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Radares no Mundo – Funcionamento de Diversos Radares 1/20 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Radares no Mundo Funcionamento de Diversos Radares Projeto FEUP 2015/2016 – Mestrado Integrado em Engenharia Eletrónica e de Computadores : Armando Jorge Sousa José Nuno Fidalgo Equipa MIEEC01_02: Supervisor : Mário Jorge Leitão Monitor : Manuel Sousa e Silva Estudantes & Autores: Miguel Lançós [email protected] Luís Oliveira [email protected] Duarte Carvalho [email protected] Bernardo Barbosa [email protected]
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Radares no Mundo – Funcionamento de Diversos Radares 1/20
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Radares no Mundo
Funcionamento de Diversos Radares
Projeto FEUP 2015/2016 – Mestrado Integrado em Engenharia Eletrónica e de Computadores :
Armando Jorge Sousa José Nuno Fidalgo
Equipa MIEEC01_02:
Supervisor : Mário Jorge Leitão Monitor : Manuel Sousa e Silva
Estudantes & Autores:
Miguel Lançós [email protected] Luís Oliveira [email protected]
Duarte Carvalho [email protected] Bernardo Barbosa [email protected]
Radares no Mundo – Funcionamento de Diversos Radares 2/20
Abstract
This project handles the general theme of how radar devices work. It explains several
kinds of radar, its peculiarities and some of its possible applications on the current world.
Starting with some historical references related to the radar´s evolution and some of
the reasons why it was necessary, followed by a brief explanation of the basic radar and its
components function. Later it is mentioned several types of radar, simple pulse, continuous
pulse, secondary and phased array, and its particular functions and abilities.
In the end it is mentioned some possible applications on the current world that we
take for granted and are performed by this type of technology. These applications are aerial
and sea radio navigation, road speed control, meteorological observation and remote
detection.
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Resumo
Este projecto aborda como tema geral o funcionamento dos radares, mencionando
vários tipos de radares, as suas respetivas particularidades e algumas possiveis aplicações
desta tecnologia no mundo atual.
Começando com algumas referências históricas relativas à evolução do radar e as
razões que levaram à sua invenção segue-se com uma explicação do funcionamento geral
do radar e a função de cada componente. Consequentemente abordam-se tipos mais
especificos de radares, como radar de pulso simples, contínuo, radares secundários e radar
phased array, e as partes especificas referentes a cada tipo de radar.
Por fim mencionam-se algumas utilizações que são possiveis e atuais no mundo de
hoje, facilitando várias tarefas e a vida quotidiana. Pode-se destacar a radionavegação
aérea e marítima, o controlo rodoviário da velocidade, observação meteorológica e deteção
remota.
Palavras-Chave
Pulsos continuos; pulsos simples; phased-array; secundários; radionavegação; deteção;
controlo; observação; vigilância.
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Índice
Abstract ......................................................................................................................... 2
Resumo ......................................................................................................................... 3
Palavras-Chave ............................................................................................................. 3
Lista de figuras ............................................................................................................. 5
Introduçao ..................................................................................................................... 6
1. História ...................................................................................................................... 7
2. Revisão Bibliográfica ............................................................................................... 8
2.1. Contexto Teórico .................................................................................................. 8
2.2. R.A.D.A.R. de Pulso Simples ............................................................................... 9
2.3. R.A.D.A.R. de Phased-Array .............................................................................. 10
2.3.1. Estrutura Linear ........................................................................................... 11
2.3.2. Estrutura Planar ........................................................................................... 11
2.4. R.A.D.A.R de Pulso Contínuo ............................................................................. 12
2.4.1. Efeito de Doppler ......................................................................................... 12
2.5. R.A.D.A.R. Secundário ...................................................................................... 14
3. Aplicações dos Radares ........................................................................................ 16
3.1 Controlo Rodoviário de Velocidade ..................................................................... 16
3.2 Os radares meteorológicos ................................................................................. 17
3.3 Tráfego Aéreo ..................................................................................................... 17
3.4 Deteção Remota ................................................................................................. 18
4. Conclusões ............................................................................................................. 19
Referências bibliográficas ......................................................................................... 20
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Lista de figuras
FIGURA 1 – FUNCIONAMENTO BÁSICO DE UM RADAR ................................................................. 9
FIGURA 2 - PULSO CONTÍNUO ................................................................................................ 12
FIGURA 3 - EFEITO DE DOPPLER ............................................................................................ 12
FIGURA 4 – FÓRMULA GERAL DA FREQUÊNCIA ........................................................................ 13
FIGURA 5 – LEGENDA DA FÓRMULA GERAL DA FREQUÊNCIA ..................................................... 13
FIGURA 6 - STEVENS, M. C. – ESQUEMA DE PULSOS .............................................................. 14
FIGURA 7 – INTERVALOS DE TEMPO CORRESPONDENTES A PERGUNTAS DIFERENTES ................ 14
FIGURA 8 - RADAR DE LEÇA ................................................................................................... 15
FIGURA 9 – RADAR FIXO ........................................................................................................ 16
FIGURA 10 – SINAL DE PRESENÇA DE RADAR .......................................................................... 16
FIGURA 11 – IMAGEM DE UM RADAR METEOROLÓGICO ............................................................ 17
FIGURA 12 - IMAGEM DE RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA POR SATÉLITE ..................................... 18
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Introduçao
Realizamos este relatório no âmbito da disciplina Projeto FEUP, tendo como objetivo
aprofundar o nosso conhecimento sobre Radares, a passagem de conhecimento de forma
concisa, organizada e correta, a melhoria na nossa capacidade de realização de relatórios
de engenharia, cumprindo a estrutura formal, e as regras éticas de publicação de
documentos.
Para a realização deste trabalho foi necessária uma pesquisa atravéz de várias fontes
da internet e a conjugação das informações obtidas com o nosso conhecimento já existente
sobre radares.
Este trabalho está divido, maioritariamente, em três categorias que se referem a
algumas considerações históricas dos radares, ao funcionamento e componentes de
radares e as utilizações atuais destes dispositivos, respetivamente.
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1. Referências Históricas
O radar, derivado do inglês RAdio Detection And Ranging, permite detectar objectos a
longas distâncias atravéz da emissão, reflexão e receção de ondas eletromagnéticas, curtas
ou contínuas. Com o radar é possivel detetar a posição, a distância e a velocidade de um
objecto, assim como, em alguns casos, comunicar com o próprio.
O primeiro sistema de radar foi desenhado pelo alemão Christian Hülsmeyer, em 1904,
no entanto não teve utilidade práctica devido á sua baixa precisão, dificil construção e
sistema de deteção de eco ineficiente.
Mais tarde, em 1934, Pierre David realizou várias experiências, com radares, com o
intuito de aumentar a sua eficiencia para a localização de aviões. Entretanto dois outros
cientistas conseguiram criar um dispositivo de grande precisão.
Foi no início da Segunda Guerra Mundial que o radar sofreu um pico no seu
desenvolvimento, graças a Watson-Watt que melhorou e desenvolveu novas tecnologias.
Os radares desempenharam, assim, um papel importante na deteção de ataques
inímigos alertando com antecedência a população Inglesa, diminuindo substâncialmente as
baixas causadas pelo inimigo.
Simultaneamente os alemães estavam a desenvolver radares para aumentar a precisão
dos seus ataques.
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2. Revisão Bibliográfica
2.1. Contexto Teórico
O Radar é composto por uma antena que transmite e recebe sinais electromagnéticos
de alta potência. Estes sinais propagam-se pelo espaço e são refletidos no objecto, as
ondas refletidas são recebidas pela antena, informando assim o radar da posição,
velocidade, entre outras informações relativas ao objecto.
Este equipamento é constituido por vários componentes.
O sistema de transmissão, que inclui também o oscilador e o modulador, envia sinais,
para a antena, sobre a forma de pulsos eletromagnéticos de alta frequência que serão
refletidos, em alguns casos recebidos, pelo alvo.
O Oscilador é o componente responsável pela produção do sinal com o comprimento de
onda desejado usando frequências de rádio ou de micro-ondas. Esta frequência terá de ser
bem definida para permitir o calculo do efeito de Doppler.
O modulador gera uma onda secundária, onda moduladora, que será sobreposta á onda
principal criando a onda modulada em amplitude ou frequência que permite uma
transmissão mais estável e de maior alcance.
A função do transmissor é amplificar o sinal, ou seja, aumentar a sua potência, de forma
a que ainda seja possível a receção do eco, um sinal bastante mais fraco devido ás perdas
causadas pelas grandes distâncias percorridas.
A antena, podendo assumir forma parabólica ou não, geralmente giratória para mudar a
direção das emissôes, propaga o sinal, enviado pelo transmissor, de um modo unidirecional
em relação ao alvo. De seguida esta recebe o sinal convergido pela parabólica para ser
processado pelo radar.
O comutador é um dispositivo com a função de desconectar o transmissor da antena e
conectar o recetor, e vice versa, no intervalo de tempo em que o sinal emitido se propaga.
Este componente tem a grande importância de prevenir sobrecargas no recetor impedindo
este de detetar o sinal acabado de emitir pela antena.
O recetor tem a capacidade de converter o sinal analógico em valores digitais que serão
representados por código binário. Este código permitirá que o radar faça calculos mais
complexos com o sinal, importante, por exemplo, para calcular o efeito de Doppler.
O visor demonstra os dados recolhidos e processados pelo sistema de radar.
Actualmente este componente, chamado de plano de indicação posicional (PPI), demonstra,
atravéz de um ponto, a posição do alvo e a sua distância é representada pela distância do
ponto ao centro do visor.
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2.2. R.A.D.A.R. de Pulso Simples
Os Radares de Pulso Simples são os radares de funcionamento mais básicos, usados
normalmente na deteção de objetos em diversas áreas como o tráfego aéreo e fins de
ordem militar e de vigilância.
Estes radares operam mais especificamente na localização de alvos, não sendo, no
entanto, precisos na medição da velocidade dos mesmos.
O procedimento é bastante simples e prático, consistindo no envio de pulsos de rádio
por parte de um transmissor e na receção dos mesmos pelo respetivo recetor e analisando
as reflexões do sinal emitido.
Além disso possui vários contadores no seu alternador de modo a impedir que sejam
emitidos sinais enquanto o recetor analisa o sinal de resposta.
Geralmente, para aumentar a área de rastreamento, é usado um sistema de rotação na
antena.
Como é de esperar, o radar calcula a distância do objeto pelo intevalo de tempo entre o
envio e a receção do sinal, podendo assim localizar o objeto pretendido.
Figura 1 – Funcionamento básico de um radar
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2.3. R.A.D.A.R. de Phased-Array
Uma antena de radar phased array é composta por varios elementos radiadores com
um ou vários moduladores de fase. Um modulador de fase é um instrumento que permite
controlar eletrónicamente as fases de um sinal eletromagnético, normalmente na região de
micro-ondas. Neste tipo de radar os sinais são emitidos atravéz da mudanca de fase em
cada elemento radiador para fornecer interferência construtiva ou destrutiva conduzindo os
feixes na direção desejada.
O feixe principal aponta sempre para a direção do aumento da mudança de fase.
O sinal emitido é controlado por um modulador de fase, permitindo controlar a sua
direção eletrónicamente. No entanto esta direção tem um limite de 120º, sendo 60º para
cada lado em relação á normal. Num radar phased array a direção do sinal é controlada
atravéz da ordem que cada elemento radiador comeca a emitir o sinal, sendo que se
começarem todos ao mesmo tempo o sinal terá 0º em relação á normal.
Vantagens Desvantagens
Grande precisão Emissão limitada a um ângulo de 120º
Ângulo de emissão e receção variável Deformação do feixe de deflexão
Capacidade de mudança rápida de alvo Agilidade só em baixa frequência
Controlo eletrónico do sinal emitido Estrutura muito complexa
Vigilância e Monitorização Custos de produção elevados
“Dwell time”1 ilimitado
Emissão de vários sinais em simultâneo
Maior durabilidade2
1 Dwell time (tempo de permanência) é o tempo maximo que um dispositivo tem a possibilidade
de ficar imóvel. 2 Maior durabilidade pois a avaria de um componente, apesar de reduzir a sua eficiência, não
incapacita o radar.
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2.3.1. Estrutura Linear
Estas antenas consistem em linhas cujos todos os seus componentes são alimentados
por um só modulador de fase. É constituida por vários “arrays” lineares montados
verticalmente, formando uma antena plana.
A vantagem deste tipo de antenas é a sua estrutura simples, no entanto é que só
permite a defleção numa direção (horizontal ou vertical).
Este tipos de antenas são usados normalmente em situações que apenas é necessário
defletir um feixe numa só direção.
2.3.2. Estrutura Planar
Estas antenas consistem em vários elementos radiadores, cada um pussuindo um
modulador de fase. Estes elementos estão organizados em matriz.
As vantagens são a possibilidade de emissão de feixes em dois planos.
A desvantagem é a complicação da sua estrutura e a necessidade de uma grande
quantidade de moduladores de fase.
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2.4. R.A.D.A.R de Pulso Contínuo
Figura 2 - Pulso contínuo
O radar de onda continua é um tipo particular de radar que transmite e recebe ondas
contínuas, normalmente em modo sinusoidal.
Neste tipo de radar, a capacidade de medir a distância entre o alvo e a velocidade a que
o alvo se movimenta está ligada à emissão e receção das ondas eletromagnéticas
continuas. Os radares de onda continua, emitem uma onda na qual deixam marcas
temporais, AM ou FM, as quais permitem obter as leituras necessárias.
No caso da modulação por frequência, esta varia linearmente com o tempo.
A localização de um objecto é realizada da seguinte forma: um objecto está localizao a
uma certa distância R, as ondas vão ser emitidas vão refletir nele, e o sinal de eco vai voltar
em T=2R/C tempo, sendo C igual à velocidade da luz.
Estes radares permitem com mais facilidade calcular a velocidade do alvo devido ao
efeito de doppler.
2.4.1. Efeito de Doppler
Figura 3 - Efeito de Doppler
O Efeito de Doppler foi descrito pela primeira vez em 1842 por Johan Christian Andreas
Doppler, recebendo o seu nome em sua homenagem.
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Este efeito constitui o fenômeno no qual um observador recebe frequências diferentes
das emitidas pela fonte o que acontece devido à velocidade relativa entre a onda sonora e o
movimento entre o observador e a fonte.
Podemos determinar uma fórmula geral para calcular a frequência percebida pelo
observador, ou seja, a frequência aparente.
Podemos escrever uma fórmula geral para os casos onde a fonte se desloque e o
observador fique parado.
Sendo o sinal negativo utilizado no caso onde a fonte se aproxima e positivo no caso em
que a fonte se afasta.
Figura 4 – Fórmula geral da frequência
Figura 5 – Legenda da fórmula geral da frequência
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2.5. R.A.D.A.R. Secundário
Os radares secundários são um tipo de sistema de detecção muito utilizados no
controlo de tráfico aéreo.
"Este sistema é baseado na tecnologia militar "Identification Friend or Foe" que foi
desenvolvida durante a segunda guerra mundial."
Secondary Surveillance Radar." Wikipedia. June 25, 2015. Accessed October 16, 2015.
https://en.wikipedia.org/wiki/Secondary_surveillance_radar
Os radares secundários, para além de detectar e calcular a posição de determinado
objeto, em conjunto com um radar primário, também interrogam o alvo sobre a sua
identidade, altitude, velocidade, etc. O interrogado está equipado com um dispositivo que
recebe e transmite o sinal, o transponder, para que possa ser questionado e consiga emitir
uma resposta com as informações solicitadas.
Há várias maneiras para fazer diferentes questões. Os modos alternam conforme o
intervalo de tempo entre as ondas eletromagnéticas emitidas. As perguntas e os
correspondentes intervalos estão expostos nas seguinte tabela:
Figura 7 – Intervalos de tempo correspondentes a perguntas diferentes
Figura 6 - Stevens, M. C. – Esquema de Pulsos
Radares no Mundo – Funcionamento de Diversos Radares 15/20
“Cada modo produz uma resposta diferente da aeronave. Um terceiro sinal, P2, é
suprimido e é descrito mais tarde.”
(Secondary Surveillance Radar." Wikipedia. June 25, 2015. Accessed October 16, 2015.
https://en.wikipedia.org/wiki/Secondary_surveillance_radar)
Figura 8 - Radar de Leça
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3. Aplicações dos Radares
3.1 Controlo Rodoviário de Velocidade
Nos dias de hoje, milhares de pessoas perdem a vida nas estradas, sendo as principais
causas o excesso de álcool e, nomeadamente, de velocidade.
Para contrariar e solucionar esse problema, podemos encontrar radares de controlo da
mesma nas vias mais congestionadas, como autoestradas e estradas nacionais.
O aparelho de radar emite ondas que são refletidas pela viatura, o que permite que
através do tempo ocorrido entre a emissão e a receção, seja possível medir a velocidade a
que o veículo se desloca.
Neste caso, observa-se o efeito Doppler quando as ondas são emitidas e refletidas por
um objeto que se encontra em movimento.
Quando a viatura se afasta, o comprimento de onda aumenta e, contrariamente, diminui
quando o objeto se aproxima do aparelho.
Assim, no caso de aproximação, a frequência da onda recebida é maior do que a
frequência emitida, sendo o oposto quando o veículo em estudo se afasta.
Para concluir, se a velocidade instantânea for superior aos limites do código de estrada,
o responsável será multado conforme a gravidade da situação.
Figura 10 – Sinal de presença de radar
Figura 9 – Radar fixo
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3.2 Os radares meteorológicos
“Um radar meteorológico é um tipo de radar utilizado para localizar precipitações e
tempestades, calcular as suas trajetórias e estimar os seus tipos, ou seja, se é chuva, neve,
granizo entre outros. Os dados destes radares podem ser analisados para extrair a estrutura
das tempestades e os possiveis danos. Estes radares são frequentemente utilizados em
conjunto com detetores de raios de forma a encontrar a principal zona de actividade de uma
tempestade.”
3.3 Tráfego Aéreo
Os sistemas de R.A.D.A.R. Secundários estão presentes e têm grande importância no
tráfego aéreo do dia a dia. Através destes aparelhos as torres de controlo dos aeroportos
conseguem controlar centenas de aviões que circulam no ar sabendo a sua altitude, posição
e velocidade devido a este sistema.
Figura 11 – Imagem de um radar meteorológico
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3.4 Deteção Remota
A deteção remota é a observação e obtenção de informações do alvo, em questão, sem
haver contacto fisico entre o sensor e o objeto. Estas informações são normalmente
transmitidas atravéz de radiação eletromagnética.
Existem os detetores activos e os detetores passivos. Os detetores passivos são
dispositivos que utilizam a radiação emitida pelo sol e, mais tarde, refletida pela superficie
terreste para obter as informações requeridas. No entanto, os detetores activos geram o seu
proprio sinal, emitindo radiação eletromagnética que será usada para obter as informações
necessárias.
Sendo os satélites os dispositivos mais usados para a deteção remota, a radiação
eletromagnética usada tem uma frequência e intensidade que permita atravessar a
atmosfera e ser refletida na superficie da Terra, sendo minima a refração e reflexão. Deste
modo os satélites conseguem emitir radiação e recebê-la após ter sido refletida pela
superfície terrestre ou por um alvo a observar.
A radiação emitida está, normalmente, na região do visivel e do infravermelho. Sendo
que cada objecto e material reflete as radiações eletromagnéticas de maneira diferente, é
possivel usar estes conhecimentos, das propriedades dos materiais,para retirar informações
das imagens obtidas pelos sensores, conseguindo determinar distâncias, materiais,
temperaturas, posições...
Figura 12 - Imagem de radiação eletromagnética por satélite
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4. Conclusões
Atualmente, os radares têm um impacto bastante significativo na nossa sociedade. Este
trabalho foi fundamental para termos uma melhor noção sobre as mais variadas aplicações
e o seu respetivo funcionamento.
Na última metade do século XX, a evolução do radar teve um papel importante, visto
que foi incentivado de forma a responder mais eficazmente às diversas necessidades do
Homem, e com sucesso.
É ótimo poder sair de casa com uma previsão meteorológica quase precisa, o que nos
permite escolher o vestuário mais adequado para o dia.
Depois de estudarmos os diferentes tipos de radar, conseguimos compreender que são
indispensáveis para a nossa segurança nos vários tipos de transporte, o que proporciona
um maior conforto e confiança na hora de viajar para qualquer lado.
Dito isto, acreditamos que este complexo instrumento é uma mais valia para a nossa
segurança e qualidade de vida.
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Referências bibliográficas
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História - "Radar." – Wikipédia, a Enciclopédia Livre. September 23, 2015. Accessed October 9, 2015.
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Contexto teórico - "Radar." – Wikipédia, a Enciclopédia Livre. September 23, 2015. Accessed October 30,
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Doppler_effect.svg.png.
Figura 4 - Só Física. Accessed October 9, 2015.
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Figura 5- Só Física. Accessed October 9, 2015.
http://sofisica.com.br/conteudos/Ondulatoria/acustica/doppler.
Figura 6 – Intervalos de tempo referentes a diferentes perguntas - “Secondary Surveillance Radar."
Wikipedia. June 25, 2015. Accessed October 16, 2015.
https://en.wikipedia.org/wiki/Secondary_surveillance_radar
Figura 7 - Stevens, M. C. –Esquema de Pulsos - "Secondary Surveillance Radar." Wikipedia. June 25, 2015.
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Maismotores.net." Maismotores.net. March 17, 2011. Accessed October 9, 2015.
http://www.maismotores.net/2011/03/atencao-ao-novo-sinal-h43-indicacao-de-radar-na-via/.
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