Radar
O radar, é um dispositivo que permite detectar objetos distantes e inferir suas distâncias à antena direcional transceptora do rádio.
O radar tem suas raízes em uma série de pesquisas iniciais. Em 1887, Heinrich Hertz realizou experimentos de laboratório que comprovaram a existência das ondas de rádio e sua capacidade de serem refletidas. Esses experimentos foram realizados para testar a proposta de Maxwell de que havia diversas formas de radiação eletromagnética, das quais a luz era uma delas. Hertz e outros físicos subsequentes mostraram que essas ondas têm natureza semelhante à luz visível, pois também podem ser refletidas, refratadas e polarizadas. Ele descobriu que poderia interromper o efeito dessas ondas colocando uma placa de metal entre os espaços vazios e que uma placa posicionada ao lado do obstáculo refletiria as ondas. Para realizar as medidas descritas, Hertz criou um dispositivo que gerava uma onda de descarga de capacitor em uma vela de ignição, produzindo um arco. Essa energia foi transmitida através de uma antena e, através de outra antena, foi possível medir a quantidade de energia transferida. Infelizmente, Hertz não viveu para ver os frutos de seu trabalho, pois faleceu em 1894 aos 37 anos. No entanto, um dos seus méritos foi ter descoberto o conceito de "antena" para gerar ondas eletromagnéticas.
Um radar é composto por uma antena transmissora/receptora de sinais para Super Alta Frequência (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 ao alvo que está sendo monitorado, sendo então refletido, e, retornando para a antena, que neste momento é receptora de sinais. Como se sabe a velocidade de propagação do pulso, e pelo tempo de chegada do eco, pode-se facilmente calcular a distância do objeto. É possível também, saber se o alvo está se afastando, ou se aproximando da estação, isto se deve ao Efeito Doppler, isto é, pela defasagem de frequência entre o sinal emitido e recebido.
O equipamento de radar é composto de uma antena transceptora, da linha de transmissão, ou guia de onda, de um transmissor de alta potência e alta frequência, do sistema de recepção, decodificação, processamento e visualização das informações coletadas, além da mesa de interface entre equipamento e operador. A antena recebe o eco radioelétrico do sinal emitido no momento em que está comutada para recepção. Pelo fato de ser parabólica, reflete a radiofrequência em direção ao seu foco. O sinal é captado por um dispositivo localizado no ponto focal, este pode ser um dipolo, ou um pré amplificador de baixo ruído numa cavidade ressonante, neste momento, a radiofrequência se propaga através da linha de transmissão (No caso do pré amplificador estar localizado no foco) ou pela guia de onda em direção a um pré-amplificador localizado distante da antena. O comutador (ou duplexador) possibilita ao sistema de radar emitir sinais e recebê-los na mesma antena. Em geral, atua como um relê entre a antena e o conjunto transmissor/receptor.
Sistema de transmissão
O sistema de transmissão é composto por 3 elementos principais: o oscilador, o modulador, e o próprio transmissor. O transmissor fornece radiofrequência para a antena em forma de pulsos eletromagnéticos modulados de alta potência que são disparados contra a antena parabólica que remete-os unidirecionalmente em direção ao alvo.
Oscilador
A produção do sinal do radar começa no oscilador, que é um dispositivo que gera radiofrequência num comprimento de onda desejado. A maioria dos radares usa bandas de frequências de rádio (MHz- milhões de Hertz até centenas de milhões) ou de micro-ondas (GHz- dezenas de bilhões de Hertz). O dispositivo precisa produzir uma frequência estável, pois o radar necessita de precisão para calcular o efeito Doppler.
Modulador
O modulador, pode variar o sinal em amplitude ou frequência, conforme o caso. Num radar de pulso, o sinal é ligado e desligado rapidamente no oscilador, neste caso, o modulador faz a mistura de um comprimento de onda secundário à frequência fundamental. Da estabilidade do sinal gerado no oscilador e da modulação dependerá a qualidade do eco captado após atingir o alvo.
Transmissor
A função do transmissor é amplificar o sinal gerado no oscilador e misturado no modulador. Dependendo do ganho, um transmissor pode amplificar a potência de 1 Watt para 1 Megawatt. Os radares, em geral, necessitam enviar pulsos de alta potência, que após se propagarem, atingem o alvo e refletem numa espécie de eco. O sinal refletido, bem mais fraco que o emitido, é captado pela antena e amplificado novamente.
Antena
Depois que o transmissor amplifica o sinal no nível desejado, ele envia para a antena, que em alguns radares tem a forma de um prato de metal (Antena parabólica). As ondas eletromagnéticas, depois de geradas e amplificadas, são levadas por guias de onda em direção ao foco do disco parabólico. Disparadas contra a parábola, se propagam para o ambiente. O extremo de saída da guia de onda é localizado no foco da parabólica. Semelhante às ondas luminosas no foco de num espelho parabólico, as ondas de radar se propagam em direção à parábola e por esta são emitidas em unidirecionalmente ao alvo. Normalmente as antenas são giratórias, para mudar a direção das emissões, permitindo que o radar faça uma varredura na área ao invés de sempre apontar para a mesma direção.
Sistema de recepção
O receptor do radar detecta e amplifica os ecos produzidos quando as ondas refletem no alvo. Geralmente a antena de transmissão e recepção é a mesma, principalmente nos radares pulsados. Para gerenciar a transcepção do radar, é utilizado um dispositivo que comuta o momento de transmissão e recepção. Determinando assim quando a antena está ligada ao transmissor ou ao receptor. O receptor, recebe o sinal fraco provindo do alvo em direção à antena e amplifica-o. Após a ampliação, o sinal é processado, demodulado, integrado e enviado para o monitor que é lido pelo operador de radar.
Radar de pulso simples
Estes são os de funcionamento mais simples. Um transmissor envia diversos pulsos de rádio, e entre a emissão de dois pulsos o receptor detecta as reflexões do sinal emitido. O radar de pulso simples necessita de precisos contadores em seu alternador para impedir que o transmissor envie algum sinal enquanto o receptor está analisando o sinal de resposta, assim impede também que o receptor faça alguma leitura enquanto o transmissor está operando. Normalmente, a antena desse tipo de radar pode rotacionar, aumentando a área de rastreamento. Esse tipo de radar é eficaz para localizar um alvo, mas deixa a desejar em se tratando de medir sua velocidade.
Radar de pulso contínuo (CW)
Como o próprio nome diz, estes radares emitem um sinal de rádio contínuo. Esse tipo de radar requer duas antenas distintas, uma para o transmissor e outra para o receptor, para que o sinal emitido não interfira na leitura do sinal de retorno. A emissão de um sinal contínuo permite que esse radar distinga objetos parados de objetos que estão em movimento, através da analise da diferença do sinal de resposta, causada pelo “efeito Doppler”. Este tipo de radar, entretanto, não é bom na detecção da posição exata do alvo.
Radar de abertura sintética
Os radares SAR (Synthetic Aperture Radar) estão acoplados a uma aeronave ou a um satélite, e tem objetivo de localizar alvos em terra. Eles usam o movimento da aeronave, ou satélite, para “simular” uma antena bem maior do que ela realmente é. A habilidade destes radares diferenciarem dois objetos próximos depende da largura do sinal emitido, que depende do tamanho da antena. Como estas antenas devem ser transportadas por uma aeronave, normalmente estes radares são de antena pequena e sinal largo. Entretanto, o movimento da aeronave permite que o radar faça leituras consecutivas de diversos pontos; o sinal recebido é então processado pelo receptor, fazendo parecer que o sinal vem de uma antena grande, ao invés de uma pequena, permitindo que este tipo de radar tenha uma resolução capaz de distinguir objetos relativamente pequenos, como um automóvel.
Phased-Array Radar
Enquanto a maioria dos radares utiliza-se de uma única antena que pode rotacionar para mudar a direção do sinal emitido e assim obter uma leitura de uma área maior; este tipo utiliza-se de “diversas” antenas fixas que recebem sinais de diferentes direções, combinando-os como desejado para adquirir uma direção especifica. Estes radares podem “mudar a direção do sinal” eletronicamente, e de uma maneira muito mais rápida que radares convencionais, que o tem de fazer mecanicamente.
Radares secundários
São aqueles que, em vez de lerem sinais refletidos por objetos, lêem sinais de resposta, emitidos por dispositivos chamados transponders instalados nos veículos, aeronaves ou embarcações. Esses dispositivos respondem a sinais chamados interrogadores emitidos pelo transmissor do radar secundário, enviando sinais em resposta que podem conter informações codificadas, como por exemplo identificação e altitude da aeronave, posição, etc; são essenciais para o controle efetivo do tráfego aéreo, além de possibilitar a distinção de uma aeronave inimiga de uma aliada em seu emprego militar. A utilização deste tipo de dispositivo contorna algumas limitações de radares convencionais como baixa refletividade e falta de posicionamento vertical.
Marinha
Na marinha, os radares são utilizados para a navegação, detectando e monitorando obstáculos ou outros navios que possam oferecer riscos até distâncias de 200 km, aproximadamente. No caso de navios de guerra, existem radares para a detecção, aquisição e seguimento de alvos, e também para o controlo de tiro de forma a aumentar a probabilidade de atingir o alvo com os projéteis disparados por peças de artilharia, metralhadoras, e para controlo de lançamento de foguetes, mísseis e torpedos. Existem os radares de defesa anti-aérea com alcance de até 200 km para detectar aeronaves inimigas orientando as defesas na sua direção. De igual forma os radares de aviso de superfície realizam a mesma função para alvos de superfície.
Aeronáutica
O emprego de radares na aeronáutica se dá, principalmente, no Controle e Vigilância do Tráfego Aéreo em Rota e em Terminal Aérea. Para o Controle de Tráfego Aéreo em Rota ela emprega radares primários, bi e tridimensionais, instalados em locais que permitam um melhor desempenho, alcance e visualização, daí, serem colocados em cima de montanhas. Na área da Amazônia são instalados nas proximidades dos aeródromos para melhor proteção e apoio. Os radares de Terminal são, em sua maioria, instalados na área do aeroporto e são bidimensionais, isto é, só fornecem informação de azimute e distância, não informando a altitude. No controle do tráfego aéreo em geral são também instalados juntos com os radares primários, os radares secundários que passam a fornecer para o controle de tráfego aéreo a altitude das aeronaves, caso estas estejam munidas do equipamento *transponder*. Há locais que só dispõem de radares secundários. Hoje seu uso é obrigatório nas terminais de maior movimento de aeronaves. Há também os radares instalados nos aeroportos que controlam o movimento no solo das aeronaves e são instalados em locais onde as condições meteorológicas se tornam adversas, como é o caso de Guarulhos em São Paulo. Nas bases aéreas também são instalados os radares de precisão (PAR), que levam as aeronaves de um determinado ponto -em torno de 6 milhas náuticas da cabeceira da pista- até o seu ponto de toque na cabeceira da pista. Neste caso, a aeronave é guiada por um controlador militar habilitado em terra que dispõe de informações precisas de sua posição quer em altitude ou em distância. Várias aeronaves civis já se utilizaram destes radares no Brasil devido às condições severas de mau tempo reinante na área.
Exército
Na força terrestre, o exército, temos os radares de patrulha aérea, com alcance de até 300 km, radares de aquisição de alcance até 100 km, de tiro e perseguição de mísseis terra-ar, anti-artilharia, para reconstituição das trajetórias dos projéteis, para localização das peças de artilharia com alcance de até 10 km, e, radares de vigilância terrestre para detectar alvos móveis e regulagem de tiro de alta precisão. Os radares de pequeno alcance estão sendo desenvolvidos para a guerra moderna, entre eles se destacam os Rasura com alcance de 5 km usados pela infantaria, o Rapace utilizado nos carros de combate blindados com alcance de até 5 km, além do Ratac utilizado pelas peças de artilharia para detectar alvos à 30 km.
Meteorologia
Redes de radares meteorológicos estão espalhadas por uma vasta área em vários países do mundo. Possuem longo alcance e hoje são de suma importância para o monitoramento da atmosfera, facilitando assim atividades como a agricultura, aeronáutica, entre outras. Eles detectam com precisão os movimentos das massas de ar, dando subsídios aos meteorologistas para prevenir desde geadas, vendavais e chuvas de granizo, até tempestades. O vapor de água praticamente não espalha as micro-ondas incidentes. Já as gotas de chuva, cristais de gelo, granizo etc espalham de forma muito eficaz as micro-ondas, por isso a detecção de chuva e neve é possível com o radar meteorológico. Gotas de nuvem que são muito menores que as gotas de chuva não são detectas em micro-ondas centimétricos, mas é possível a detecção da superfície da nuvem com radares operando em micro-ondas milimétricas. Poeira na atmosfera também reflete as ondas do radar, mas o retorno só é significativo se existir uma concentração de poeira e aerossol maior do que o usual, como emitidas por incêndio florestal ou por uma chaminé industrial. Os radares meteorológicos usam o efeito Doppler para determinar a velocidade radial do vento numa tempestade, e podem detectar se a tempestade é acompanhada de circulações e escoamentos convergentes associados aos tornados e ventanias descendentes de tempestades chamadas micro-explosões (downbursts).
Aplicações científicas
Cientistas usam o radar para várias aplicações espaciais. Os Estados Unidos, Reino Unido e Canadá, por exemplo, rastreiam objetos em órbitas ao redor da Terra. Isto ajuda os cientistas e engenheiros a vigiar lixo espacial (satélites abandonados, partes de foguetes abandonados, etc). Durante viagens espaciais os radares também são utilizados para medir distâncias precisas, como nas missões da Apollo nas décadas de 1960 e 1970. A sonda espacial US Magellan mapeou a superfície do planeta Vênus com um radar de 1990 a 1994.
Trânsito
Autoridades em diversos países fazem uso da tecnologia dos radares para controlar a velocidade dos veículos nas vias públicas. Para esta finalidade existem basicamente dois tipos de radares. O primeiro e mais utilizado é o radar fixo, onde na via são instalados três sensores também chamados de laços detectores, formando um campo magnético. Estes sensores são ligados a um computador e a uma câmera que geralmente ficam alocados em um poste na lateral à pista. Quando o veículo passa pelo primeiro sensor, o campo magnético é interrompido até que o mesmo passe pelo segundo sensor, então o sistema automaticamente calcula a velocidade de acordo com este tempo de interrupção utilizando o efeito Doppler. Se a velocidade do veículo for superior a permitida então uma imagem é capturada pela câmera e armazenada no computador, de maneira a servir como prova da infração. Durante a noite, as câmeras funcionam com um sistema infravermelho o qual permite uma boa visualização da placa e do veículo mesmo com pouca luminosidade, sem que o infrator perceba que foi multado.
A ecolocalização, também chamada de “biossonar”, é uma capacidade natural, encontrada em golfinhos e morcegos, de utilização de emissão de ondas ultrassons para locomoção e captura de presas. A partir do estudo da mesma, os seres humanos desenvolveram a “ecolocalização artificial”, com o advento do radar, sonar e aparelhos de ultrassonografia. Na realidade, nenhuma dessas “imitações humanas” se compara à qualidade e perfeição da ecolocalização animal.
