ópticos no son eficientes. 4.3. Munición inteligente. Va a ser en el ámbito de las municiones donde a priori el empleo de dispositivos que trabajan en banda milimétrica va a suponer un gran avance cualitativo. La justificación de estas armas frente a las municiones convencionales radica en que su alta probabilidad de impacto hace que pueda disminuirse drásticamente el coste por 16 blanco destruido, es decir a pesar de que son notoriamente más caras, a la larga resultan ser más rentables por su alto grado de eficiencia. Dentro de esta tipología de armas inteligentes pueden distinguirse dos grandes grupos. En primer lugar están aquellas que, utilizando la técnica “Hit to Kill”, es decir un radar monoestatico integrado dentro de la munición, guía la cabeza de guerra hasta el blanco, este tipo de munición es conocida con la denominación de TGM’s (Terminally Guided Munitions). Por otro lado, nos encontramos otro tipo de munición que usan la técnica “Shoot to Kill” donde las municiones, dotadas de un sensorespoleta, son lanzadas a las Figura 11 Tipología de armas inteligentes proximidades del blanco y allí el sensor, tras detectarlo, apunta y activa la carga. Éstas se conocen como SFMs (Sensor-Fused-Munitions). 4.3.1 Municiones con guiado terminal A este grupo corresponden los sistemas desarrollados para artillería en el programa MLRS-TGW (Múltiple Launch Rocket System-Terminally Guided Warhead) y consiste en un lanzador múltiple de cohetes, más o menos convencional, capaz de lanzar rápidamente un gran número de proyectiles. Estos disponen de una cabeza buscadora capaz de explorar en una gran área, localizar los blancos y dirigir la cabeza de guerra hacia él. La principal característica de estos subsistemas es que deben minimizarse las falsas alarmas, lo que requiere complejos sensores de milimétricas y procesadores de señal. 4.3.2 Municiones con sensores-espoletas Este tipo de municiones está constituido por espoletas de proximidad y cabezas buscadoras de sistemas de guiado activo para misiles. Suponen un avance tecnológico frente a los actuales componentes que realizan están funciones en las bandas de microondas. Además del menor tamaño se obtiene una gran protección frente a contramedidas electrónicas pues apenas hay equipos de guerra electrónica en las bandas de milimétricas. A este grupo pertenecen los desarrollos del programa SADARM (Search And Destroy ARMor). Esta munición implica una aproximación totalmente diferente al problema. Se trata de submuniciones con un rango operacional significativamente menor que en el caso anterior: unos centenares de metros. 17 4.4 Radiómetros imagen Un radiómetro es un instrumento capaz de detectar la intensidad de energía electromagnética. La detección y localización de blancos sobre la superficie terrestre mediante radiómetros en ondas milimétricas se basa en que cuando se observa la superficie terrestre desde arriba, la señal recibida está compuesta por las emisiones de los objetos que entran en el haz de la antena, una parte debida a las emisiones propias de los objetos por estar a cierta temperatura y otra reflejada de las emisiones del cielo. Cada objeto tiene una emisividad característica ε (0 < ε <1) de modo que la energía que recibirá el radiómetro, considerando la atmosfera transparente, será proporcional a: Na + Nb = KTobjetoB +KTreflejadoB = Kη[ εT + (1-ε) Tsky]B Donde T es la temperatura física del objeto, Tsky la temperatura radiométrica del cielo (entre 60o y 180oK, según el estado de la atmosfera), η<1 la relación entre el área del objeto y el área iluminada, K: constante de Boltzmann (1,38 10-23 J/oK) y B: ancho de banda del receptor. Como se ha indicado, esta técnica se ha utilizado con éxito en la implementación de espoletas pero son evidentes las posibilidades de utilizarla para el guiado de vehículos no tripulados e intermedio de misiles mediante la comparación con mapas electromagnéticos previamente almacenados. De hecho se está considerando la sustitución de la técnica TERCOM (Terrain Contour Matching), actualmente utilizada en los misiles de crucero Tomahawk y ALCM. La nueva técnica se conoce como RAC (Radiometric Area Correlator) y se basa en la medida de la temperatura radioeléctrica de los diferentes puntos del terreno. Los nuevos sistemas permiten superar la principal dificultad de la primera, pues no requiere variaciones significativas del terreno para poder operar. Radiómetro a 95 GHz Fotografía Figura 12 Imagen terrestre de un radiómetro a 95 GHz 18 4.5 Otras aplicaciones Son muchas las aplicaciones que pueden tener las ondas milimétricas en el ámbito de los radares pero no menos importante pueden serlo en cuanto a comunicaciones se refiriere. Podemos empezar mencionando que el uso de esta tecnología puede realizar un enlace data link entre los satélites trabajando a 60 GHz, mejorando notablemente la transferencia de información por el aumento de ancho de banda de la señal. Debido a que casi no hay oxígeno en el espacio a altitudes geosincrónicas de 43.000 kilómetros, el uso de sistemas que trabajan a la frecuencia de 60 GHz funcionan bien para la comunicación entre los satélites. Esto se ve claramente repercutido en el uso de terminales de telecomunicaciones vía satélite que utilizamos hoy en día en operaciones pudiendo implementar aplicaciones para la transmisión de paquetes de datos de mayor volumen. La teledetección por satélite trabaja en torno a los 60 GHz y puede determinar la temperatura en la atmósfera superior, midiendo la radiación emitida por las moléculas de oxígeno que es función de la temperatura y la presión. De todos es sabido que la meteorología juega un papel muy importante a la hora de la conducción de una operación, de manera que su predicción es importante a la hora de realizar el planeamiento. Del mismo modo la utilización de radios que trabajen a frecuencias de milimétricas nos puede ayudar a crear redes inalámbricas para puestos de mando. “Wireless Gigabit Alliance” o también conocida como “WiGig”9 es una organización que promueve la tecnología que utiliza velocidades multi-gigabit en comunicaciones inalámbricas operando sobre la banda de frecuencia de 60 GHz. Es decir, permite a los dispositivos comunicarse sin cables a velocidades multi-gigabit, permitiendo transferencias inalámbricas de alto rendimiento de grandes cantidades de datos. Además hay que sumarle la ventaja de la dificultad que requiere perturbar las comunicaciones en esta banda de frecuencias. Sin embargo por lo que como hemos visto a lo largo del trabajo no puede transmitir a través de las paredes, ya que esta tecnología la podemos considerar de línea de visión directa. 5 CONCLUSIONES Como hemos podido extraer a lo largo del estudio de las ventajas e inconvenientes de los radares de milimétricas y de sus posibles aplicaciones podemos concluir que estos dispositivos nos van a aportar una mejora cualitativa muy importante por la cantidad de información que nos pueden aportar en unas condiciones en las cuales radares con frecuencias de trabajo superiores o inferiores no son eficaces. Del mismo modo apoyándose en el principio de armas complementarias puede resultar la opción más adecuada para innumerables aplicaciones según que misiones. La banda de las milimétricas se caracteriza por encontrarse en un punto intermedio entre los infrarrojos y las microondas, lo cual le otorga la capacidad de cubrir las deficiencias que estas no son capaces de solventar. Por otro lado es preciso decir que los radares de milimétricas arrastran una serie de servidumbres, principalmente la gran atenuación atmosférica, que pueden limitar nuestras Yolanda Belinchón Monjas (2013) “Circuitos dobladores de frecuencia en bandas milimétricas” [online]. Disponible en: http://e-archivo.uc3m.es/handle/10016/18527 9 19 capacidades. El uso de los radares de milimétricas de una manera óptima está supeditado a la gran potencia necesaria para conseguir un empleo eficaz. La gran atenuación atmosférica que sufre esta banda de frecuencias le hace requerir mayor potencia para aumentar su propagación. Unos de los principales problemas que presenta el uso de esta tipología de tecnología es que se encuentra todavía en estado poco maduro. A pesar de que los últimos avances tecnológicos en el desarrollo e implementación en radares de dispositivos MMIC (Microwave and Millimeter-wave Monolithic Integrated Circuits), todavía no se ha logrado una consolidación en el mercado. Los altos costes e inversión que supone el desarrollo de estos radares hacen que el proceso evolutivo sea lento, viéndose empleado en aplicaciones donde el alcance no supone un factor limitante. La miniaturización de los equipos radar unida al abaratamiento de los costes de producción serán las dos bazas fundamentales en la implantación de los radares de milimétricas en sus variadas aplicaciones. La reducción del tamaño de los equipos permitirá así mismo disminuir el tamaño de las plataformas aumentando sus capacidades stealth. Además como se ha desarrollado a lo largo del trabajo, al utilizar frecuencias milimétricas aumentamos la capacidad de interceptación de aeronaves enemigas, es decir la sección equivalente radar, viéndose reducida su capacidad stealth y aumentando la supervivencia de la unidad. La creación de imágenes con este tipo de radares se reduce a distancias muy cortas, por lo que como en una primera hipótesis se planteó, podemos descartar su utilización para obtener información de la amenaza aérea a mayores distancias, como por ejemplo el armamento que porta o la tipología de la aeronave. Para obtener tal precisión debemos acercarnos a rangos de frecuencias más próximas al infrarrojo con los inconvenientes que este acarrea. En definitiva apoyándonos en las características técnicas que proporcionan los radares de milimétricas podemos decir que son apropiados para alcances cortos puesto que la atenuación atmosférica disminuye notablemente la propagación de la señal para trayectorias largas, siendo por las características que presentan son muy apropiados para radares de seguimiento y tiro. Por lo tanto pueden representar el complemento ideal a sistemas de armas de baja y muy baja cota. Hemos podido comprobar que las aplicaciones de este espectro infrautilizado son muchas y sus posibilidades presentan un futuro muy prometedor. Su uso por parte de la artillería va a suponer una revolución en los actuales sistemas de armas, consiguiéndose unas capacidades de adquisición, localización y seguimiento óptimas para aumentar la probabilidad de destrucción de los objetivos. 20 BIBLIOGRAFÍA ARROYO ORTE, EDUARDO. Trabajo académico dirigido. Radares de ondas milimétricas: aplicaciones militares. Academia de Artillería. Segovia.1998. 68 páginas. ALMOROX GONZÁLEZ, PABLO. GONZÁLEZ PARTIDA, JOSÉ TOMÁS. BURGOS GARCÍA, MATEO. CARRETERO MOYA, JAVIER. ASENSIO LÓPEZ, ALBERTO. Aplicación de radares de alta resolución en milimétricas para detección de FOD. Dpto. de Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones. Universidad Politécnica de Madrid. CARIAS SOBRINO, OSCAR. Trabajo académico dirigido. Radares de alta resolución. Fundamentos y aplicaciones. Academia de Artillería. 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