INSTRUMENTOS EPÓNIMOS

Radar pulsado

El radar Doppler pulsado es un sistema de radar capaz no sólo de medir el rumbo, distancia y altitud de un objeto, sino también de detectar su velocidad. Su sistema de localización se basa en emitir trenes de pulsos a una frecuencia determinada y utilizar el efecto Doppler para determinar la velocidad transversal relativa de los objetos. Este tipo de radares presentan ambigüedad en la medida de distancias por lo que no son muy útiles para labores de localización.

Fundamento físico[editar]

El radar Doppler se basa en el hecho de que objetos en los que existe movimiento con respecto al radar en la componente perpendicular a la dirección de iluminación producen una alteración en la frecuencia de la onda electromagnética cuando esta incide sobre ellos. Los objetos que se acerquen a la fuente influirán positivamente en la frecuencia del eco que produzcan y objetos que se alejen influirán negativamente en esta relación, siendo mayor la frecuencia de la onda emitida por la fuente que la del eco. La diferencia entre las frecuencias emitidas y recibidas permiten calcular la velocidad del objeto en movimiento.

El cálculo de la velocidad se basa en el conocimiento previo de la frecuencia del radar, de la velocidad de la luz, del número de pulsos emitidos por segundo y de la diferencia entre la frecuencia emitida y la producida por su eco.

${\displaystyle f'=f.{\bigg (}{\frac {v\pm v_{o}}{v\mp v_{s}}}{\bigg )}}$

Demodulación de señales[editar]

El receptor de video procesa con filtos de velocidad doppler o circuitos de procesado de señales digitales que se usan para determinar velocidad. Los más modernos radares de pulsos Doppler demodulan las señales de entrada de radiofrecuencia hacia una frecuencia central en cero, anterior al muestreo digital. Eso se hace para reducir sesgos computacionales, ya que la señal demodulada puede ser rebajada pesadamente y así reducir el monto de datos necesarios de almacenar. La señal resultante es usualmente referida a complejo demodulado, o IQ-data, donde IQ da en-fase y en cuadratura-fase, reflejando el hecho de que la señal es un número complejo, con una parte real y otra imaginaria.

Por ejemplo, una señal modulada puede ser ${\displaystyle S(t)=\cos(\omega _{0}t+\phi (t))}$, y luego puede ser demodulada usando:

${\displaystyle IH(t)=S(t)\cos(\omega _{0}t)}$ y ${\displaystyle QH(t)=S(t)\sin(\omega _{0}t)}$

Usando un filtro de bajo paso en ambos IH(t) y en QH(t) permite lo siguiente:

${\displaystyle I(t)=\cos(\phi (t)+\Phi )}$ y ${\displaystyle Q(t)=\sin(\phi (t)+\Phi )}$

Note que I(t) no sería suficiente debido a que la señal se pierde. Teniendo a I(t) y a Q(t) permitirá al radar apropiadamente mapear y proveer velocidades Doppler.

Efecto Doppler.

Un radar Doppler es aquel radar que usa el efecto Doppler en los ecos de retorno de blancos para medir su velocidad radial. Para ser más específico, la señal de microonda enviada por el haz direccional en la antena de radar se refleja hacia el radar y se comparan las frecuencias, arriba o abajo desde la señal original, permitiendo mediciones directas y altamente seguras de componentes de velocidades de blancos, en la dirección del haz. Los radares Doppler se usan en defensa aérea, control del tráfico aéreo, sondeo de satélites, radar policial de velocidad¹​ y en radiología.

Los recientes radares meteorológicos procesan velocidades de precipitaciones por la técnica del radar de impulsos Doppler, al tope de sus intensidades. Esto es un diferente y ligeramente tratamiento de los datos Doppler que ha sido publicitado mucho en EE. UU., de tal modo que el término radar Doppler es frecuentemente usado equivocadamente por el neófito para significar radar meteorológico.

Este fenómeno conocido como efecto Doppler lleva el nombre de Christian Andreas Doppler. Doppler fue un físico austríaco quien primero describe en 1842 como la frecuencia observada de la luz y las ondas sonoras estaban afectadas por el movimiento relativo de la fuente y del detector.

Esto es mayormente demostrado por el cambio en la onda sonora en un tren que pasa. El sonido de su bocina se hará "más alto" al irse aproximándose, y "más bajo" al alejarse. Esto se explica como sigue: el número de ondas sonoras que alcanzan el oído en un tiempo dado (esto se llama frecuencia) determina el tono percibido. El tono permanece igual tanto como el oyente y el tren no se muevan relativamente entre ellos. Al momento en que el tren se mueva hacia uno, el número de ondas sonoras alcanzando el oído en una cantidad dada de tiempo se incrementa. Así, el timbre de la sirena sube. Y al alejarse, baja el timbre.²​

Concepto básico[editar]

Un radar Doppler es un radar que produce mediciones de la velocidad como una de sus salidas. Estos radares pueden ser: de pulsado coherente, onda continua, frecuencia modulada. Un radar Doppler de onda continua (OC) es un caso especial que solamente provee "velocidad" como salida. Los primeros radares Doppler eran de OC, y luego rápidamente aparece el desarrollo de radares de frecuencia modulada (FM-OC), que modula la frecuencia del transmisor codificando y determinando rangos. Los radares OC y FM-OC pueden solo procesar un blanco normalmente, lo que limita su uso. Con el advenimiento de los radares de impulsos Doppler (IP) con técnicas digitales, y con los procesadores Doppler para radares de pulso coherentes, se resolvería esa cuestión.³​

La ventaja de combinar procesados Doppler a los radares de impulsos otorga velocidad a información segura. Esa velocidad se llama Tasa de Rangos: describe la tasa a la que el blanco se mueve hacia o contra el radar. Un blanco sin tasa de rangos refleja una frecuencia cercana a la frecuencia del transmisor, y no podrá detectarse. El clásico blanco cero Doppler es aquel que está posicionado tangencialmente al haz del radar. Básicamente, cualquier blanco posicionado a 90º en relación al haz de la antena no podrá ser detectado en su velocidad (solo por su reflectividad convencional).

Los radares FM se desarrollaron durante la segunda guerra mundial para su uso en la aviación US Navy. Se usó el espectro UHF, y transmitía con una antena Yagi en el ala de babor, y la antena receptora Yagi en el ala de estribor. Esto permitió a los bombarderos volar a una velocidad óptima al aproximarse a blancos de buques. Más tarde con el desarrollo de magnetrones y microondas haciéndose disponibles, el uso del radar FM cayó en desuso.

Cuando la transformada rápida de Fourier se hizo disponible digitalmente, inmediatamente se conectó a radares de pulsos coherentes, extrayendo información de la velocidad. Estó probó utilidad tanto en radares meteoro como de control del tráfico aéreo. Así la determinación de la velocidad da otra entrada al software del tracker, mejorando el tracking. Debido a la baja frecuencia de repetición de pulsos (PRF) de muchos radares de pulsos coherentes, que maximiza la cobertura en rango, limitando la cantidad de procesado Doppler. El procesador Doppler puede solo procesar velocidades de ±1/2 que la PRF del radar. Esto no es ningún problema en radares meteo.⁴​

Los radares especializados rápidamente se realizaron cuando las técnicas digitales se hicieron confiables. Así los radares de pulsos Doppler combinan más beneficios de largo rango, y capacidades de alta velocidad. Los radares de impulsos Doppler usam de media a alta PRF (en orden de los 30 kHz).⁵​ Esta alta PRF permite detectar o blancos de alta velocidad, o mediciones de velocidad de alta resolución. Normalmente o es una u otra, esto es, un radar diseñado para detectar blancos de cero a Mach 2, no teniendo una alta resolución en velocidad, y por el contrario un radar diseñado para medir con alta resolución velocidades no provee un amplio rango de velocidades. Los radares meteo son de alta resolución en velocidad, mientras los radares de defensa antiaéreatienen un amplio rango de detección de velocidad, pero su certidumbre en velocidad está en el orden de 10 nudos.

Los diseños de antenas para OC y FM-OC arrancaron como antenas separadas transmisora y receptora, antes del advenimiento de diseños de microondas. A fines de 1960s los radares de tráfico comenzaron a producirse con una sola antena. Esto se hizo posible por usar la polarización circular, y una guía de ondas multipuertos operando en la "banda X". Ya a fines de 1970s se cambia a polarización lineal y el uso de circuladores de ferrita, tanto en las bandas X y K. Los radares de PD operan a muy altas PRF y usando un Tranceptor con llaves con llenado de gas, y muchos usan dispositivos de estado sólido para proteger al receptor con Amplificador de Bajo Ruido, cuando el transmisor se recalienta.

Radiómetro de Crookes.

Un radiometro en funcionamiento.

El radiómetro de Crookes o molinillo de luz (light-mill) es un dispositivo inventado en 1873 por el químico inglés William Crookes. Consiste en cuatro brazos que sostienen cada uno un álabe o placa en sus extremos, pintados de blanco de un lado y de negro del otro. Los cuatro brazos que soportan las placas están suspendidos en una aguja y sostenidos por un eje de vidrio para disminuir en lo posible la fricción. Este molinito se encuentra dentro de una esfera de vidrio sellada y en la que se ha realizado un vacío parcial.

Los álabes rotan al ser expuestos a luz, siendo más rápido el giro cuanto más intensa es la luz incidente. Eso proporciona una medida cuantitativa de la intensidad de la radiación electromagnética. La explicación de la rotación de este dispositivo ha sido históricamente el motivo de mucha controversia científica.

Crookes tuvo la idea a raíz de algunas investigaciones químicas que realizaba. En el curso experimentos químicos que exigían medidas cuantitativas muy precisas, se hallaba pesando muestras en una cámara a vacío parcial, con el objeto de reducir el efecto de las corrientes de aire. De pronto, notó que el valor de las pesadas era perturbado cuando sobre la balanza incidía luz solar. Investigando ese efecto, creó el dispositivo que lleva su nombre. Todavía se fabrican y venden radiómetros de Crookes con propósitos recreativos o didácticos.

Funcionamiento[editar]

El momento de fuerza que genera el sistema de las placas es muy pequeño, ya que tanto la longitud del brazo como la masa de la placa son muy pequeñas, por lo que el eje debe estar muy bien equilibrado y debe tener rozamiento prácticamente nulo para que pueda rotar.

Crookes quería saber si la luz al chocar en una superficie ejercía alguna fuerza, así que pensó que la luz rebotaría en los lados plateados de las placas, mientras que sería absorbida por el lado ennegrecido. Si todo lo que hubiera fuera una pura transferencia de momento entre los fotones incidentes y las placas, tendríamos que las placas girarían de manera que el lado negro fuese delante, puesto que al absorberse ahí los fotones, se tomaría menos cantidad de movimiento o momento que en los lados plateados, donde los fotones son reflejados (rebotan). Pero Crookes se llevó una sorpresa al observar que su radiómetro giraba de manera contraria a lo previsto (el lado negro de las placas se alejaba de la luz).

Originalmente se pensó que el giro era producido por el calentamiento de los lados negros de las placas, pero en posteriores experimentos se comprobó que el radiómetro giraba en sentido opuesto de nuevo (lado negro yendo hacia la luz) si se enfriaba bruscamente. Esto contradecía esa hipótesis original y muchas otras teorías) ya que el lado claro no podía calentarse y producir con ello el giro.

La explicación fue hallada por dos grandes científicos, James Clerk Maxwell y Osborne Reynolds: el efecto real ocurre en los bordes de las paletas.

Básicamente, en el lado caliente, las moléculas del gas se están moviendo con una velocidad media más alta que los gases en el lado frío. Cuando las moléculas calientes golpean el borde de la paleta, en promedio producirán una fuerza en la paleta que está hacia el lado fresco. Puesto que la velocidad media de las moléculas calientes es mayor que la velocidad media de las moléculas frías, habrá una fuerza en la paleta hacia el lado fresco. A este efecto se le llamó 'arrastre térmico'.

En posteriores experimentos más avanzados y con un vacío casi perfecto se logró determinar que la luz sí ejerce una fuerza.

El radiómetro de Nichols es un aparato para medir la presión de radiación. Recibe su nombre del físico americano E. F. Nichols, quién lo ideara a finales del siglo XIX.

Consiste en un par de pequeños espejos de cristal plateados por una cara y suspendidos de una delgada fibra de cuarzo en equilibrio de torsión. Esto se halla encerrado dentro de un recinto en el cual se puede regular la presión de aire. El cabezal de torsión al cual está unida la fibra se puede girar desde el exterior por medio de un imán.

Para realizar las medidas se dirige un haz luminoso primero a un espejo y después al otro, y las desviaciones opuestas observadas se determinan con la ayuda de un espejo y una escala. La influencia del aire se puede comprobar girando el sistema de forma que los espejos reciban la luz por su lado no plateado. Originalmente se encontró que esta influencia era mínima, de valor casi despreciable, a una presión de 16 mmHg.

La energía radiante del haz incidente se determinó a partir de su efecto térmico sobre un pequeño disco de plata ennegrecido, método que se demostró más fiable que el bolómetro utilizado inicialmente.

El perfeccionamiento del aparato permitió a Nichols y Hull obtener en 1903 una medida de la presión de la radiación que no difería en más del 10% de la teórica. Otros experimentadores continuarían con su mejora hasta obtener un acuerdo entre las presiones de la radiación observadas y calculadas dentro de un margen del sobre 0,6%.

El radiómetro original construido por Nichols se conserva en la Smithsonian Institution.

A veces se confunde este aparato con el radiómetro de Crookes, en el que unas aspas giran dentro de un recinto en el que se ha llevado a cabo un vacío parcial. El movimiento observado en este caso se debe al efecto de las moléculas de gas remanentes, y no directamente a la presión de los fotones incidentes, como erróneamente se dice en los folletos de instrucciones de muchos radiómetros de Crookes vendidos con propósitos recreativos o didácticos.

Cabe decir que, mediante el radiómetro de Crookes, en posteriores experimentos más avanzados y con un vacío casi perfecto, también se logró determinar experimentalmente que la luz SÍ ejerce una fuerza.