Guerra Eletrônica (4) - O Radar **076

O Radar (Radio Detection And Ranging) é o sensor eletrônico mais confiável e comumente empregado, funcionando independentemente da luz do dia. Ele pode ser instalado em qualquer plataforma e medir com precisão a posição e a velocidade de objetos no ar, mar e terra; não tendo capacidade submarina. São usados em um amplo leque de aplicações e na atividade militar são usados em reconhecimento e alerta inicial, detecção e rastreamento de alvos, orientação e controle de mísseis e interceptadores, detecção de fogo de artilharia a fim de responder em contrabateria, navegação e alerta de colisão, sensoreamento remoto e mapeamento do solo, seguimento do terreno e medição de altitude, além de outras aplicações.

Sua origem é antiga. A formulação matemática fundamental, que possibilitou um estudo aprofundado dos fenômenos de propagação das ondas eletromagnéticas, pode ser encontrada nas Equações de Maxwell, apresentadas em 1871. O ponto de partida é a teoria eletromagnética desenvolvida pelo físico escocês James Clerk Maxwell. Em 1865, Maxwell previu matematicamente a existência de ondas eletromagnéticas que se propagavam à velocidade da luz, unificando os campos da eletricidade, magnetismo e óptica em um conjunto de equações. Os trabalhos de Maxwell foram confirmados experimentalmente por Heinrich Hertz em 1888. Hertz, um físico alemão, demonstrou em laboratório a produção e detecção de ondas de rádio, provando que elas podiam ser refletidas, refratadas e polarizadas da mesma forma que a luz visível, validando assim a teoria de Maxwell e abrindo caminho para inúmeras aplicações tecnológicas. A compreensão das propriedades das ondas eletromagnéticas inspirou inventores a explorar seu potencial para além da comunicação sem fio.

Em 1904, o alemão Christian Hülsmeyer patenteou uma invenção notável denominada "Método para informar ao observador a presença de objetos metálicos com ondas eletromagnéticas". Seu dispositivo, o "Telemobiloscope", foi projetado para detectar a presença de navios no mar, especialmente em condições de pouca visibilidade, como nevoeiro, alertando sobre possíveis colisões. Embora rudimentar e limitado, o trabalho de Hülsmeyer representa a primeira aplicação prática registrada do princípio que viria a ser o radar, utilizando a reflexão das ondas de rádio para um propósito de detecção, e não de comunicação. Mais tarde, em 1922, o inventor italiano Guglielmo Marconi, apresentou um trabalho descrevendo as possibilidades da rádio-detecção usando a reflexão das ondas eletromagnéticas. Marconi notou que as ondas de rádio podiam ser refletidas por objetos metálicos, como navios, e sugeriu que essa propriedade poderia ser usada para localizar embarcações e outros obstáculos, inclusive prevendo a futura aplicação do radar para fins de navegação e segurança.

A década de 1930 é apontada como o catalisador para o impulso nas pesquisas do radar. Em um cenário geopolítico tenso, a necessidade de sistemas eficazes de alerta antecipado tornou-se primordial. A Inglaterra, reconhecendo essa urgência, assumiu a liderança no desenvolvimento dessa tecnologia, superando inclusive os Estados Unidos. Esse pioneirismo resultou na criação de um radar com um alcance de 65 km já em 1936.

O ápice dessa fase de desenvolvimento militar foi a implementação da cadeia de estações-radar na costa leste da Inglaterra em 1938. Esse sistema de defesa integrada foi decisivo para a vitória da RAF na Batalha da Inglaterra, um dos confrontos aéreos mais importantes da guerra. A capacidade de detectar aeronaves inimigas e coordenar a defesa aérea de forma eficiente proporcionou uma vantagem estratégica inestimável, ilustrando perfeitamente a influência da tecnologia na estratégia militar e no desfecho de conflitos.

Um avanço tecnológico fundamental ocorreu em 1940, com a invenção do magnetron de cavidade ressonante na Universidade de Birmingham. Essa válvula revolucionária permitiu a geração de pulsos de radar de alta potência em comprimentos de onda muito menores, cerca de 90 mm. A inovação do magnetron possibilitou a miniaturização dos equipamentos de radar, tornando viável sua instalação em plataformas móveis, como navios e aeronaves, o que ampliou significativamente as capacidades operacionais e táticas das forças aliadas.

O radar funciona através da emissão de radiação eletromagnética de forma direcionada, captando em seguida seu eco e medindo a distância do alvo através do tempo que o sinal leva para ir até o alvo e voltar. A direção é dada pelo azimute da antena, que pode girar em 360º ou em ângulos menores, dependendo do modelo do equipamento e seu emprego dedicado.

As ondas eletromagnéticas viajam pelo espaço e ao encontrar seu(s) alvo(s), seja uma aeronave, um vaso de superfície ou qualquer outro refletor, parte dessa energia é refletida de volta na direção do emissor, na forma de um "eco". A antena, que alterna entre os modos de transmissão e recepção, capta esse eco, na forma de um sinal extremamente fraco. Esse sinal é amplificado, processado e analisado por sistemas eletrônicos dedicados.

No radar de pulso, versão mais comumente usada, um transmissor de alta potência gera um pulso concentrado de micro-ondas, que é direcionado para uma área específica, desliga seu transmissor e fica aguardando o retorno (eco) desse pulso. O pulso seguinte só é enviado assim que tenha decorrido tempo suficiente para que o pulso em trânsito atinja o alcance projetado do radar e retorne. A taxa com que os pulsos são enviados denomina-se Frequência de Repetição de Pulsos (PRF). Quanto maior o alcance do radar menor a sua PRF. Modelos modernos podem se valer de PRFs variáveis, usadas de acordo com o alcance demandado. O Comprimento do Pulso é importante para que o radar possa distinguir entre vários alvos ao mesmo tempo. Se este comprimento é maior que o tempo necessário para que o pulso se desloque de um alvo ao outro, os ecos se sobreporão e o radar não poderá distingui-los. Pulsos curtos são desejáveis para distinguir alvos, mas carregam pouca energia e consequentemente reduzem o alcance. A PRF se constitui na principal “impressão digital” do radar e seu principal parâmetro de identificação.

O radar de onda contínua (CW), ao contrário do radar de pulsos, transmite sem interrupções, porém varia sua frequência para poder determinar os dados do alvo.

Antenas de radar geralmente têm a forma de um refletor sólido ou reticulado iluminado por um alimentador central ou outra fonte de energia. Elas operam segundo o mesmo princípio do holofote, com uma única fonte de energia iluminando o refletor para formar um feixe. A antena de um radar é projetada para produzir um formato de feixe mais adequado à tarefa para a qual o equipamento foi projetado. Um feixe fino e no formato de um lápis é mais adequado ao rastreamento de alvos, enquanto os feixes em forma de leque e semifocalizados são frequentemente empregados em operações de busca. Alterações mecânicas na antena permitem uma avaliação modesta da conformação dos feixes para aplicações múltiplas, mas uma antena convencional é basicamente projetada para gerar um único tipo de feixe preconcebido para adequar-se, em maior ou menor grau, às especificações operacionais que o equipamento está capacitado a cumprir. Além do feixe principal, as antenas também têm feixes secundários menores (conhecidos como lobos laterais), que irradiam em diversos ângulos, a partir do feixe principal ou, mesmo diretamente, para a parte posterior. Os projetistas tentam minimizar o tamanho dos lobos laterais, uma vez que eles são explorados pelos sistemas de EW dos inimigos.

O radar de vigilância é em geral projetado para fornecer informação precisa sobre alcance e posição, enquanto descreve alvos com variados ângulos de elevação e tende a utilizar um feixe no formato de um leque com apenas uns poucos graus de largura, mas com 30° ou mais de altura. Como a amplitude do feixe é inversamente proporcional às dimensões da antena, as antenas empregadas em equipamentos desse tipo tendem a ser largas e relativamente baixas. Radares especializados em calcular altitudes e empregados para medir a altitude de aeronaves em mira, detectadas por equipamento de vigilância, requerem uma precisão de elevação de primeira classe e, portanto, tendem a ser estreitos e muito altos. Radares de rastreamento devem ser precisos em ambos os planos e, portanto, requerem antenas cuja altura e largura sejam similares. A forma de varredura também depende do papel desempenhado. Equipamentos de vigilância tendem a varrer um setor angular ou uma circunferência completa. Quando direcionados na posição de um alvo, os calculadores de altitude apresentam uma forma de varredura semelhante à de um "aceno", característico e exclusivo de radares desse tipo. Quando os radares transportados por caças operam no modo de busca, eles geralmente procuram alvos empregando uma forma de varredura chamada de rastreamento de barra múltipla. Após a localização do alvo, eles, como a maioria dos radares de rastreamento, manterão suas antenas apontadas na direção do alvo com uma visada fixa ou quase fixa.

Embora os princípios básicos tenham permanecido inalterados durante décadas, a eficácia militar do radar aumentou sensivelmente devido ao avanço tecnológico. Os transmissores mais antigos trabalhavam com uma frequência fixa estável, prefixada durante a fabricação ou selecionada no campo, entre diversas opções. Um equipamento assim tão simples era relativamente fácil de monitorar ou interferir. Assim, a agilidade de frequência é uma característica de muitos radares modernos: as frequências operacionais do transmissor e do receptor são rápida e imprevisivelmente mudadas dentro de uma faixa de valores, dificultando a localização de sinais, por receptores de busca, e inutilizando equipamentos de interferência mais simples, projetados para usar uma única frequência prefixada. A agilidade de frequência oferece uma vantagem adicional. Uma aeronave ou um navio podem parecer, a olho nu, de um tamanho praticamente constante, mas para o radar o tamanho aparente deles frequentemente irá variar. Numa frequência qualquer, o tamanho do alvo depende muito de sua altitude, de modo que ele pode variar muito rapidamente à medida que pequenas alterações no seu aspecto causem variações na quantidade de energia refletida. A agilidade de frequência reduz esse problema. Numa dada atitude de um alvo, os pulsos em algumas frequências serão fortemente refletidos, enquanto que outros, em frequências bem menos adequadas ao alvo, serão refletidos mais fracamente. À medida que a frequência do transmissor muda de um pulso a outro, a potência dos sinais recebidos também muda. Integrando-se a amplitude de um grande número de pulsos sucessivos, o radar é capaz de eliminar em muito os efeitos de tais flutuações.

Um problema dos radares com agilidade de frequência era o fato de que o magnetron dos radares tradicionais desde o início da década de 40, tinha que ser otimizado ao ser empregado numa frequência fixa exata ou aproximada. Na pesquisa de maior agilidade, os projetistas voltaram sua atenção para uma fonte alternativa de sinais na forma de um tubo de ondas propagantes (TWT), que é capaz de operar em níveis de alta potência sobre uma largura de faixa que, tipicamente, pode se estender até 10% acima da frequência central. Outra vantagem associada aos tubos de ondas propagantes é sua capacidade de operar com formas de modulação complexas (métodos de se alterar sistematicamente uma forma de onda de acordo com outro sinal). O magnetron era idealmente adequado a aplicações em radares de pulsos, uma vez que seu ciclo de trabalho é tipicamente cerca de 0,1% para 99,9% do tempo de transmissão, não havendo radiação de potência e a saída completa apresentando a forma de uma série de pulsos curtos, mas de alta energia. Esse ciclo muito elevado de ligado/desligado é exatamente o necessário a radares de pulsos simples, mas impede o emprego desses radares em modos de operação mais complexos, necessários a aplicações secundárias, além do aperfeiçoamento de melhor proteção contra interferência. Mais uma vez, o tubo de ondas propagantes revelou-se útil, já que seu ciclo de trabalho atinge uma ordem de grandeza mais alta do que a de um magnetron.

Até a década de 1970, o processamento de sinais nos equipamentos de radar era totalmente analógico. Os alvos e outros dados eram representados por sinais elétricos que podiam ser amplificados, formatados ou processados, conforme a necessidade. A eletrônica analógica é simples e bem conhecida, mas tem a desvantagem de acrescentar ruídos indesejáveis aos sinais empregados, e a adoção de eletrônica mais complexa implica em mais ruído.

As novas gerações de radares, empregam o processamento de sinais digitais, que podem ser catalogados ou processados sem o risco de degeneração. Num sistema digital, os dados são armazenados de forma integra, e são praticamente imunes a ruído ou interferência, não obstante a quantidade de vezes que sejam processados.

Num radar analógico convencional, a interpretação do painel é uma habilidade que os operadores devem dominar, ao aprenderem como se distinguem alvos de ruídos atmosféricos e comuns. Particularmente no caso dos radares que tentavam seguir alvos, voando em baixa altitude, isso sempre foi um problema. A qualidade da imagem apresentada no painel do radar degenera acentuadamente à medida que as reflexões do sinal, no terreno e em obstáculos abaixo do alvo, inundam o radar.

Nos radares digitais, o painel não emprega mais a simbologia de radar analógico (frequentemente referida como dado "bruto"), mas sim, uma simbologia gerada digitalmente. No lugar de manchas disformes de luz, os alvos são apresentados numa forma simbólica, de acordo com a preferência do usuário, alvos "amigos" podem ser círculos, "desconhecidos", quadrados e, "hostis", triângulos; todos devidamente acompanhados de números de busca e dados pertinentes buscados em bibliotecas digitais preexistentes. Os sistemas de estado sólido são uma tecnologia que utilizam semicondutores para gerar e processar sinais, substituindo a tecnologia tradicional de magnetron. Esses sistemas oferecem vantagens como maior durabilidade, menor consumo de energia, maior confiabilidade, imagens mais nítidas e a capacidade de monitorar múltiplos alvos simultaneamente.

Dados digitais podem ser facilmente enviados a longa distância por enlaces de comunicações, ocorrendo, algumas vezes, a introdução de ruídos. Assim, recorre-se às técnicas elaboradas para se identificar e corrigir qualquer truncamento introduzido por má transmissão. Isso facilita o envio de dados em grande escala e possibilita que aeronaves AEW, transmitam informações detalhadas sobre alvos para estações terrestres e a outras aeronaves AEW ou interceptadores. E a informação pode ser analisada, selecionada e redistribuída digitalmente em diversos sistemas sem a intervenção humana.

Uma combinação do processamento de sinais digitais com transmissores de tubos de ondas propagantes possibilitou a criação de radares de pulsos-Doppler, os quais são capazes de operar no modo "de cima para baixo", a partir de interceptadores, estrearem alvos em voo rasante. Pela percepção do deslocamento de frequência no sinal de eco, refletido por um alvo devido ao efeito Doppler, o radar pode agora distinguir entre os sinais de eco refletidos pelo alvo e os sinais de eco, bem mais fortes, provenientes de um terreno ao fundo. Os pulsos de saída individuais da cavidade do magnetron não guardam entre si qualquer relação de fase, mas o TWT possibilitou que sinais de baixa potência, de um oscilador ultraestável, sejam empregados para disparar uma série de pulsos de saída coerentes (isto é, que guardam entre si uma relação de fase), cujo eco poderia ser precisamente comparado para se detectar a diferença de frequência.

As propriedades dos sinais coerente são difíceis de serem descritas em termos simples, mas uma analogia grosseira talvez ajude. Nos primórdios da era do rock, a polícia de uma cidade escocesa decidiu reprimir o comportamento ocasionalmente turbulento de alguns fās. Os policiais, trajando jaquetas longas e calças "bocadesino" e com os cabelos devidamente engordurados, conhecidos como "Teddy Boys", começaram a se misturar aos jovens locais. A tática, porém, foi um fracasso: a cena de alguns altos "Teds" rumo à discoteca local, em passo de marcha, causou riso. Sinais coerentes são tão facilmente detectáveis entre sinais normais como os "Teds" policiais o foram na discoteca. Seu comportamento rigidamente controlado destacou-os.

Um problema no projeto dos radares de pulso-Doppler é que os tubos de ondas propagantes não possuem uma potência de saída semelhante à potência do magnetron, de modo que frequências mais elevadas de repetição de pulsos devem ser empregadas para assegurar-se que o alvo é iluminado com energia suficiente. Os magnetrons operam mais eficazmente em baixas frequências de repetição de pulsos (menos que 5 kHz), embora o TWT possibilite o emprego de frequências médias de repetição de pulsos ou mesmo frequências elevadas. Porém, como as frequências elevadas de repetição de pulsos não dão tempo suficiente para que os pulsos individuais completem a viagem de ida e volta ao alvo, antes que o próximo pulso seja enviado, os pulsos individuais precisam ser modulados em baixa frequência para que o radar possa determinar qual pulso é responsável por qual eco e, assim, calcular a distância do alvo.

Este alcance calculado não é tão preciso como o obtido por radares de baixa frequência de repetição de pulsos de modo que recentemente os projetistas de radares começaram a empregar frequências médias de repetição de pulsos, na faixa entre os 6 e 16 kHz. Uma vez que as frequências de repetição de pulsos, adequadas à obtenção de boas informações sobre o alcance (suficientemente baixas para possibilitar que os pulsos individuais completem a viagem de ida e volta, antes que o próximo pulso seja enviado), talvez não sejam as melhores para se medir a velocidade dos alvos, uma série de frequências de repetição de pulsos na faixa média são frequentemente empregadas em rápidas sequências.

Um outro problema das frequências elevadas de repetição de pulsos ocorre quando o alvo e o radar têm baixa velocidade relativa - uma situação que pode facilmente ocorrer se uma caça estiver se aproximando de seu objetivo por trás. O rastreamento de todos os aspectos e de todas as altitudes de alvos móveis pelo radar de pulsos-Doppler exige uma série de formas de ondas.

Antes do advento do processamento digital, a informação Doppler era derivada de uma série de até 1000 filtros nos circuitos do radar. Estes eram projetados para um determinado conjunto de condições, de modo que a mudança nas frequências de repetições de pulsos não era possível. Frequências adicionais iriam requerer conjuntos de filtros adicionais. Num equipamento moderno, estas operações de filtragem são realizadas por software, e podem ser automaticamente modificadas para combinarem-se com a forma da onda transmitida.

Uma outra característica dos radares mais modernos é o largo emprego de antenas de placas planas. Em vez de empregarem refletores passivos, eles usam sistemas de antenas, compostos a partir de um grande número de elementos denominados deslocadores de fase. Cada deslocador transmite uma minúscula porção do sinal, com um retardo programável produzindo um feixe.

Num radar convencional, a antena deve apontar na direção do alvo. Muitos sistemas de antenas em fase empregam a nova antena plana que substitui a antena convencional, em forma de "prato" ou "casca de laranja" e, portanto, mantém o servossistema ou o mecanismo de varredura tradicionais empregados para orientar as antenas. Para rastrear alvos múltiplos – uma necessidade militar comum - uma a antena deve varrer uma grande porção do céu ou terreno preestabelecido e, assim, elaborar um "arquivo de rastreamento" de alvos a partir dos dados, de posição e de velocidade, obtidos à medida que cada alvo é brevemente iluminado pelo diagrama de varredura.

Ou então, alterando o grau de comutação de fase gerado em cada elemento de um sistema, o projetista do radar pode planejar como o feixe pode ser direcionado ou formatado, de acordo com as necessidades. A antena pode permanecer fixa, enquanto o feixe é varrido para alinhá-lo com o alvo. Ao rastrear alvos múltiplos, a antena é capaz de mudar rapidamente de um alvo para outro em microssegundos, o que possibilita o controle quase que simultâneo de todos os alvos.

Um problema fundamental que persegue tanto projetistas como operadores de radar, sonar ou qualquer tipo de sistema de leitura remota é o "ruído". Ele pode surgir na forma de sinais indesejáveis que chegam ao sistema através de sua entrada normal ou a partir de atividade eletrônica gerada no próprio sistema. A quantidade de ruído gerado no interior do sistema pode ser minimizada por um bom projeto, mas nunca totalmente eliminada.

Os elétrons de um componente eletrônico ou mesmo de um pedaço de fio elétrico movem-se aleatoriamente numa quantidade que depende da temperatura do componente ou do fio. Trata-se de um fato fundamental da física. Desses movimentos resultam correntes elétricas minúsculas e aleatórias que o sistema recebe como sinais de baixa intensidade. Não se trata de um problema teórico, como a operação de alguns eletrodomésticos demonstram. Se um televisor com antena interna é ligado num local de sinal fraco, a imagem será fraca e parcialmente obscurecida (ou inexistente na tv digital) por pontos brancos aleatórios, que se movimentam rapidamente, denominados pelos técnicos de televisão como "chuvisco". O sinal é tão fraco que os componentes eletrônicos do aparelho tentam interpretar o ruído como um sinal autêntico. Como o ruido ocorre aleatoriamente, resultam minúsculas zonas de interferência aleatórias, espalhadas sobre a imagem. O ruído é um fator significativo na guerra eletrônica. Muitos métodos de ataque visam a introduzir ruído no sensor inimigo, enquanto algumas das técnicas empregadas por projetistas de radares e sonares, numa tentativa de reduzir os efeitos do ruído - inclusive o conceito "Range Gate" mencionado anteriormente acarretam uma fraqueza que os planejadores de contramedidas podem explorar com sagacidade na batalha eletrônica.

Um radar phased array é um sistema de radar que usa um conjunto de antenas eletronicamente direcionados para emitir seu feixe sem que seja necessário mover fisicamente a antena. Os sistemas de radar tradicionais normalmente dependem da rotação mecânica de uma única antena ou de um pequeno conjunto de antenas para varrer o espaço aéreo circundante. Em contraste, o radar phased array atinge a direção do feixe ajustando o tempo e a fase dos sinais enviados para cada elemento de antena do array. Essa capacidade de direcionamento eletrônico do feixe permite que este equipamentos varra rapidamente múltiplas direções, rastreie vários alvos simultaneamente e alterne rapidamente entre diferentes tarefas, como vigilância e rastreamento.

Phased array em radar refere-se à técnica de controle da fase das ondas eletromagnéticas emitidas por cada elemento de antena em um array. Ao ajustar com precisão a fase destas ondas, o sistema de radar pode controlar a direção e a forma do feixe de radar produzido pelo conjunto. Este controle eletrônico fornece direção e varredura rápida do feixe, permitindo que o radar rastreie alvos com eficácia e se adapte às mudanças nos requisitos operacionais em tempo real. A tecnologia de matriz progressiva é amplamente utilizada em sistemas de radar modernos para melhorar o desempenho, a agilidade e a confiabilidade em comparação com os radares tradicionais de varredura mecânica.

A tecnologia de arranjo progressivo refere-se a um arranjo de antenas onde as fases relativas dos respectivos sinais que alimentam as antenas variam de modo que o padrão de radiação efetivo do arranjo seja aumentado em uma direção desejada e suprimido em direções indesejáveis. Isso permite que o sistema direcione o feixe eletronicamente sem mover fisicamente as antenas. Ao controlar a fase do sinal de cada elemento da antena, o radar pode obter direcionamento preciso do feixe, varredura rápida do feixe e recursos aprimorados de rastreamento de alvos em comparação com sistemas de radar convencionais.

Os benefícios do radar de matriz progressiva incluem maior agilidade, flexibilidade e velocidade na direção e varredura do feixe. Ao contrário dos radares de varredura mecânica que requerem peças móveis, o radar phased array pode direcionar eletronicamente o feixe do radar em microssegundos, permitindo a varredura rápida do espaço aéreo circundante e o rastreamento de vários alvos simultaneamente. Esta capacidade aumenta a capacidade do radar de detectar e rastrear objetos em movimento rápido, como aeronaves e mísseis, e melhora a consciência situacional em ambientes operacionais dinâmicos. Além disso, o radar de matriz progressiva oferece custos de manutenção reduzidos e maior confiabilidade devido ao seu design de estado sólido e menos peças móveis.

Um exemplo deste tipo de radar é o sistema AN/SPY-1 usado em sistemas de combate AEGIS em navios da US Navy. O AN/SPY-1 é um radar multifuncional que utiliza tecnologia progressiva para fornecer vigilância de longo alcance, rastreamento e capacidades de defesa antimísseis. Consiste em vários conjuntos de elementos de antena dispostos em forma cilíndrica ao redor do mastro do navio. Ao direcionar eletronicamente os feixes de radar emitidos por essas matrizes, o radar AN/SPY-1 pode rastrear simultaneamente centenas de alvos e guiar mísseis para interceptar ameaças que chegam, tornando-o um componente crucial dos modernos sistemas de defesa naval.

Principais Parâmetros do Radar