Potência
Em radares com capacidade Doppler, a frequência é
fundamental para medir o movimento do alvo. O fenômeno do efeito Doppler causa
uma alteração na frequência do sinal refletido em comparação com a frequência
original emitida. Se o alvo está se aproximando, a frequência do eco é maior;
se está se afastando, a frequência é menor. A análise dessa mudança de
frequência (frequência Doppler) permite calcular a velocidade radial do alvo.
Nos radares de pulso, a distância é calculada medindo o tempo que o pulso de
energia leva para ir da antena ao alvo e retornar. A alta frequência da
portadora permite pulsos curtos e precisos, essenciais para uma boa resolução
de distância.
As frequências mais baixas (como a Banda L ou S, 2-4 GHz)
geralmente oferecem maior alcance porque sofrem menos atenuação atmosférica e
têm melhor capacidade de penetrar chuva ou nevoeiro. Frequências mais altas
(como a Banda X ou Ka, 10-40 GHz) têm comprimentos de onda menores, o que
permite maior precisão (resolução) e o uso de antenas menores, mas seu alcance
é limitado por condições climáticas.
Diferentes faixas de frequência são alocadas para usos
específicos: como exemplo temos a Banda
S (aprox. 2,7 - 2,9 GHz), comum em radares de controle de tráfego aéreo e
radares meteorológicos de longo alcance, devido à boa penetração em condições
climáticas adversas. A Banda X (aprox. 8 - 12 GHz) é usada em radares de
navegação marítima e radares meteorológicos de curto alcance, oferecendo alta
resolução para detalhes finos, como gotas de chuva.
A frequência é o coração da operação do radar, uma
propriedade física crucial que define como as ondas interagem com o ambiente e
os alvos. A escolha estratégica da frequência determina a finalidade e o
desempenho de um sistema de radar específico, seja para vigilância aérea,
previsão do tempo ou controle de velocidade.
O Ganho da Antena
A antena do radar é um parâmetro crucial que determina
fundamentalmente seu alcance, precisão e diretividade. Quanto mais concentrado
o feixe em uma direção específica, mais eficiente o radar tende a ser. Radares mais eficientes irradiam mais energia na direção do alvo e
captam os ecos mais fracos que retornam, estendendo significativamente o
alcance de detecção para uma dada potência de transmissão.
Outro fator de ganho está diretamente ligado à
diretividade. Antenas de alto ganho possuem um feixe mais estreito (menor
largura de feixe), o que aumenta a precisão na localização do alvo (resolução
angular) e reduz a interferência de alvos indesejados ou "clutter" vindos
de outras direções. Embora um alto ganho seja desejável para alcance e
precisão, ele geralmente implica em uma área de cobertura angular menor.
Radares que precisam escanear uma grande área (como radares de vigilância aérea
de longo alcance) devem girar a antena ou usar técnicas de varredura eletrônica
para cobrir o volume necessário. O ganho da antena não é apenas sobre
direcionar a energia, mas também considera as perdas internas da antena
(eficiência). A eficiência da antena influencia diretamente o sinal mínimo
detectável, que é a menor quantidade de energia que o receptor do radar pode
processar com sucesso para identificar um alvo.
O ganho da antena é um parâmetro de design fundamental
que os engenheiros equilibram para atender aos requisitos específicos da missão
de um radar, seja para detecção de longo alcance e precisão pontual ou para
cobertura de área mais ampla.
Todo radar opera emitindo radiação e captando em seguida
o seu eco. Essas emissões podem ocorrer na forma de pulsos cíclicos ou em onda
contínua. Nos radares de pulso existe um parâmetro fundamental chamado largura
do pulso, que define a duração exata da emissão de um único pulso. Tipicamente
medida em microssegundos, essa característica possui implicações diretas e
cruciais no desempenho do sistema, afetando, em particular, o alcance mínimo, a
resolução de distância e a energia total transmitida.
O radar é incapaz de detectar ecos enquanto está
transmitindo um pulso. A distância mínima a partir da qual um alvo pode ser
detectado (alcance mínimo - zona cega) é diretamente proporcional à
largura do pulso. Pulsos mais longos resultam em um alcance mínimo maior (e,
consequentemente, uma zona cega mais extensa ao redor do radar), o que pode ser
problemático para a detecção de alvos muito próximos. Inversamente, pulsos mais
curtos permitem a detecção de alvos a distâncias menores.
A Resolução de Distância refere-se à capacidade do radar
de distinguir 2 alvos próximos que estão na mesma direção (azimute). Essa
capacidade é inversamente proporcional à largura do pulso. Pulsos mais curtos
oferecem uma melhor resolução de distância, permitindo ao radar separar alvos
com pequenas diferenças de distância entre si. Por outro lado, pulsos mais
longos degradam essa resolução, fazendo com que alvos próximos apareçam como um
único objeto no display do radar.
A energia total contida em um pulso é proporcional à sua
largura. O alcance máximo de detecção de um radar depende da energia que ele
pode transmitir. Novamente pulsos mais longos contêm mais energia, o que
aumenta o alcance máximo do radar, permitindo a detecção de alvos mais
distantes.
Para alta resolução e alcance mínimo pequeno, são
desejáveis pulsos curtos e o contrário para alcances maiores. Os engenheiros precisam
encontrar um equilíbrio baseado na aplicação específica do radar (por exemplo,
um radar de navegação marítima pode priorizar a detecção de alvos próximos,
enquanto um radar de vigilância aérea pode priorizar o alcance máximo).
A energia total contida em um pulso é proporcional à sua
duração (largura temporal). O alcance máximo de detecção de um radar, por sua
vez, depende da energia que ele é capaz de transmitir.
Uma técnica avançada para mitigar esse conflito é a compressão
de pulso. Essa técnica utiliza pulsos longos (para energia e alcance) que são
codificados (modulados) e depois processados no receptor para obter a resolução
de um pulso curto.
A Frequência de Repetição de Pulsos (PRF), é um parâmetro
fundamental nos sistemas de radar pulsado. Ela define o número de pulsos que o
radar transmite por unidade de tempo, geralmente medido em Hertz (Hz) ou pulsos
por segundo (PPS). A PRF é crucial, pois determina diretamente o alcance máximo
não ambíguo do radar e influencia a medição da velocidade (em radares Doppler). O
tempo que um pulso leva para ir até um alvo e retornar, permite calcular a
distância (alcance) do alvo. O período de repetição de pulso (PRI), é o
intervalo de tempo entre o início de um pulso e o início do próximo. A PRF é o
inverso do PRI:
A relação entre a PRF e o alcance
máximo não ambíguo é inversamente proporcional. Para medir a distância de um
alvo com precisão, o pulso seguinte não deve ser emitido antes que o eco do
pulso anterior tenha retornado do alvo mais distante de interesse. Se um
segundo pulso for emitido muito rapidamente, o eco de um alvo distante pode
chegar após a emissão do próximo pulso, fazendo com que o radar interprete o
eco como vindo de um alvo muito mais próximo (um fenômeno conhecido como
ambiguidade de alcance ou range ambiguity).
O alcance máximo não ambíguo é a distância máxima na
qual um radar pode detectar um alvo de forma confiável, garantindo que o sinal
de retorno do eco corresponda ao pulso de transmissão mais recente. Além desse
limite, o sinal retornado é interpretado como vindo de um pulso anterior, o que
gera ambiguidade de alcance, fazendo com que o alvo pareça mais próximo do que
realmente está.
Uma baixa PRF permite um maior PRI e, consequentemente, um
maior alcance máximo não ambíguo, pois há mais tempo para os ecos retornarem.
No entanto, resulta em uma taxa de atualização de dados mais lenta. Uma Alta PRF
permite detectar alvos a distâncias menores com mais frequência, resultando em
uma melhor resolução de alcance e uma taxa de atualização mais rápida. No
entanto, introduz um risco maior de ambiguidades de alcance para alvos
distantes.
Em radares Doppler, que medem a velocidade dos alvos usando
a mudança na frequência do eco (efeito Doppler), a PRF também é um fator
crítico. A taxa de amostragem do sinal recebido é limitada pela PRF. Se for
muito baixa pode levar a ambiguidades na medição da velocidade (doppler
ambiguity ou aliasing), onde velocidades altas são interpretadas incorretamente
como velocidades baixas. Uma Alta FRP permite medir velocidades mais
altas sem ambiguidade, mas reduz o alcance máximo não ambíguo e vice versa.
A escolha da frequência de repetição de pulsos é um compromisso de design crucial na engenharia de radares. Os projetistas destes sistemas devem equilibrar cuidadosamente a necessidade de um longo alcance máximo não ambíguo com a capacidade de medir velocidades e alcances com alta resolução e sem ambiguidades, frequentemente utilizando técnicas avançadas como PRF variável para otimizar o desempenho do sistema.
Os pulsos de um radar podem ser balanceados visando oferecer
aos interferidores pacotes variáveis que dificultam a interpretação e
consequente resposta. Uma série de pulsos balanceados é fundamentalmente
composta por uma PRF básica que é sobreposta uma ou mais vezes. Cada emissão pode
valer-se de um tempo de partida distinto e sincronizado, o que impede a geração
de pulsos concorrentes ou pulsos sombreados, que são randomicamente selecionados,
que pode ser progressivo ou mais “nervoso” (jitter). Estes intervalos
determinados podem ser tão longos quando o as condições de alcance máximo
permitam. O número de níveis corresponde ao número de vezes que a PRF é
integrada à série de pulsos. O balanceamento dos pulsos e "jitter" são recursos projetados
para frustrar processadores de análise digital.
A largura de banda de um radar é um parâmetro
fundamental que determina diretamente sua capacidade de resolução de
alcance e a quantidade de informação que pode ser transmitida e recebida. Refere-se
à faixa de frequências que o sinal do radar ocupa. A característica mais
importante da largura de banda do radar é a sua relação inversa com a resolução
de alcance (a capacidade de distinguir entre 2 alvos próximos no mesmo
azimute).
Uma maior largura de banda resulta em uma melhor
resolução de alcance. Isso ocorre porque pulsos de radar mais curtos no domínio
do tempo (necessários para alta resolução) têm um espectro de frequência mais
amplo (maior largura de banda) no domínio da frequência. Uma largura de banda
de sinal maior permite a transmissão de mais informações. Em sistemas de radar
modernos, isso pode se traduzir em mais detalhes sobre os alvos, como
velocidade, tamanho e forma.
Os radares operam em diferentes faixas de frequência
(como banda X, banda S, etc.), cada uma com larguras de banda e aplicações
específicas. Por exemplo, radares de banda X têm larguras de banda menores, mas
são ideais para aplicações que exigem alta precisão em distâncias mais curtas,
enquanto radares de banda S são usados para vigilância de longo alcance. A
escolha da largura de banda envolve compromissos de engenharia. Larguras de
banda muito grandes podem ser mais suscetíveis a certas fontes de interferência
e desafios de processamento de sinal. Larguras de banda estreitas limitam a
resolução, mas podem oferecer melhor desempenho em condições climáticas
adversas ou em ambientes com muito clutter (ecos indesejados
do solo ou do mar). É importante notar que a largura de banda do sinal do radar
deve ser compatível com a largura de banda da antena e do receptor do sistema
para garantir a máxima eficiência na transferência de energia e processamento
do sinal.
A largura de banda é um fator crítico que define o desempenho do radar, especialmente na sua capacidade de "ver" detalhes no espaço, sendo uma consideração fundamental no design de qualquer sistema de radar.
Relação Sinal-Ruído (clutter)
A relação sinal-ruído (SNR) é um
parâmetro crucial para o desempenho de um radar, pois determina
diretamente sua capacidade de detectar alvos e a qualidade das
informações obtidas. Essencialmente, mede a proporção entre a potência do sinal
de eco desejado (do alvo) e a potência do ruído de fundo (sinais indesejados).
Uma SNR alta aumenta significativamente a probabilidade
de o radar detectar um alvo, mesmo em longas distâncias ou sob condições
adversas. Quanto mais forte o sinal em relação ao ruído, mais fácil é
distingui-lo do fundo. Níveis mais altos de SNR resultam em medições mais
precisas de alcance, velocidade e posição do alvo. Uma SNR baixa pode levar a
erros de medição ou até mesmo à perda do alvo (detecção falhada). O desempenho
do radar depende do estabelecimento de um limiar mínimo de detecção. O sinal do
alvo deve ultrapassar esse limiar para ser registrado. Uma SNR alta garante que
até mesmo sinais fracos de alvos distantes possam ser detectados acima desse
limiar. Otimizar a SNR é fundamental para a confiabilidade do sistema, pois
reduz a ocorrência de alarmes falsos (quando o ruído é interpretado como um
alvo) e melhora a resolução.
Entre os fatores que afetam a SNR temos a potência do
transmissor, onde radares mais potentes geralmente geram sinais de eco mais
fortes. A distância do Alvo pois o sinal enfraquece consideravelmente com a
distância, diminuindo a SNR para alvos longínquos. O tamanho, a forma e os
materiais do alvo (seção reta radar) afetam a intensidade do eco refletido. Ecos
indesejados refletidos por estruturas
fixas (solo, edifícios) ou fenômenos atmosféricos (chuva, neve) que geram o
chamado clutter (interferência), que compete com o sinal do
alvo e reduz a SNR. Componentes eletrônicos do próprio receptor do radar
introduzem ruído térmico e outras formas de interferência e outras fontes de
sinais eletromagnéticos próximos que podem interferir e degradar a SNR
A relação sinal-ruído é a métrica fundamental que define
a eficácia de um sistema de radar, sendo um objetivo de design e operação
constante a sua maximização.
