¿Cómo pueden saber los policías a qué velocidad andaba usted en una rúa, mediante el uso de ondas de radio de altísima frecuencia ? ”EL RADAR”, instrumento utilizado para esa finalidad, tiene aplicaciones mucha más sofisticadas conexo ef control aéreo y la detección de enemigos. Vea en este artículo cómo funciona este equipo de gran utilidad.
Nota: el articulo es de 1988.
Si pensamos en la naturaleza, veremos que el radar no es una novedad fruto de ia imaginación humana.
Animales bien conocidos emplean un sistema similar de detección en provecho propio sin necesidad de circuitos electrónicos ni dispositivos.
E! murciélago puede volar en la oscuridad absoluta sin chocar con los obstáculos pues detecta su presencia mediante un sofisticado sistema de orientación cuyo principio de funcionamiento es el mismo que nosotros empleamos en los modernas Radares.
Lo que posee el murciélago en realidad es un Sonar, pues se basa en ondas de sonido y no de radio, pero si comprendemos su funcionamiento, será fácil transportar las explicaciones a los equipos cie Radar.
Los murciélagos pueden emitir sonidos de corta duración y de frecuencia altísima por arriba de 40 kHz, los que por su pequeña longitud de onda se reflejan con facilidad en los objetos que encuentran en el camino.
El sistema de audición es extremadamente sensible y puede percibir los ecos débiles de los objetos y así se puede determinar en qué dirección se encuentran.
EI tamaño mínimo del objeto que puede detectarse por el eco depende del tamaño de la onda incidente. Si el objeto fuera mucho menor que la longitud de la onda incidente, la onda pasa por el objeto sin detectarlo y no hay eco para percibir. (figura 2)
En la práctica se revela que no es posible detectar un objeto si este es menor quela décima parte de la longitud de la onda usada.
Los experimentos con murciélagos en una jaula que contiene diversas rejas con barrotes finos, revelan que éstas se rodean con facilidad si son más gruesas que 1/10 de la longitud de onda emitida. Si fueran más finas los murciélagos baten las alas con frecuencia, informando que no funciona su sistema de sonar. (figura 3)
El sonar usado por los murciélagos es un sistema de orientación que permite la detección de objetos por el reflejo de la onda sonora.
El murciélago mismo se encarga de emitir esa onda en forma de grifes ultrasónicos de cierta duración. Sus oídos son el sistema de "antenas" capaces de recibir el eco de los objetos, de analizar su naturaleza y hasta su movimiento.
Un sistema similar al del sonar se usa en las embarcaciones como ilustra la figura 4, para detectar cardúmenes de peces y saber a qué profundidad se encuentran.
Historia del Radar.
El mismo Heinrich Hertz que descubrió las ondas de radio durante el siglo pasado, sugirió que podrían usarse para detectar la presencia de objetos distantes.
En sus experimentos verificó que las ondas cortas producidas por su equipo, de una frecuencia equivalente a 500 MHz, se reflejaban en distintos tipos de objetos. La longitud correspondiente & esta frecuencia es de 60 cm, lo que nos da una idea del tamaño mínimo de los objetos que podrían detectarse.
En 1903, un investigador dinamarqués Christian Huelsmeyer, hizo experiencias con el detector de ondas de radio que se reflejaban en objetos grandes, en este caso barcos.
Marconi decía en la misma época que podrían usarse las ondas de radio para auxiliar la navegación, sin sospechar que un tiempo después serían indispensables.
El desarrollo más importante que llevó el Radar a lo que conocemos lo hicieron dos investigadores norteamericanos: Gregory Briet y Merle Tuve, que estaban estudiando los misterios de la alta atmosfera incluyendo la propagación de las ondas de radio y la detección de tormentas.
Estos científicos desarrollaron un método que consiste en enviar un pulso de corta duración a partir de un transmisor y recibir después el eventual eco.
Estudiando el eco pensaban determinar la distancia en que ocurría en la capa alta de la atmósfera la reflexión de las ondas.(figura 5)
Problemas de potencia
Producir un pulso de ondas de radio y esperar el eco es el principio básico del radar.
Pero, por simple que parezca, las dificultades técnicas eran muchas, y lo son para quienes pretendan montar algún sistema "casero".
EI problema principal es la potencia del pulso que debe producirse y la longitud de onda.
Según ya dijimos, la longitud de onda tiene que ser muy corta, lo que implica una frecuencia muy alta, si quisiéramos detectar objetos de dimensiones razonables.
Por otra parte, la potencia debe ser alta para que cuando tengamos un objeto de pequeñas dimensiones o que esté muy lejos, podamos disponer de una cantidad de energía reflejada que pueda detectarse.
En resumen: cuanto mayor es la potencia, más eco tendremos y más fácil resultará la detección del objeto.
En las fases iniciales, cuando se pensaba en desarrollar un sistema eficiente de detección a distancia mediante ondas de radar, no existían dispositivos capaces de producir ondas de radio de altas frecuencias como las exigidas, con potencias razonables.
El primer dispositivo práctico capaz de producir oscilaciones en altas frecuencias fue la válvula Magnetrón, creada en 1921. (figura 6)
Su nombre se debe al hecho de que un haz de electrones se espirala en un campo magnético de un imán produciendo ondas de cortísima longitud en la banda de algunos centímetros.
Estas microondas no tienen mucha potencia, apenas algunos miliwatts, pero aún así, los primeros radares que usaban este tipo de componentes podían detectar un avión a 70 kilómetros de distancia!
Hasta 1935 sólo existían tres maneras de generar señales de alta frecuencia para las aplicaciones del Radar: Ia válvula Magnetrón, la válvula osciladora de Barkhausen y el sistema de centelleo.
Las señales generadas se conducían hasta una antena por un único sistema: alambres conductores.
Pero se produjeron adelantos: ya en 1897 Lord Rayleigh había dicho que las ondas podrían "canalizarse". Eso aún no se había hecho por las dificultades en producir las ondas.
Fue entre 1936 y 1940 que el investigador doctor Len Jen Chu, de Estados Unidos, desarrollo Ia teoría de la "guia de onda" que permitió el uso práctico del dispositivo para conducir señales de radio. (figura 7)
En esa misma época, como ayudante del dector Hansen en Stanford, probó que una cavidad que resonase en una frecuencia determinada era equivalente a bobinas y capacitores, pudiendo servir como generador o sintonizarse como un circuito.
En 1937 apareció el dispositivo que haría avanzar más el Radar: Ia válvula Klystron.
Este tipo de válvula podía producir una potencia de 1 watt en una longitud de onda de 10 centímetros.
La proximidad de la segunda guerra mundial trajo más adelantos a este importante sistema de la defensa.
Ya en aquella época, los alemanes perfeccionaban un sistema, el tubo de rayos catódicos,, aunque en Alemania no se lograba producir señales de microondas de suficiente intensidad para detectar objetos a distancia.
Los nazis ya estaban trabajando sobre la idea de un detector de objetos mediante ondas de radio (Radar) basados en informaciones obtenidas por espías en Japón, Estados Unidos e Inglaterra pero no avanzaron mucho en ese campo (felizmente).
EI adelanto final llegó con el desarrollo del Magnetrón de Cavidad Resonante.
Un grupo de científicos ingleses dirigidos por M.L.H. Oliphant, trabajo con el magnetrón tradicional y le agregó una serie de cavidades resonantes descubiertas en esa época, consiguiendo que la válvula generase microondas de una potencia mucho más alta.
De hecho, el primer magnetrón de cavidad resonante fue capaz de producir 10.000 watts de potencia en una longitud de onda de 10 cm.
Si bien las aplicaciones inmediatas de esos radares fueron de tipo militar (detección de aviones y barcos.) los experimentos iniciales se hicieron para detectar vehículos en movimiento, y se dijo que un día se usarían en las calles como auxiliares de la policía.(figura 8)
Después el desarrollo más importante de componentes para radares fue el Diodo Gunn. Este semiconductor puede generar señales de frecuencias altísimas (microondas) y detectadas muy fácilmente.
Los detectores de Radar, como el de la figura 9, son comunes (y permitidos en algunos estados norteamericanos) y se instalan junto al espejo retrovisor del vehículo.
Cuando la señal del radar de la policía llega al sensor, se dispara un alerta que da tiempo al motorista para reducir su velocidad antes de entrar al campo de acción. Neste sitio tenemos un artículo sobre el importante componente que es el diodo Gunn, ya que también tiene aplicación en otros campos, como por ejemplo la recepción de señales de TV del espacio (via satélite).
Y finalmente el Radar
Como hemos visto un sistema de Radar simplificado consiste en un emisor de ondas de radio y un receptor capaz de captar ecos provenientes de un posible obstáculo.(figura 10)
El tipo más simple de radares el que emite impulsos de corta duración. La misma antena emisora puede usarse para recibir los ecos ya que el transmisor sólo queda conectado durante el corto intervalo que dura la emisión.
En una pantalla como la que aparece en la figura 11 podemos detectar exactamente la distancia y la posición de un objeto por la posición de la antena y el tiempo de retorno de la señal.
Otro tipo de Radar es el de onda continua (CW) en el que el transmisor opera continuamente y el receptor, que está conectado a otra antena, capta el eco.
Este tipo de Radar, es una versión casera, puede usarse para detectar intrusos. (figura 12)
Las frecuencias utilizadas en los sistemas de Radar están separadas en bandas como se muestra en la tabla. Vea que las frecuencias son elevadísimas, sobre todo las que encontramos en los sistemas utilizados por la policía caminera, que están en la banda 8 y la X de 8.200 MHz a 12.400 MHz y de 1.700 a 2.400 MHz.
¿Por qué una frecuencia tan alta?
La necesidad de detectar objetos en movimiento y determinar su velocidad es la responsable del, uso de esas frecuencias. La diferencia de velocidad entre la onda de radio y el vehículo en movimiento es tan grande que exige esas frecuencias.
El Radar utilizado por la policía es de un tipo especial denominado Doppler, porque puede también señalar la velocidad del objeto detectado.
Veamos cómo se logra ésto.
El efecto Doppler y el Radar de la policía
Imagine un vehículo que se desplaza con velocidad constante tocando la bocina (que posee una frecuencia fija).
Cuando el vehicule se acerca a una persona, las ondas emitidas se contraen en la dirección del movimiento, llegando en mayor cantidad al oído. En esas condiciones e! sonido que se escucha es más agudo que el normal.
Cuando el vehículo se aleja las ondas se "alargan" y por consiguiente Ilegan en menor cantidad. EI sonido se percibe como más grave que el normal. (figura 13)
La alteración se percibe instantáneamente cuando el vehículo pasa delante de la persona. Lo importante es que esta alteración no se debe a que el sonido sufra modificaciones en su calidad, pues el conductor del vehículo no las percibe, sino que se debe al hecho de que el emisor está en movimiento.
Conociendo la frecuencia del sonido alterado y del sonido original, y la velocidad del sonido, puede calcularse la velocidad del vehículo. (figura 14)
Este efecto, denominado Doppler en honor a su descubridor, también se produce con ondas de radio y con las luminosas.
En el caso de las ondas de radio, si emitimos una señal y ésta se refleja en un objeto en movimiento, el eco tiene la frecuencia distinta. Será mayor si el objeto se acerca a la fuente emisora y menor si el objeto se aleja.
También en este caso, si conocemos la velocidad de propagación de las ondas de radio y la frecuencia de emisión, por la frecuencia del eco podemos determinar ia velocidad del objeto.
En un montaje sofisticado, el equipo puede graduarse para convertir Ia frecuencia de la serial reflejada, directamente en velocidad y, yendo más allá, excitar una alarma si la velocidad supera el valor prefijado.
El Radar de la policía funciona según este principio.
En una posición estratégica de la ruta, se monta el sistema que emite señales de manera que peguen de frente en el vehículo pues. el efecto exige eso para que la velocidad media sea ia real. Si la sena! se reflejar en una trayectoria oblicua, tendremos la medida de una componente de la velocidad que depende del ángulo en que se mida, según lo sugiere la figura 15.
Se mide la frecuencia de la señal reflejada por el vehículo y se la compara con la serial emitida. Con esos valores se calcula la velocidad de desplazamiento del móvil.
Un sistema automático puede avisar directamente, a un vehículo ubicado a una cierta distancia, que el móvil pasó a una velocidad mayor de la limite y entonces se Io detiene.
Hay factores que pueden afectar la lectura de un sistema de Radar de este tipo.
La presencia de un objeto oscilante en la estructura del vehículo, como una lámina o una hélice, puede introducir reflexiones que tienen la frecuencia alterada por una velocidad virtual.
No seria exagerado decir que una vieja carrindanga con un ventilador en su carrocería, que se desplaza a no más de 40 kilómetros por hora, debido al movimiento de la hélice puede señalar en el radar policial una velocidad de 180 o más kilómetros por hora, ante el asombro general.
Y entonces hay que convencer al patrullero de que el efecto Doppler vale también para objetos con velocidad virtual...