Sensores electromagnéticos: los

sensores electromagneticoscon correcciones:Complejidad y tecnologia....qxd 18/07/2011 19:49 Página 1


SENSORESELECTROMAGNÉTICOS

Los “Sentidos” de los Sistemas

para la Defensa y la Seguridad

Félix Pérez Martínez


Primera edición: Septiembre 2011

Edita:Fundación Rogelio Segovia para elDesarrollo de las TelecomunicacionesCiudad Universitaria, s/n28040-Madrid

Imprime:VA impresores

Diseño de cubierta y maquetación: Rocio Ortega

ISBN (13): 978-84-7402-378-7Depósito Legal: M-33303-2011


Índice

PRESENTACIÓN 5Capítulo 1: INTRODUCCIÓN. Los sensores, elementos básicos en los

sistemas de Defensa y Seguridad 9

1.1 Escenarios operativos........................................................................ 91.2 La interacción a distancia mediante ondas electromagnéticas:................ 12

sensores electromagnéticos1.3 Redes de sensores............................................................................ 141.4 Estructura del documento.................................................................. 15

Capítulo 2: CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS Y OPERATIVAS DE 19UN SENSOR. La importancia de la banda de frecuenciasutilizada

2.1 Características operativas de un sensor electromagnético................ 202.2 Características técnicas de un sensor electromagnético................... 21

2.2.1 Resolución angular........................................................................... 212.2.2 Características de propagación........................................................... 252.2.3 Capacidad de penetración................................................................. 272.2.4 Otras características......................................................................... 27

2.3 Sensores pasivos y activos........................................................... 28

Capítulo 3: CLASIFICACIÓN DE LOS SENSORES 33 ELECTROMAGNÉTICOS. Ventajas y limitaciones delos diferentes tipos de sensores

3.1 Sensores magnéticos.................................................................. 343.2 Sensores de microondas/RF.......................................................... 35 3.3 Sensores en bandas milimétricas.................................................. 363.4 Sensores optoelectrónicos............................................................ 383.5 Resumen: complementariedad de los sensores electromagnéticos..... 40

Capítulo 4: SENSORES DE RADIOFRECUENCIA/MICROONDAS. 45La importancia de ser “todo tiempo”

4.1 Receptores de guerra electrónica.................................................. 454.1.1 Tipos y características..................................................................... 474.1.2 Receptor de exploración.................................................................. 494.1.3 Receptor digital.............................................................................. 51

4.2 Sistemas Radiogoniométricos....................................................... 54 4.2.1 Principios básicos de funcionamiento................................................. 544.2.2 Características técnicas y fuentes de error de los radiogoniómetros...... 624.2.3 Localización de emisores................................................................. 64


4.3 Sistemas Radar........................................................................... 66 4.3.1 Principio de funcionamiento............................................................. 664.3.2 Estructura básica de un radar. Tecnologías empleadas......................... 714.3.3 Tipos de Radares............................................................................ 76

4.4 Aplicaciones y tendencias............................................................. 99

Capítulo 5: SENSORES OPTOELECTRÓNICOS. 105Excelentes prestaciones si el tiempo no lo impide

5.1 Fundamentos de los sensores optoelectrónicos............................... 1065.1.1 Entorno electromagnético................................................................ 1075.1.2 Características de propagación......................................................... 1115.1.3 Sistemas de detección..................................................................... 1135.1.4 Sistemas optoelectrónicos. Aplicaciones............................................. 118

5.2 Seguidores optoelectrónicos......................................................... 1195.3 Cámaras térmicas....................................................................... 125 5.4 Radares láser.............................................................................. 1295.5 Tendencias futuras...................................................................... 132

Capítulo 6: SENSORES EN BANDAS MILIMÉTRICAS. 137Precisión e identificación a corta distancia

6.1 Radares de milimétricas............................................................... 138 6.2 Cámaras de milimétricas.............................................................. 1416.3 Municiones inteligentes................................................................ 1436.4 Tendencias futuras...................................................................... 147

Capítulo 7: INTEGRACIÓN DE SENSORES Y FUSIÓN DE DATOS 151EN LOS SISTEMAS DE DEFENSA Y SEGURIDAD.Sistemas C4ISTAR en un entorno NEC

7.1 Procesos de información en un sensor............................................ 1517.2 Fusión de datos.......................................................................... 1547.3 Sistemas C4ISTAR en un entorno NEC........................................... 155

Capítulo 8: A MODO DE CONCLUSIÓN. 161Hacia las redes de sensores y las tecnologías cognitivas

ANEXO: 30 AÑOS DE DESARROLLO DE TECNOLOGÍAS DE SENSORES 165EN ESPAÑA. Un ejemplo de éxito y de colaboración entreadministraciones, empresas y universidades

Referencias bibliográficas 179


Presentación

Siguiendo con la serie de “Cuadernos de la Cátedra Isdefe-UPM” para la divulga-ción rigurosa de tecnologías importantes en los ámbitos de la Seguridad y laDefensa, se edita y se presenta ahora el dedicado a los “sentidos” de los sistemasdenominados C4ISTAR, acrónimo de Comando, Control, Comunicaciones,Computadores, Inteligencia, Vigilancia (Surveillance), Captación de Objetivos(Target Adquisition) y Reconocimiento, funciones, todas ellas, de vital importan-cia para las Fuerzas Armadas y las Fuerzas y Cuerpos de Seguridad del Estado.

En los últimos veinte años, desde el final de la “Guerra Fría”, han cambiado mucholos escenarios de la guerra y del terrorismo, se han modificado las estrategias deDefensa y Seguridad y las tácticas desplegadas, lo que ha conducido a una rápi-da evolución de las tecnologías asociadas.

Este cuaderno presenta de forma panorámica y rigurosa las principales tecnologíasy sistemas utilizados actualmente, analizando las distintas aplicaciones según lasnecesidades. No es un libro dirigido únicamente a los expertos, sino que pretendetransmitir a personas con interés en estos campos una visión de los conceptosbásicos que permitan entender el funcionamiento de estos sistemas, sus ventajasy limitaciones, así como las razones que explican la selección de unos u otros paralas diferentes circunstancias.

Como viene siendo habitual, el libro se completa con unos anexos en los que selistan empresas españolas que tienen actividades en el ámbito de los sensoreselectromagnéticos, así como grupos de I+D en universidades y organismos públi-cos que trabajan en temas relacionados. Conviene destacar que en esta área tec-nológica ha habido desde hace tiempo una colaboración fructífera entre las univer-sidades y las empresas.

Por último, señalaré que el autor, Félix Pérez Martínez, Catedrático de la EscuelaTécnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación, posee una amplia experienciaen el tema que nos ocupa y ha hecho un gran esfuerzo para facilitar la compren-sión de las ideas más importantes que subyacen en el diseño y operación de estoselementos esenciales en los sistemas empleados en la Seguridad y la Defensa.

Maurici LucenaVicepresidente Ejecutivo de Isdefe

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Capítulo 1

INTRODUCCIÓN.

Los sensores elementos básicos

en los sistemas de Defensa y

Seguridad



1. INTRODUCCIÓN. Los sensores, elementos básicos en lossistemas de Defensa y Seguridad

La Real Academia Española (RAE) define sensor como un dispositivo que detectauna determinada acción externa, temperatura, presión, etc., y la transmite ade-cuadamente. La definición hace referencia a dos hechos fundamentales en el tra-bajo de un sensor: siempre se mide algún parámetro físico y no es útil si no sehace llegar la información obtenida a un elemento capaz de procesarla para sumi-nistrar valor añadido en alguna funcionalidad de un sistema de nivel superior.

Este libro está dedicado a un tipo especial de sensores que hemos denominadosensores electromagnéticos, un concepto que pretende agrupar a aquellos dispo-sitivos y sistemas diseñados para extraer información a distancia sobre objetos deinterés mediante las propiedades de las ondas electromagnéticas: emisividad,reflectividad y propagación en un medio físico, generalmente la atmósfera terrestre.

No son objeto de estas páginas aquellos sensores que pudiéndose basar en fenó-menos electromagnéticos, por ejemplo las variaciones del campo magnéticoterrestre o el cambio en la carga de una capacidad por la deformación de un mate-rial, obtienen información sobre el objeto “in situ”; aunque ocasionalmente y paracompletar el contenido de ciertos apartados, haremos alguna referencia a algunode ellos, concretamente a los sensores magnéticos.

Los sensores que se describirán en las siguientes páginas constituyen los “ojos” ylos “oídos” de los sistemas de seguridad y defensa por su capacidad para detec-tar, localizar, caracterizar y/o identificar señales y objetos -generalmente denomi-nados en ambos casos blancos- y se emplean masivamente para suministrar losdatos que permiten la operación de los actuales sistemas de mando y control, sis-temas de armas, inteligencia, guerra electrónica y un largo etcétera.

1.1 Escenarios operativos

Las características de los escenarios en que se desarrollan los conflictos han evo-lucionado considerablemente en los últimos años. Lejos están los tiempos de la“guerra fría” cuando grandes ejércitos, con sistemas tecnológicamente muy avan-zados, se preparaban para combatir en grandes extensiones –prácticamente entodo el globo terráqueo- disponiendo de ingentes capacidades de destrucción. Losactuales y futuros conflictos presentan características muy diferentes entre las quedestaca la asimetría de los contendientes y la dificultad cada vez mayor para dife-renciar entre sí los ámbitos de la Defensa y de la Seguridad. En todo caso, se man-tiene el carácter global de los conflictos y la aplicación masiva de medios y tecno-logías para tratar de asegurar el éxito de las acciones.

En lo que coinciden casi todos los documentos escritos sobre las características deestos escenarios es en asegurar que en ellos las operaciones serán mucho más

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complejas por la amplitud, diversidad y vacuidad de los espacios en que se desarro-llan; los condicionantes de las opiniones públicas; la asimetría de las reglas deenfrentamiento; la utilización de nuevas tecnologías y armas de destrucción masi-va; el volumen y extensión de las infraestructuras críticas a proteger; y en el valorde la información como una nueva dimensión del combate.

Esta nueva dimensión se conformará mediante el uso de múltiples sensores quese integrarán –con ayuda de sofisticadas redes de comunicaciones- junto con losSistemas de Información para Mando y Control (C2, Command and Control) demanera que permitan dar una respuesta eficaz a las incidencias del campo de ope-raciones en el menor tiempo posible. El éxito de las acciones estará condicionadopor la disponibilidad de sistemas de vigilancia capaces de controlar el espacio noocupado (lo que se ha definido como vacuidad), sistemas capaces de cubrir gran-des extensiones con orografías de montañas y desiertos pero también escenariosurbanos, de menores dimensiones espaciales pero densamente poblados y connumerosas infraestructuras y obstáculos.

En definitiva, desplegando sensores -“ojos y oídos” capaces de trabajar a distan-cia de las amenazas- se ponen las bases para que unas fuerzas combatientesadquieran y mantengan la superioridad en la información, y por lo tanto, en elcombate. De hecho, para conseguir esta capacidad, a lo largo de los últimos 50años se ha incrementado exponencialmente el número y calidad de los sensores-fijos y desplegables- que son distribuidos a lo largo del escenario de conflicto.Sensores que están conectados mediante redes de comunicaciones capaces deseleccionar la información operativa de interés y hacer llegar volúmenes crecien-tes de datos a unos sistemas de información con enormes capacidades de proce-sado y presentación de los mismos. Son los sistemas C4ISTAR (Command,Control, Communications, Computers, Intelligence, Surveillance, Target Acqui-sition, and Reconnaissance), esenciales para incrementar el conocimiento de lasituación de un comandante y por tanto de la calidad de su toma de decisiones.

En la figura 1.1 se presentan tres escenarios muy diferentes en los que puedecomprobarse el papel desempeñado por los sensores electromagnéticos.

El primero es un escenario global para la defensa frente a misiles balísticos: elIBMDS (Integrated Ballistic Missile Defense System). Obviamente en este sistemalos sensores deben trabajar con alcances muy elevados por lo que el IBMDS sebasa principalmente en radares fijos y transportables ubicados a lo largo de lasuperficie terrestre en las plataformas más diversas -vehículos terrestres, buquesy satélites- trabajando en diferentes bandas de frecuencia según la fase de la tra-yectoria del misil amenaza. Por su parte, los sensores espaciales trabajan funda-mentalmente detectando la energía infrarroja del misil en vuelo. Por supuesto quelas armas que los destruyen -misiles y láseres- también son dirigidos por suscorrespondientes sensores.

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Figura 1.1 Ejemplos de escenarios operativos

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MILSAT MAGAZINE. May 2008 http://www.milsatmagazine.com

Sistema de Defensa Antimisiles Balísticos

Elaboración propia a partir de imágenes obtenidas en :www.guardiacivil.org

EADS. September 2006http://www.defesanet.com

.br/e ads/comfut.htm

Sistema Integrado de Vigilancia Exterior Combatiente del Futuro


El segundo escenario es más limitado espacialmente pero todavía muy extenso: lavigilancia de fronteras marítimas. Un buen ejemplo es el SIVE (Sistema Integradode Vigilancia Exterior) que protege nuestras fronteras marítimas y cuyos sensoresobtienen información en tiempo real que es enviada a un centro de control (porejemplo el situado en Algeciras). Incluye una red de sensores de radar, cámarasinfrarrojas y de vídeo de gran alcance (decenas de km), para una vigilancia con-tinua tanto de día como de noche. También incluye sensores acústicos de menoralcance. El centro de control coordina las misiones de inteligencia y las activida-des de interceptación por los cuerpos y fuerzas de seguridad.

El tercer escenario es el más limitado, incluye el área de acción de un soldado deinfantería. El equipamiento del soldado del futuro que se está definiendo en lasdiferentes fuerzas armadas se caracteriza por el uso de diversos sensores, funda-mentalmente optrónicos (cámaras de visión diurna y nocturna para vigilancia yapuntamiento del arma), pero también otros (sensores de proximidad, detecciónde explosivos, etc.), realizados con otras tecnologías, que serán incorporados enla medida que se reduzcan sus tamaños pesos y consumos.

1.2 La interacción a distancia mediante ondas electromagné-ticas: sensores electromagnéticos

En los párrafos anteriores se ha puesto de manifiesto la importancia de los senso-res como elementos capaces de obtener información a distancia de objetos deinterés. ¿Cómo se puede conseguir? La clave es la interacción a distancia que per-miten las ondas electromagnéticas.

Un campo electromagnético es la asociación de un campo eléctrico y otro magné-tico variantes con el tiempo que se propagan por el espacio y son capaces demover cargas eléctricas. Propiedades que permiten transmitir a las cargas eléctri-cas en un punto del espacio los patrones (variaciones temporales) definidos enotro punto del espacio alejado del primero. Esta interacción a distancia permiteenviar información entre dos puntos (técnicas de radiocomunicación) y obteneralguna información relativa a un objeto (técnicas de radiodeterminación). Estasúltimas serán el argumento de estas páginas.

La estructura más elemental de un sistema radioeléctrico consiste en un transmi-sor (natural o artificial) que genera y emite la energía electromagnética que sepropaga y un receptor que detecta la onda emitida y le extrae la información. Enel camino de propagación de la onda pueden existir objetos de interés sobre losque ésta incide, modificándose sus propiedades y aportándole información rele-vante sobre los mismos. Un elemento esencial son las antenas que permiten“radiar” y “recoger” la energía de las ondas electromagnéticas trasformando movi-miento de cargas eléctricas en campos y viceversa.

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Con carácter general las señales utilizadas tienden a concentrar su energía en tornoa una zona específica del espectro electromagnético, lo que permite compartir elmedio de trasmisión con otros servicios y simplifica el diseño y fabricación de losequipos requeridos. De este modo las señales se pueden representar como sinusoi-des de una determinada frecuencia, denominada frecuencia portadora, moduladaspor otras señales –en amplitud, fase o frecuencia- con componentes espectrales defrecuencias mucho más bajas en las que radica la información transmitida. La pro-liferación de sistemas de radiocomunicación y radiodeterminación para satisfacer elincremento constante de la demanda de todo tipo de servicios ha convertido elespectro electromagnético (figura 1.2) en uno de los recursos más escasos.

Figura 1.2 Espectro electromagnético

La longitud de onda, λ = c/f (c la velocidad de la luz en el medio de trasmisión y f la fre-cuencia de la portadora), es la distancia a la que se repite un cierto valor de campo.Cuando las longitudes de onda son muy pequeñas y se aproximan al tamaño de los áto-mos y moléculas (λ en torno a las decenas de micras o menos, frecuencias muy eleva-das del orden de teraherzios –1012 Hz- o superiores) los fenómenos físicos implicados sesuelen modelar de forma diferente. Los sistemas ya no se denominan radioeléctricos,sino optoelectrónicos y sus técnicas de diseño y fabricación así como las tecnologíasempleadas son muy diferentes. De hecho se tienden a considerar disciplinas académicasdiferentes, incluso se utilizan vocabularios distintos para conceptos muy similares.

En este libro intentaremos dar una visión lo más unificada posible de los sensorescon independencia de su banda de trabajo. Buscando y explicitando las analogíasentre ambos mundos en aras a una comprensión más sencilla de los conceptosbásicos empleados.

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Extraída de: http://www.lbl.gov/MicroWorlds/ALSTool/EMSpec2.html


1.3 Redes de sensores

Ya se ha indicado que los sensores obtienen informaciones valiosas para otros sis-temas por lo que sus salidas suelen ser las entradas de sofisticadas redes decomunicaciones que las hacen llegar allí donde pueden ser explotadas. Desde estepunto de vista es habitual que los sensores “estén en red” como un elemento másde un sistema de orden superior. Sin embargo estas redes no deben ser confun-didas con lo que desde hace unos años se conoce como “redes de sensores”.

El concepto moderno de “redes de sensores” surge de los procesos de miniaturi-zación y abaratamiento de los equipos que permite cubrir grandes áreas de vigi-lancia utilizando muchos sensores –en algunos casos varios millares- a los que seasocia unos sistemas de comunicaciones, también miniaturizados y baratos, debajo consumo y con inteligencia para, trabajando de forma coordinada y con unobjetivo común, cubrir áreas extensas a pesar de que su alcance individual seapequeño.

A modo de ejemplo, se puede vigilar una zona fronteriza mediante un sistema clá-sico basado en el uso de un único sensor radar que tiene un alcance de unas dece-nas de kilómetros o, alternativamente, en un futuro inmediato se podrá situar “insitu” centenares de sensores sísmicos que detecten las ondas mecánicas produci-das sobre el terreno por las pisadas de las personas y animales o por las ruedasy cadenas de los vehículos. Sus coberturas serán inferiores a 100 metros pero secomunicarán entre sí de modo inteligente para optimizar la probabilidad de detec-ción y hacer llegar la información al centro de mando y control trasmitiéndoselaunos a otros. Estas redes inalámbricas, conocidas como “ad-hoc”, son auto-confi-gurables para facilitar su despliegue sobre el terreno y están revolucionando algu-nos de los conceptos tradicionales en el campo de la seguridad por la gran reso-lución espacial y temporal (intervalo entre medidas) que permiten.

Nótese que en este caso también se utilizan las propiedades de las ondas electro-magnéticas para obtener coberturas extensas pero se hace mediante técnicas deradiocomunicación. Estos sistemas no son objeto de este cuaderno.

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1.4 Estructura del documento

En el próximo capítulo comprobaremos que las características operativas de lossensores están definidas en gran medida por la banda de frecuencias en la quetrabajan, lo que explica la distribución y ordenación escogida para exponer loscontenidos del cuaderno.

En efecto, tras esta introducción, dedicaremos un capítulo a describir la influenciaque tiene la banda de trabajo en las características técnicas y operativas de unsensor, lo que nos permitirá, siguiendo la metodología de S.A. Hovanessian [1],clasificarlos en sensores magnéticos, de radiofrecuencia, de bandas milimétricas yoptoelectrónicos, así como hacer una primera comparación de sus prestaciones.

A continuación y en sucesivos capítulos, se describen en detalle cada uno de ellos.La integración de sensores, más bien de las informaciones por ellos obtenidas,será el objeto de un capítulo posterior que concluirá con una breve referencia alos sistemas C4ISTAR y al nuevo concepto NEC (Network Enabled Capability), lasherramientas de alto nivel que actualmente y en el futuro próximo permitiránobtener la necesaria superioridad de la información.

Finalizaremos el cuaderno describiendo, en un anexo, las actividades de lasempresas y grupos de investigación españoles en este subsector, comprobandoque su volumen y calidad constituye una excepción a la regla en un país en el queapenas se desarrollan tecnologías ni sistemas propios.

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Capítulo 2

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS

Y OPERATIVAS DE UN SENSOR.

La importancia de la banda de

frecuencias utilizada



2. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS Y OPERATIVAS DE UN SENSOR.La importancia de la banda de frecuencias utilizada

Las características operativas de los sensores están definidas en gran medida porsu banda de trabajo y su carácter activo o pasivo, es decir, según requieran ilumi-nar al blanco o utilicen una fuente radiante generada en el blanco. En este apar-tado el concepto de blanco se emplea en el sentido más general del término,puede ser un objeto, una persona, una emisión electromagnética, etc.

En la figura 2.1 pueden observarse ejemplos de los datos obtenidos por diversostipos de sensores trabajando en diferentes bandas. Es evidente la calidad de lasinformaciones obtenidas con los actuales sistemas, así como sus diferencias enfunción de la banda de trabajo. Todo ello es consecuencia de las limitaciones tec-nológicas a la hora de realizar las antenas y lentes de los sensores.

Figura 2.1 Ejemplos de datos obtenidos por sensores electromagnéticos

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Fuente: diversas páginas en la web y [20]

SENSORES ACTIVOSMicroondas/RF

SENSORES PASIVOSMilimétricas

Electroópticos

Microondas/RFElectroópticos


2.1 Características operativas de un sensor electromagnético

Los sensores electromagnéticos se caracterizan por un conjunto de propiedadesque afectan directamente a su empleo por los operadores. Estas características,que hemos denominado operativas, dependen del tipo de funcionalidad esperaday son las que interesan a los usuarios pues definen su eficacia en el campo de ope-raciones. Algunas de las más significativas se presentan a continuación:

•Función detección. Con la que se pretende determinar la existencia o no deun blanco en una zona determinada.

- Cobertura: espacio físico alrededor del sensor en el que se mantienen lascaracterísticas especificadas para el mismo. Cuando se especifica de formaunidimensional se suele denominar alcance.

- Probabilidad de detección: probabilidad de que el blanco sea detectado,cuando este exista. Obviamente este parámetro depende de las característi-cas del blanco y de su situación respecto del sensor.

- Probabilidad de falsa alarma: probabilidad de que el sensor detecte unblanco que no existe. Es un parámetro que sólo depende del sensor, no delblanco.

- Tiempo de refresco de la información: tiempo trascurrido entre dos explo-raciones sucesivas de la zona de cobertura.

•Función localización. Con la que se pretende determinar la posición de unblanco en una, dos o tres dimensiones.

- Rango de medida: margen en cada una de las dimensiones en que el sen-sor trabaja. Si es un sensor unidimensional, generalmente se caracteriza porla distancia mínima y la distancia máxima.

- Resolución espacial: es el tamaño de la celda –en una, dos o tres dimen-siones- en el que el sensor es capaz de discriminar dos blancos diferentes.

- Precisión: error esperado en la medida en cada dimensión operativa. Sepuede dar como un error máximo en metros, como una desviación típica ocomo un error esperado para una probabilidad determinada. En los dos últi-mos casos se supone que el error es de carácter gaussiano, lo que suele sermuy aproximado a la realidad en casi todos los casos prácticos.

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También se definen el sector de operación, resolución y precisión angularcuando el sensor determina la dirección del blanco pero suele ser más difícil deinterpretar en entornos operativos por lo que es más conveniente considerarloscomo una característica técnica y definir la resolución y precisión espacial a unadeterminada distancia.

•Funciones clasificación/reconocimiento e identificación. Con las que sepretende, en el primer caso, distinguir objetos de tamaño similar (por ejemplouna aeronave comercial de una militar, o un camión de un carro de combate) y,en el segundo caso, la designación específica de un blanco.

- Cobertura: espacio físico alrededor del sensor en el que es capaz de clasifi-car o identificar, en cada caso, a los blancos con las características especifica-das para el mismo.

- Probabilidad de clasificación o identificación: probabilidad de que elblanco sea reconocido o identificado.

- Probabilidad de falsa clasificación o identificación: probabilidad de queel sensor clasifique o identifique al blanco incorrectamente.

- Tiempo de clasificación o identificación: tiempo necesario para llevar acabo la clasificación o la identificación de un blanco desde el momento en que,tras su detección, se activan estas funcionalidades.

2.2 Características técnicas de un sensor electromagnético

A diferencia de las características anteriores, éstas están mucho más próximas alos diseñadores y se derivan directamente de los principios de funcionamiento delos sensores. Obviamente las características que denominamos técnicas definenlas características operativas.

2.2.1 Resolución angular

Todo sensor electromagnético requiere una antena o lente –generalizando, unaapertura radiante- que tiene dos funciones básicas: adaptar la energía electro-magnética al medio atmosférico y, en la mayor parte de los casos, concentrar(recoger) esta energía en (desde) direcciones privilegiadas. Es importante desta-car que, en general, las aperturas radiantes tienen un comportamiento recíproco,es decir tienen las mismas características cuando se utilizan para emitir las ondaselectromagnéticas que cuando se emplean para recibirlas.

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La capacidad de concentrar esta energía (especificada como ancho de haz o direc-tividad de la antena en el caso de los sensores en radiofrecuencia y como campode visión instantáneo en los optoelectrónicos) es inversamente proporcional altamaño físico de la apertura de la antena o lente medido en longitudes de onda.De modo que, para un mismo tamaño físico, a medida que sube la frecuencia detrabajo, el ancho del haz obtenido es menor y aumenta proporcionalmente laganancia de la antena. La utilización de sensores con haces muy estrechos tieneimportantes ventajas operativas [1], [2].

La resolución angular define la capacidad para discriminar la información espacial-mente y está definida por el ancho de haz obtenida con la apertura radianteempleada y determina una buena parte de las características operativas de unsensor, tales como la precisión, la capacidad de separación e identificación deblancos, la eficacia en la adquisición y seguimiento de los mismos, así como elrechazo a señales no deseadas. La resolución angular de una apertura circular dediámetro D puede estimarse mediante la siguiente expresión [1]:

Donde Ka es una constante próxima a 1, λ es la longitud de onda de la señal y Rla distancia a la que está situado el blanco. En casi todos los casos prácticosR>>D, quedando simplificada la expresión a

Nótese que la resolución angular es inversamente proporcional a la apertura eléc-trica (D/λ) del elemento radiante del sensor.

La resolución angular se suele denominar también directividad, expresión quealude a la capacidad que tiene la apertura de concentrar (recoger) la energía elec-tromagnética en (desde) direcciones privilegiadas. Obviamente, para un mismotamaño físico, a medida que aumenta la frecuencia de trabajo, el ancho de hazobtenido es menor y, por consiguiente, aumenta la directividad.

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A modo de ejemplo, para una apertura circular que determina un diagrama deradiación aproximadamente tipo pincel, la directividad viene dada por la siguienteexpresión:

donde η toma un valor comprendido entre 0.5 y 0.8.

Es importante resaltar que la directividad influye directamente en el alcance delsensor pues está directamente relacionada con la ganancia obtenida en los siste-mas por las antenas y lentes.

En definitiva, la utilización de sensores con haces muy estrechos tiene importantesventajas operativas, entre las que destacamos como más significativas el incre-mento del alcance, el aumento de la directividad, la mejora de la precisión en lamedida de la posición del blanco, una mayor discriminación de blancos y el aumen-to de la facilidad en la detección de blancos en presencia de suelo u obstáculos.

A modo de ejemplo, en la figura 2.2 se presentan algunos cálculos sencillos paraponer de manifiesto el alcance de la afirmación anterior:

•Discriminación espacial. En la naturaleza los blancos -o los elementos que loscomponen en el caso de desear obtener una imagen- se presentan separadosespacialmente, por lo tanto la capacidad de discriminación necesaria no vienedada por el la resolución angular sino por el arco asociado a la misma a unadeterminada distancia. Lo más significativo desde el punto de vista operativo esque esta capacidad disminuye proporcionalmente con la distancia en la mayorparte de las situaciones.

•Incremento del alcance. En los sensores pasivos el alcance es aproximada-mente proporcional al tamaño de la apertura eléctrica (D/λ), mientras que enlos sensores activos que utilizan la misma apertura en transmisión y recepciónes proporcional al cuadrado de es tamaño.

•Incremento de la precisión en la determinación de la posición. La preci-sión en la medida de la posición del blanco es proporcional al ancho del haz desensor empleado (por ejemplo, si se usa un procesador monopulso para obte-ner la dirección de un blanco o el ángulo de llegada de un frente de ondas, elerror instrumental típico es ∆θ = θB/30). A la frecuencia de 1 GHz, con unaapertura de antena de 1 m y a 100 km, la precisión se puede estimar en 1000 m.Si se trabaja a 100 GHz con la misma apertura, el error a la misma distancia sereduce a 10 m, lo que puede permitir el apuntamiento directo de armas.

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Figura 2.2 Consecuencias operativas de la resolución angular de un sensor

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•Discriminación de blancos ante otros blancos no deseados. El incremen-to de la resolución angular disminuye el nivel de señales no deseadas que reco-ge el sensor. En la figura se muestra como se facilita la detección de blancos abaja cota, al evitar la reflexión sobre el suelo y disminuir el área del terreno ilu-minado. (No debe olvidarse que se pueden resolver blancos dentro de la mismacelda de resolución si las radiaciones recibidas tienen alguna característica dife-rencial, por ejemplo, la señal sufre un desplazamiento Doppler dependiente dela velocidad de los blancos o emisoras a detectar).

No siempre el uso de haces estrechos es lo más adecuado. La utilización de sen-sores con haces estrechos complica la realización de la función exploración alaumentar drásticamente el número de celdas que deben ser analizadas. La adqui-sición de blancos (detección en amplias zonas de cobertura) se suele realizar consensores de frecuencias comparativamente bajas.

En definitiva, dado que por razones mecánicas, de coste, de peso, etc., lo habituales que esté limitado el tamaño físico de las aperturas utilizables, los párrafos ante-riores nos indican que interesa que los sensores trabajen a la frecuencia más altaposible si se utilizan para la localización, seguimiento o identificación de blancos.Por el contrario, si lo que se pretende es detectarlos en amplias zonas de cober-tura, es más conveniente utilizar señales de frecuencias inferiores.

2.2.2 Características de propagación

La mayor parte de los sensores electromagnéticos trabajan en la atmósfera, lacual está compuesta por un conjunto de gases que afectan a la propagación de lasondas electromagnéticas de forma diferente según la frecuencia de trabajo. De losdiferentes efectos producidos por éste medio el más significativo es la atenuaciónque sufren al propagarse por el medio.

En la figura 2.3 se presentan las curvas clásicas de atenuación atmosférica (endB/km) en tiempo claro y en función de la frecuencia. Puede comprobarse que pordebajo de 10 GHz su efecto es muy pequeño, sin embargo en las bandas de mili-métricas resuenan las moléculas de oxígeno y vapor de agua presente en laatmósfera convirtiendo en calor la energía transmitida por la onda y atenuándolade forma significativa. La atenuación se hace muy grande entre 300 y 30.000 GHz,para bajar (aunque sigue siendo alta) a frecuencias superiores. Dos consideracio-nes deben ser resaltadas:

•Existen ventanas de baja atenuación a 34, 95, 140 y 240 GHz en las que nor-malmente deben trabajar los sensores.

•Un fenómeno similar se da en las bandas infrarroja y visible.

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La figura 2.4 muestra la atenuación introducida por la lluvia y la niebla (en dB/km)en función de la frecuencia. Es evidente que por encima de 20 GHz los sensoressólo pueden trabajar con lluvia si la distancia es muy corta y que, si hay niebla,los sensores optoelectrónicos no pueden utilizarse.

En definitiva, sólo los sensores que trabajan por debajo de banda X (unos 10 GHz)pueden ser considerados “todo tiempo” para distancias de centenares de kilóme-tros y hasta 30 GHz para alcances del orden de la decena de kilómetros.

Figura 2.3 Atenuación atmosférica de las ondas electromagnéticas [1]

Figura 2.4 Atenuación de las ondas electromagnéticas por lluvia y niebla [1]

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2.2.3 Capacidad de penetración

En algunos casos es conveniente atravesar obstáculos que se interponen entre elsensor y el blanco: vegetación, camuflajes, paredes, etc. Las señales de frecuen-cias inferiores a algunos GHz tienen la propiedad de atravesar la vegetación, inclu-so las frecuencias inferiores pueden penetrar en el suelo. La importancia de estehecho en algunas aplicaciones es evidente.

Por otro lado, la capacidad de penetración –atenuación que sufre la señal al atra-vesar el obstáculo- en cada banda de frecuencias depende fuertemente del mate-rial y de sus dimensiones, por lo que la afirmación anterior debe matizarse ensituaciones particulares. Así, se ha demostrado recientemente la capacidad de rea-lizar sensores que “atraviesan las paredes” en las bandas milimétricas.

2.2.4 Otras características

A la hora de seleccionar la frecuencia de trabajo de un sensor, existen otras carac-terísticas que condicionan la elección; en algunos casos de forma muy significati-va. Se comentan brevemente a continuación.

Peso y tamaño. En general, el tamaño y peso de los componentes utilizados estádirectamente ligado a la longitud de onda de trabajo; por lo que, a medida que sesube en frecuencia, los equipos tienden a ser más pequeños y livianos. Por otrolado, también tienden a ser frágiles, especialmente en el caso de los sensoresoptoelectrónicos.

Señales transmitidas. La precisión de un sensor en la medida de distancias y sucapacidad de identificación están directamente ligada al ancho de banda procesa-do. Asimismo, las técnicas de espectro ensanchado, características de las técnicasLPI (Low Probability of Interception), también requieren la trasmisión y procesa-miento de elevados anchos de banda. El empleo de frecuencias portadoras eleva-das, f0, permite utilizar señales moduladoras de gran ancho de banda absoluto, Δf,pero con anchos de banda relativos pequeños (Δf/f0), y por tanto tecnológicamen-te más fáciles de obtener. Por ejemplo, un ancho de banda de la señal de 2 GHz,lo que permite una precisión en distancia del orden de décimas de metro, sólosupone un 2% de ancho de banda relativo del cuando se usa una portadora de 100GHz, ancho de banda que no supone una dificultad adicional de diseño. Por el con-trario, si se trabaja a 5 Ghz, el ancho de banda relativo es del 40% complicandoenormemente el diseño de algunos elementos del sistema, como la antena o lostransmisores.

Sección radar y radiación en el espectro. Las propiedades de reflexión de lasondas sobre un blanco dependen fuertemente de la frecuencia, por lo que su sec-ción radar es un criterio importante a la hora de seleccionar la banda de operación

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de un sensor activo. Asimismo, la energía emitida por un objeto a cierta tempera-tura es muy dependiente de la frecuencia, siendo este dato el que condiciona labanda de operación.

Prestaciones de los componentes. En general, las prestaciones obtenidas conlas tecnologías disponibles disminuyen al aumentar la frecuencia, sobretodo lacapacidad de transmisión de potencia que disminuye dramáticamente con el incre-mento de la frecuencia. La sensibilidad de los receptores también se degrada.Especialmente significativa es la dificultad que se produce cuando la banda de tra-bajo y las especificaciones establecidas para el sensor impiden la utilización detecnologías de estado sólido y es necesario recurrir al empleo de tubos electrónicos.

2.3 Sensores pasivos y activos

Los sensores pasivos -aquellos que no requieren iluminar al blanco- presentanalgunas ventajas muy significativas porque, a diferencia de los sensores activos,no son una fuente de radiación que emite una señal al espacio que puede serdetectada y localizada. De hecho es habitual el uso de sensores pasivos, incorpo-rados en equipos de guerra electrónica o en las conocidas como armas anti-radia-ción, cuyos datos son utilizados para perturbar el comportamiento de los sensoresactivos e incluso destruirlos.

Las señales naturales -aquellas que proceden de seres vivos y objetos de la natu-raleza o artificiales- son aquellas que éstos emiten por el hecho de estar calien-tes, porque reflejan o difractan energía térmica de otras fuentes de energía -porejemplo el sol- o porque están construidos para emitir energía electromagnéticacomo es el caso de cualquier trasmisor de un sistema de radiocomunicaciones. Suscaracterísticas más significativas son tanto su abundancia en la naturaleza, de loque nos aprovecharemos para realizar múltiples sensores, como el hecho de queno pueden ser controladas por el sistema sensor, a diferencia de lo que ocurre siéste usa un iluminador.

Todo ser vivo u objeto que esté a una temperatura, superior a 0 ºK emite radia-ción electromagnética debido al movimiento de sus moléculas. La potencia totalradiada por un cuerpo es proporcional al área y depende de las características delcuerpo y de su temperatura absoluta, T. En la figura 2.5 se muestra la emitanciaespectral (potencia radiada por unidad de superficie y longitud de onda) de unradiador ideal –denominado cuerpo negro-. La potencia por unidad de superficieradiada por un ser vivo u objeto se obtiene integrando la curva en el correspon-diente intervalo de longitudes de onda a la banda de frecuencias considerada ymultiplicándolo por un factor inferior a la unidad (emisividad) dependiendo de lascaracterísticas particulares del radiador.

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Aunque más adelante se analizará con más detalle esta curva es evidente quecuanto más caliente es un objeto más emite y lo hace a frecuencias cada vez máselevadas, extrayéndose dos conclusiones que por obvias no dejan de ser muyimportantes:

•Existen bandas de frecuencias –muy altas (radiaciones ionizantes) y muy bajas(microondas y radiofrecuencia)- en las que será muy difícil o incluso imposibleutilizar sensores pasivos.

•Un sensor pasivo deberá diseñarse para tener la máxima sensibilidad en ciertasbandas de frecuencia dependiendo de la temperatura de los blancos deseados.

Figura 2.5 Emitancia espectral del cuerpo negro [2]

Por otro lado, un sensor pasivo tiene inconvenientes frente a los sensores activos,entre otros, que requiere la colaboración del blanco -que puede intentar dismi-nuir/suspender sus emisiones- y que, como se ha indicado, su banda de trabajo yla forma de onda utilizada no puede seleccionarse con la misma flexibilidad que enun sensor activo que utilizará el espectro electromagnético más eficazmente.

Es inmediato reconocer la complementariedad en las características de ambos gru-pos de sensores por lo que no sorprende encontrarlos trabajando en colaboraciónpara obtener los beneficios de cada uno de ellos.

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Emit

anci

a (v

atio

s/(m

2.m

icra

))

longitud onda (micras)


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Capítulo 3

CLASIFICACIÓN DE

LOS SENSORES

ELECTROMAGNÉTICOS.

Ventajas y limitaciones de los

diferentes tipos de sensores



3. CLASIFICACIÓN DE LOS SENSORES ELECTROMAGNÉTICOS.Ventajas y limitaciones de los diferentes tipos de sensores

La gran dependencia con la frecuencia y con el carácter activo o pasivo de lascaracterísticas técnicas, y por tanto operativas, de un sensor electromagnéticojustifican que a la hora de analizarlos o describirlos sea conveniente organizarlostal como se hace en la tabla 3.1, en la que se recogen los sensores electromag-néticos más empleados clasificados según estos dos parámetros.

Atendiendo a la banda de operación, los sensores electromagnéticos pueden serMAGNÉTICOS (estáticos o de muy baja frecuencia) de RF/MICROONDAS (de algunosMHz a 1 GHz y de 1 a 30 GHz), de MILIMÉTRICAS (de 30 a 300 GHz) yOPTOELECTRÓNICOS (> 300 GHz).

Los sensores pasivos pueden utilizar señales naturales o artificiales, es el caso delos radiómetros, cámaras térmicas y CCD, visores y seguidores. También puedenemplear señales artificiales procedentes de sistemas de radiocomunicaciones o desensores activos, entre los que destacan los radiogoniómetros y los receptores deguerra electrónica.

Los sensores activos son los radares, denominación que se suele reservar a losempleados en las bandas de RF/microondas y milimétricas. A los sensores elec-trópticos activos se les denominan radares laser: LIDAR y LADAR.

Tabla 3.1 Clasificación de los sensores electromagnéticos

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BANDA DE FRECUENCIA SENSORES PASIVOS SENSORES ACTIVOS

Magnéticos- Control y detección de minas- Control y detección de vehículos- Detección de buques

RF/Microondas- Receptores de guerra

electrónica- Radiogoniómetros

- Radares de vigilancia- Radares de seguimiento- Radares de identificación

Milimétricas- Radiómetros- Receptores de guerra electrónica- Radiogoniómetros

- Radares de vigilancia- Radares de seguimiento- Radares de identificación

ELECTROÓPTICOS

Infrarrojos - Seguidores y cámaras térmicas- Detectores de infrarrojos.

- Radares láser(convencionales e imagen)

Visible y UV - Visores diurnos y cámaras CCD- Detectores de UV

- Radares Lidar(convencionales e imagen)


3.1 Sensores magnéticos

Los sensores magnéticos están basados en la detección de las variaciones produ-cidas en el campo magnético por la magnitud física que se desea medir [3]. Estossensores constan en esencia de un núcleo sensor, de un interfaz que traduce dichavariación en una señal eléctrica y, por último, de una electrónica asociada queamplifica y procesa adecuadamente la señal. Su simplicidad, bajo coste y ampliasposibilidades ha permitido que se utilicen en campos muy dispares, como en paleo-magnetismo, exploración de campos magnéticos en el espacio, sistemas de vigi-lancia, detección y guiado de vehículos, etc. En la tabla se indican las caracterís-ticas y limitaciones de los sensores magnéticos más representativos.

Tabla 3.2 Características de los núcleos sensores

En el ámbito de la Defensa, lo sensores magnéticos se utilizan principalmente en:detección de minas, detección y guiado de vehículos, minas inteligentes y detec-ción de navíos, empleando fundamentalmente los fluxgates y en algún caso los deEfecto Hall. Son aplicaciones de ámbito bastante reducido pero de gran importan-cia en su área de actividad.

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Rango Frecuencia deexcitación Limitaciones Integración

en un chip

EFECTO HALL 1 T-1μT DC Sensibles a latemperatura SÍ

Magnetoópticos 100mT-100μT DC Ambientes limpios no

Magnetorresistenciagigante 100mT-100μT DC Histéresis.

Poca sensibilidad SÍ

Magnetoimpedancia gigante 100μT-100nT 100MHz-100MHz Histéresis, Ruido.

Altas frecuencias Factible

FLUXGATES 100μT-1nT 5KHz-40KHz Bobinados.Electrónica difícil

Se está iniciando

Híbridos piezoeléctricomagnetostrictivo 100μT-1nT 300Hz-100KHz Poco ensayados Factible

Híbridos magnéticofibra óptica 100μT-100nT DC Histéresis.

Gran tamaño no

Squid <1nT DC He líquido.Caro y complejo ------


Estos equipos no son objeto de este cuaderno. Sin embargo en un futuro puedenalcanzar mucha relevancia de cara a la implementación de las ya mencionadasredes de sensores. En este sentido, cabe esperar que las tendencias futuras en sudesarrollo sean las siguientes:

•La miniaturización de los sensores. Las nuevas tecnologías permiten inte-grar sensores en dispositivos planares y desarrollar distintas configuraciones desistemas de sensores de tamaño muy pequeño.

•La reducción de costes. El coste de los sensores debe abaratarse notable-mente, y es de esperar que puedan desarrollarse sensores con sensibilidad de1 nT y sensores de gradiente de campo –detectan la presencia o no de un blan-co- a precios inferiores a unos euros.

•Desarrollo de sistemas inteligentes. En este ámbito, los sensores podránser capaces de detectar e identificar vehículos en tierra, hacer un control y guia-do automático de naves o vehículos, o bien de misiles hacia blancos específicos,e incluso desarrollar minas inteligentes capaces de detectar amigo-enemigo,activarse o desactivarse y limitar su tiempo de vida.

3.2 Sensores de microondas/RF

Su característica más significativa es la de ser “todo tiempo” –trabajan durante eldía y la noche, con independencia de las condiciones meteorológicas- lo que expli-ca su masiva utilización en todo tipo de aplicaciones en Seguridad y Defensa. Estapropiedad se pierde al subir en frecuencia, sobre todo a partir de 10 GHz si las dis-tancias de operación son elevadas.

Otras características que merecen ser resaltadas son:

•Capacidad de definir la excitación cuando trabajan como sensores activos(radares), adaptándola a los objetos de interés. Lo que les confiere una graneficacia.

•Capacidad de penetración, si trabajan por debajo de 2 o 3 GHz, que les permi-te detectar objetos ocultos bajo la vegetación, camuflajes e, incluso, enterrados.

•Están soportados por tecnologías muy maduras que permiten largos alcan-ces, limitados en la práctica por la necesidad de línea de vista despejada cuan-do trabajan por encima de unos centenares de MHz. De hecho, la curvaturaterrestre en aplicaciones a medias y largas distancias puede impedir –depen-diendo de la altura a que esté situado el sensor- la detección de blancos sobreel terreno o a baja cota.

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Sus principales limitaciones se derivan de dos consideraciones:

•Dada que la radiación natural de los seres vivos y objetos es muy pequeña enestas bandas, no pueden implementarse sensores pasivos, salvo que losobjetivos transmitan señales electromagnéticas. Por esta razón son muy vulne-rables a contramedidas electrónicas y a los misiles anti-radiación. De hecho,una buena parte de los importantes avances desde la Segunda Guerra Mundialen las técnicas de guerra electrónica responden a esta situación. Especialmentesignificativa ha sido la aparición en las últimas décadas de las técnicas “stealth”(mal denominadas blancos invisibles) que está obligando a replantear la confi-guración y empleo de estos equipos.

•Su resolución angular es muy baja como resultado del pequeño tamañoeléctrico de las antenas, a pesar de que estás suelen ser muy voluminosas paraintentar mitigar los efectos asociados a las elevadas longitudes de onda utiliza-das. Como se ha indicado esta baja resolución tiene, al menos, dos importan-tes consecuencias:

- Es muy difícil la formación de imágenes, requiriendo la utilización de técnicasSAR e ISAR de gran complejidad tecnológica y operativa en numerosos casos.

- La señal recibida incluye un gran porcentaje de señales no deseadas -cono-cidas como “clutter”- lo que ha obligado a desarrollar sofisticadas técnicas deproceso de señal para reducir su efecto en las prestaciones de los sistemas.Ello les convierte en unos sistemas complejos y caros.

A pesar de estos inconvenientes, la importancia operativa asociada a su caracte-rística “todo tiempo”, los ha convertido en imprescindibles en el campo de bata-lla desde su aparición en la Segunda Guerra Mundial, condición que se mantendráen las próximas décadas en la que continuarán los esfuerzos tecnológicos conobjeto de superar las limitaciones descritas. Estos sensores se utilizan y utilizaránen multitud de aplicaciones como radares para la detección e identificación deblancos, guiado de armas, navegación, control de tráfico aéreo y marítimo, meteo-rología, etc., receptores y radiogoniómetros para guerra electrónica, por citar algu-nas de ellas.

3.3 Sensores en bandas milimétricas

Los sensores que trabajan en estas bandas (30-300GHz) son en general más com-plicados y costosos de fabricar que los que operan a frecuencias más bajas, razónpor la que todavía se utilizan de forma limitada. Sin embargo presentan algunascaracterísticas que justifican su utilización en algunos sistemas de vigilancia y enla realización de armamento táctico, ambos de corta distancia, dada la fuerte ate-nuación de los meteoros y la dificultad de generar elevadas potencias u obtenerbajas sensibilidades en los receptores que trabajan en estas frecuencias.

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Sus características más significativas, desde el punto de vista operativo, son:

•Utilización diurna y nocturna, con niebla y humo, incluso con lluvia. Eneste último caso para alcances moderados (centenares de metros).

•Capacidad de detectar blancos fijos sobre el suelo. Dada la elevada reso-lución que puede obtenerse con tamaños razonables de antena, el área ilumi-nada es muy pequeña para alcances hasta algunos km y permite detectar blan-cos sin necesidad de que esté en movimiento para poder discriminarlos delsuelo por la desviación Doppler de las señales reflejadas.

•Capacidad de localizar blancos con mucha precisión debido a su resolu-ción angular y la posibilidad de utilizar señales de gran anchura de banda abso-luta pero pequeñas en porcentaje respecto de la portadora utilizada. Son losmás adecuados para el uso de técnicas radar de alta resolución (HRR) y bajaprobabilidad de interceptación (LPI).

•Pueden trabajar de modo activo o pasivo. Una característica distintiva deestos sensores es que pueden construirse radiómetros aprovechando las emi-siones naturales de los seres vivos y objetos o la reflexión del “ruido del cielo”en los objetos metálicos.

•Es difícil someterlos a contramedidas electrónicas (ECM’s) por tratarsede una tecnología poco extendida en la que hay pocos equipos de guerra elec-trónica operativos.

Por otro lado, también tienen importantes limitaciones:

•Sus alcances son limitados por la dificultad de generar potencia y su bajasensibilidad respecto de los sensores de microondas y, sobre todo, por la ate-nuación producida por la lluvia intensa.

•Sus costes de desarrollo son todavía altos aunque las aplicaciones civiles(radioenlaces, sistemas de acceso fijo -LMDS, MVDS etc.- y radares anticolisión)aseguran su abaratamiento en los próximos años.

•Con técnicas convencionales sólo pueden formar imágenes en aplica-ciones a muy corta distancia pues su resolución es superior a la de los sen-sores de microondas pero muy inferior a la de los optoelectrónicos.

•No tienen capacidad de penetración. La atenuación introducida por la vege-tación, por escasa que esta sea, es muy alta.

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•Cuando se desarrollen los sistemas ECM en estas bandas, serán muy vul-nerables, sobre todo, los activos.

En definitiva se trata de unos sensores con características intermedias entre los deRF/microondas y los optoelectrónicos por lo que una combinación de estos siem-pre tendrá mejores prestaciones que un sensor de milimétricas. Su campo de apli-cación estará, por tanto, asociado a equipos sencillos y de bajo coste.

Un estudio muy detallado sobre los sensores de milimétricas puede encontrarseen el capítulo 4 de la referencia [1]. Sus principales aplicaciones son: los sistemasde vigilancia para detección e identificación de blancos y emisiones de corto alcan-ce a baja cota (trabajando en colaboración con dispositivos de infrarrojos enmuchos casos); guiado intermedio y terminal de armas (en los próximos años sus-tituirán a las cabezas buscadoras -"seekers”- activas o semiactivas de los misilesantiaéreos y antibuque); sistemas de armas orientados a la detección y destruc-ción de blancos sobre la superficie (también en muchos casos integrados con dis-positivos infrarrojos) y la teledetección para reconocimiento de terrenos (añadien-do a los actuales sistemas las ventajas de poder utilizarse en condiciones másadversas y el suministro de una información complementaria que facilita la clasi-ficación e identificación de objetivos). Por último, la extensión de la guerra elec-trónica a estas bandas implicará el desarrollo de receptores, radiogoniómetros ytransmisores.

3.4 Sensores optoelectrónicos

La característica más significativa de estos sensores es su extraordinaria resolu-ción angular derivada de las pequeñas longitudes de onda utilizadas lo que tieneimportantes consecuencias:

•Trabajan con gran precisión en funciones de localización y guiado. Sonlos responsables de la introducción masiva en los últimos años de las armas deprecisión, muy eficaces y que reducen los denominados daños colaterales.

•Permiten la formación de imágenes en tiempo real con técnicas conven-cionales. Al concentrar la energía transmitida o recibida en una dirección –sushaces son muy directivos como se indicaba en la figura 2.2-, basta que el hazexplore, mecánicamente o electrónicamente una escena, para obtener una ima-gen bidimensional.

•Pueden trabajar de forma pasiva y activa. De hecho la mayor parte deestos sensores son pasivos con las ventajas, ya comentadas, asociadas a estemodo de trabajo.

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•Se realizan con tecnologías maduras o en vías de serlo. Lo que ya permi-te integrar el sensor con la electrónica asociada. Su coste de desarrollo es toda-vía muy alto pero baja en producción de grandes volúmenes de equipos.

•Son resistentes a las radiaciones ionizantes y a elevadas temperaturas.Sobre todo los que trabajan en la banda ultravioleta.

•Su peso y tamaño es pequeño. Lo que facilita su integración en sistemas devigilancia y de armas embarcados.

Por todo ello forman parte de los sistemas empleados en Defensa y Seguridad enlos que más se ha invertido en los últimos años, estando en franco desarrollo yjugando un papel cada día más relevante.

También tienen algunas limitaciones, entre las que destacamos las más significa-tivas:

•Influencia de la atmósfera, lluvia y humo en su capacidad operativa quelimita su alcance e incluso los inutiliza en condiciones ambientales adversas. Essu “talón de Aquiles” que obliga en muchos casos a que operen en colaboracióncon otros tipos de sensores.

•Sus costes de desarrollo son muy altos, pues se basan en una tecnologíamucho menos accesible que la que soportan otros sensores.

•Son muy frágiles, lo que hace compleja su manipulación y almacenamiento.A ello contribuye el hecho de que en algunos casos requieran subsistemas espe-ciales para refrigerarlos.

•Su capacidad de penetración es muy pequeña, facilitando el camuflaje delos objetivos.

•Pueden producir efectos nocivos sobre la visión, provocando accidentesmuy graves y con un impacto psicológico muy importante entre las tropas.

•Su tiempo de vida es limitado, lo que unido a su elevado coste los convier-te en dispositivos de alto coste de adquisición y mantenimiento.

Sus aplicaciones son numerosas: visores diurnos, amplificadores de luminancia(visores nocturnos), cámaras térmicas, seguidores de infrarrojos, cámaras CCD,radares láser... con aplicaciones masivas en detección e identificación de blancos,guiado terminal de armas, detección de misiles, comunicaciones entre satélites,navegación etc., casi siempre en aplicaciones de alcance limitado (decenas de kiló-metros) cuando trabajan en la atmósfera.

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3.5 Resumen: Complementariedad de los sensores electromagnéticos

En la tabla 3.3 se resumen las peculiaridades de los diferentes tipos de sensoresdescritos en los apartados anteriores. Nótese que en general se trata de caracte-rísticas muy próximas a la operación, que influyen decisivamente en la calidad yprecisión con la que se realizará una determinada misión. En ella se han resalta-do en negrita las propiedades comparativamente positivas (ventajas) y las nega-tivas (desventajas) en cursiva. Tres conclusiones, ya implícitas en párrafos ante-riores, son evidentes:

•Con carácter general en la medida que baja la frecuencia de operación de unsistema se optimiza las capacidades de detección de sus sensores, siendo capa-ces de hacerlo a grandes distancias y en condiciones meteorológicas adversas.Por el contrario si se sube en frecuencia lo que se optimiza es su precisión enla localización de blancos y su capacidad de identificación, especialmente enalcances cortos y medios con condiciones meteorológicas no adversas, sin olvi-dar las ventajas de poder implementar a estas frecuencias sensores que nonecesitan transmitir energía.

•Las propiedades de los sensores de milimétricas no presentan ventajas o incon-venientes comparativamente relevantes frente a los de otras bandas. Ahí estásu fortaleza o debilidad según las aplicaciones. Las aplicaciones que requieranalcances medios y cortos incluso en malas condiciones meteorológicas serán uncampo de juego adecuado para ellos, trabajando tanto de forma pasiva comoactiva.

•Por último, y lo más significativo, es la complementariedad de las propiedadesde unos y otros tipos de sensores lo que justifica que en los sistemas reales seahabitual la integración de los mismos. Sirvan de ejemplo los sensores emplea-dos en los escenarios presentados en la figura 1.1. Si se dispone de sensorestrabajando en todas las bandas se trabaja en todo tiempo, con las mejoresprestaciones en detección, localización e identificación que permiten las condi-ciones meteorológicas y la tecnología disponible.

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Tabla 3.3 Resumen de las características operativas de los sensores electromagnéticos.Modificado a partir de [1]

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Estáticos RF/Microondas Milimétricas Optoelectrónicos

Alcance <20m No limitado 10 Km 5-10 Km

Capacidad depenetración Alta Baja Muy baja Nula

Efectos atmosféricos No Poco degradable

Se degradan,muy degradados

con lluviaMuy degradables

Medida de distancia Difícil Sí Sí No (imagen térmica)Sí (radar láser)

Medida de velocidad Sí Sí Sí No (imagen térmica)Sí (radar láser)

Sensores pasivos Sí Sí (con colaboración) Sí, limitados Sí

Función adquisición Buenos Muy buenos Buenos Malos

Función seguimiento Malos Buenos Muy buenos Excelentes

Resolución angular Mala Grados Décimas de grado Muy alta

Discriminación de blancos fijos sobre

terrenoMala Muy mala Buena Muy buena

Discriminación de blancos a muy baja

cotaBuenos Mala Media Buena

Capacidad de identificación

Segúnblanco Difícil Sí Sí

Susceptibilidad a ECM’s Alta Alta Muy baja Media

Tamaño y peso Pequeños Alta Pequeños Pequeños



Capítulo 4

SENSORES DE

RADIOFRECUENCIA/

MICROONDAS.

La importancia de ser

“todo tiempo”



4. SENSORES DE RADIOFRECUENCIA/MICROONDAS. La importancia de ser “todo tiempo”

En el capítulo anterior se han puesto de manifiesto las características de estos sen-sores que trabajan hasta unas decenas de GHz. Entre ellas destaca su capacidadde ser “todo tiempo”, es decir de operar el día y la noche con independencia delas condiciones meteorológicas, lo que explica su masiva utilización en todo tipode aplicaciones en los ámbitos de la Seguridad y Defensa. Propiedad que se pier-de al subir en frecuencia, sobre todo a partir de 10 GHz si se requieren alcanceselevados.

Según el objetivo perseguido, los equipos trabajando en estas bandas se puedenclasificar en:

•Radiómetros y Receptores. Trabajan de forma pasiva, la diferencia entreunos y otros es que los primeros pretenden detectar y analizar a los blancosempleando la energía emitida por éstos, mientras que los receptores utilizan lasseñales procedentes de sistemas de radiocomunicaciones y sensores activos. Enestas bandas los niveles de energía térmica radiados son muy pequeños por loque sólo se pueden emplear a muy corta distancia o para aplicaciones muyespecíficas como es el caso de la radioastronomía. Por otro lado las aplicacio-nes de los receptores más significativas en los ámbitos que estamos conside-rando son las asociadas a la guerra electrónica. Serán las únicas aplicacionesque consideraremos.

•Radiogoniómetros. También trabajando de forma pasiva, su objetivo es deter-minar la dirección de llegada de un frente de ondas con objeto de determinar laposición de la emisora o la posición del propio radiogoniómetro en aplicacionesde navegación.

•Radares. Son sistemas activos que pretenden detectar y analizar un blancohaciendo incidir sobre el mismo un frente de ondas.

4.1 Receptores de guerra electrónica

El objetivo último de un receptor de guerra electrónica es la detección y procesode las señales incidentes en sus antenas para clasificarlas por sus característicasdistintivas y poder identificar las emisoras (sistemas de comunicaciones) y los sen-sores (radares) de las amenazas que operan en la zona analizada.

La figura 4.1 muestra el diagrama de bloques de la arquitectura de un sistemaESM (Electronic Support Measurement) de guerra electrónica genérico, mostran-do los principales procesos que se llevan a cabo. Los receptores, de diferentestipos, son los encargados de la detección, demodulación y medida de los principales

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parámetros de las ondas electromagnéticas incidentes. Posteriormente, otros sub-sistemas procederán a la segmentación y separación del conjunto de señales reci-bidas, a su grabación, etc. En definitiva a su identificación por comparación conuna librería de señales conocidas y, si es posible, a la identificación de la amenaza.

Figura 4.1 Arquitectura básica de un sistema ESM 46

Arquitectura clásicade los equipos derecepción

Arquitectura actual


4.1.1 Tipos y características

Los receptores empleados en los sensores de RF y microondas se pueden clasifi-car según su ancho de banda en receptores de banda ancha y receptores de bandaestrecha. Los receptores de banda ancha se usan habitualmente para intercep-tar señales radar (los pulsos radar no coinciden en el tiempo y se pueden sintoni-zar simultáneamente emisiones de diferente frecuencias). En cambio, los recepto-res de banda estrecha se usan básicamente para la interceptación de señales decomunicaciones o para hacer un análisis detallado de señales radar.

Receptores de banda estrecha. Los receptores empleados en los equipos deradiocomunicaciones suelen recibir una única señal en cada instante de tiempo y,además, se diseñan para recibir y procesar señales conocidas. Sin embargo, losreceptores de guerra electrónica (sensores de emisiones procedentes de posiblesamenazas) deben ser capaces de interceptar señales desconocidas, lo que se con-sigue mediante los denominados como receptores de exploración con los queun receptor de banda estrecha se sintoniza secuencialmente en diversas frecuen-cias de la banda de interés hasta detectar actividad en una de ellas. Cuando estoocurre, se sintoniza en dicha frecuencia un receptor de monitorización paraanalizar la emisión. Los receptores de exploración trabajan de forma similar a losanalizadores de espectros y también se conocen como receptores superheterodi-nos de barrido.

Receptores de banda ancha. Con arquitecturas analógicas y cuando las señalesno llegan simultáneamente en el tiempo -pulsos radar en entornos electromagné-ticos no muy densos- se pueden emplear receptores de detección directa (utiliza-ción de un diodo detector tras una amplificación previa) o superheterodinos debanda ancha (conversión a una o varias frecuencias intermedias en las que se pro-cede al filtrado y amplificación de la señal). En los escenarios actuales esta hipó-tesis no puede admitirse y es necesario separar las señales coincidentes en eltiempo, por su frecuencia, lo que se consigue con receptores canalizados (usandoconversores y filtros), o usando procesadores analógicos no lineales que realizanla transformada de Fourier de la señal usando conversiones y filtrados con seña-les “chirp” o receptores acústicos y ópticos. Son técnicas que requieren arquitec-turas y tecnologías muy complejas por lo que están siendo sustituidas muy rápi-damente por las técnicas digitales.

En efecto, la función de canalización (separación de las señales por su frecuencia)se ha simplificado notablemente con la introducción de la canalización digital con laque se pueden controlar con facilidad la forma y sintonía de los filtros en tiemporeal, lo que dota a los sistemas de una flexibilidad y posibilidades muy superiores.

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Los parámetros más significativos de un receptor son:

•Sensibilidad. Es el nivel mínimo de señal presente a la entrada del receptorque permite el “funcionamiento correcto” del sistema. Su valor afecta directa-mente a la cobertura del sistema. El “funcionamiento correcto” se producirácuando la relación señal/ruido (S/N) garantice las características operativas, porejemplo una probabilidad de detección determinada para un blanco definido.

•Figura de ruido. Junto con el ancho de banda instantáneo, define la sensibili-dad. Se optimiza utilizando amplificadores de bajo ruido y reduciendo las pér-didas de los circuitos de entrada.

•Selectividad y anchura de banda instantánea. Para evitar interferencias sedebe reducir tanto como lo permita el espectro de la señal transmitida. Estándefinidos por los filtros de frecuencia intermedia (FI) y, en el caso de recepto-res digitales, por el proceso digital empleado.

•Banda de trabajo. Es la banda de frecuencias en que puede trabajar el siste-ma. La tendencia es la de trabajar con anchuras muy elevadas (varias octavas).En muchos casos se utilizan diversos conjuntos de antenas y receptores paracubrir todas las bandas utilizadas en los actuales combates electrónicos.

•Margen dinámico. Expresa el margen de los niveles de señales a la entradadel receptor en que éste funciona correctamente. Por debajo está limitado porla sensibilidad del sistema, por arriba por la distorsión o saturación de cualquie-ra de los componentes del receptor. Los sistemas sensores requieren elevadosmárgenes dinámicos, pues en muchos casos tienen que trabajar con señales deniveles muy diferentes dependiendo de la potencia radiada por el foco emisor ydistancia a la que esté.

•Margen dinámico libre de espurios. Es el margen de los niveles de señales ala entrada del receptor en que los espurios se mantienen a la salida por debajodel nivel de ruido. Es una especificación muy importante desde el punto de vistaoperativo (señales espurias equivalen a blancos falsos o interferencias), difícil deconseguir y, en general, poco conocida por los usuarios de los sistemas.

•Rechazo a la frecuencia imagen. Los receptores deben estar preparadospara trabajar en un ambiente electromagnético fuertemente contaminado.Rechazos de frecuencia imagen superiores a 60dB suelen ser habituales.

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4.1.2 Receptor de exploración

En la figura 4.2 se muestra el esquema básico de un receptor de exploración. Noes sino un receptor superheterodino de barrido cuyo oscilador va barriendo el mar-gen de frecuencias según una señal de rampa (diente de sierra). El resultadopuede verse como un filtro de banda estrecha que va desplazando lentamente sufrecuencia central y deja pasar una parte del espectro que posteriormente esdetectado para obtener una tensión de salida. El equipo puede trabajar en dosmodos:

•Modo continuo: el equipo no interrumpe su barrido. Si se lleva la señal de sali-da a las placas de barrido vertical de un osciloscopio y la señal en diente de sie-rra a las placas de barrido horizontal, se obtiene un analizador de espectrosconvencional. Naturalmente durante este proceso se puede comparar la señalde salida con un umbral y determinar las emisiones presentes. En todo caso noes posible analizar la señal. La ventaja de este método es que analiza el mar-gen del espectro de interés lo más rápidamente posible, pero es el operador uotro receptor quien analiza la señal.

•Modo discontinuo: el equipo se detiene cuando detecta actividad, la analizadurante un tiempo (normalmente sólo para decidir si es de interés o no) y rei-nicia el barrido. Si el margen barrido es elevado y hay mucha actividad puedetardarse mucho en cubrir la banda analizada.

Es evidente que interesa que la velocidad de barrido, también llamada de explo-ración, sea lo mayor posible, pero tiene un límite. Por otro lado, también está claroque este equipo puede tener dificultades para detectar señales con salto de fre-cuencia o espurias (ver figura 4.2).

En modo continuo, el ancho de banda de resolución debe de ser lo más pequeñoposible al objeto de discriminar entre sí señales próximas en frecuencia, pero hayun límite. De hecho a mayor capacidad de discriminar señales –menor ancho debanda de resolución- menor es la velocidad de exploración que puede utilizarse,aumentando el tiempo necesario para detectar las emisiones en una determinadazona del espectro. Esta es una limitación básica de este tipo de receptores analó-gicos, pues en general, la señales de interés no colaboran en su interceptación yno se conoce ni su frecuencia ni los instantes en que se emitirá, aunque sí que sesuele disponer del margen de frecuencia en que opera. Además, el problema secomplica enormemente por las señales adicionales que comparten los dos domi-nios: tiempo y frecuencia.

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La probabilidad de interceptación, un parámetro de calidad esencial de un sistemaESM, es la probabilidad de que el sistema encuentre una señal de interés, dependedel ancho de banda de resolución, de la velocidad media de exploración y de la dura-ción de la señal. Los receptores digitales resuelven mucho mejor esta problemática.

Figura 4.2 Receptor de exploración

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4.1.3 Receptor digital

Los receptores digitales aportan las tradicionales ventajas de las tecnologías digi-tales frente a las analógicas y están sustituyendo rápidamente a los equipos ana-lógicos allí donde la velocidad de muestreo suministrada por las tecnologías dis-ponibles permite su operación. Desde el punto de vista de sus características téc-nicas, las ventajas más sobresalientes son la flexibilidad (se pueden cambiar losprocesos y parámetros con mucha facilidad) y la adaptabilidad a las condicionesdel entorno, consecuencia directa de la primera [4].

En un receptor digital, se digitaliza la señal, bien en banda base o en una FI baja(por ejemplo 70 o 140 MHz según el ancho de banda de la información), y el restodel proceso se hace mediante algoritmos sobre las muestras digitalizadas. Paraello el subsistema, tras uno o dos conversores A/D (digitalización en FI o en bandabase, respectivamente) incorpora componentes FPGA (Field Programmable GateArray) para la lectura de datos y la realización de operaciones que debenhacerse muy rápido (la tendencia es a que estos componentes realicen cada vezmás operaciones, por ejemplo la conversión digital a banda base). A continuaciónse incluyen procesadores DSP (Digital Signal Processor) que permiten operacionestales como conversión a banda base (cada vez menos), demodulación, inteli-gencia de señal (exploración y detección de energía, criptografía, análisis demodulación), control y registro (seguimiento y registro de señales, registro deeventos), etc. junto a otros procesadores de propósito general.

Las restricciones operativas actuales de los receptores digitales radican en que elancho de banda que pueden procesar es limitado (aunque creciente), por lo quehay que recurrir a estructuras canalizadas y al uso de varios receptores en para-lelo, tal como se indica en la figura 4.3, que muestra la estructura general de unreceptor digital.

Una alternativa muy interesante es calcular la Transformada Discreta de Fourier(TDF) mediante un algoritmo de transformada rápida (FFT), resultando una esti-mación del espectro en frecuencia de la señal de entrada. La TDF actúa como unbanco de filtros cuya resolución depende del número de muestras utilizadas y lafrecuencia de muestreo. Cuando esto se hace en FI, lo que se obtiene es un recep-tor canalizado cuya resolución se puede modificar fácilmente variando la frecuen-cia de muestreo o el número de muestras seleccionadas. También se puede reali-zar este banco de filtros con un conjunto de filtros digitales, obteniendo (conmayor complejidad), mejores prestaciones. En la figura 4.3 se muestra el efectoque la resolución del filtro tiene sobre la capacidad de discriminar señales.

La generalización de la técnica descrita en la transparencia anterior es lo que seconocen como procesado tiempo-frecuencia que permite analizar (detectar e iden-tificar) señales presentes en un ancho de banda del espectro electromagnético

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mediante el almacenamiento y posterior proceso de las muestras obtenidas duran-te un cierto tiempo. Actualmente un proceso elemental, pero muy eficaz, lo reali-za el operador al que se le presentan directamente estos diagramas, conocidoscomo CASCADA.

En un futuro el análisis será automatizado. En la figura 4.4 se muestra un ejem-plo de uno de estos equipos que serán imprescindibles en los futuros sistemas deDefensa y Seguridad. Su principal inconveniente es su elevado coste.

Figura 4.3 Receptor digital

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Sintetizadorde frecuencias Control digital OL fijo

OTRAS BANDAS COMUNESSubsistema de RF

Banda común OTRAS BANDAS COMUNES

MATRIZ

Control digital

Control digital

OL fijo_1

OL fijo_2

OL fijo_n


Figura 4.4 Receptor digital comercial (Fuente: Rohde&Schwarz)

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Controlador

SDRAM SocketBuffer de señal

VXI Interfaceuniversal

Módulo DSP

VXI Receptor

DSP-Componente


4.2 Sistemas Radiogoniométricos

La Unión Internacional de Telecomunicación (UIT) define la radiogoniometría como“radiodeterminación que utiliza la recepción de ondas radioeléctricas para deter-minar la dirección de una estación o de un objeto”. La radiogoniometría incluye,por tanto, a todas aquellas técnicas y tecnologías que pretenden determinar elángulo de incidencia de una onda electromagnética respecto de un referencial fijoy conocido, cuyo frente de ondas alcanza un cierto punto donde se realiza la medi-da. Sus aplicaciones más importantes son la navegación (cada vez más residual),la vigilancia del espectro electromagnético y la guerra electrónica.

4.2.1 Principios básicos de funcionamiento

Existen, al menos, cinco procedimientos diferentes que permiten determinar elángulo de llegada de un frente de ondas [5]. Los describimos brevemente en lossiguientes párrafos:

Utilización de una antena exploradora de haz estrecho

Es el procedimiento más intuitivo y simple: el lóbulo principal de una antena sufi-cientemente directiva explora –por giro mecánico o electrónicamente- la zona decobertura hasta encontrar un máximo de señal en la dirección a determinar. El sis-tema puede disponer de un subsistema de seguimiento que mantenga el hazapuntando hacia dicha dirección, o bien explorar a velocidad angular uniforme lazona de cobertura y utilizar un circuito que determine el tiempo transcurrido, t,desde que el lóbulo pasa por la dirección de referencia y el instante en que la señales máxima. En la práctica pueden existir máximos relativos asociados a los lóbu-los secundarios de la antena que obligan a introducir una antena auxiliar omnidi-reccional cuya señal se compara con la obtenida en la principal para suprimir lasseñales recibidas por dichos lóbulos. Una buena precisión requiere un haz estre-cho y, por tanto, sistemas radiantes de gran apertura, lo que, unido a la necesi-dad de girar el diagrama de radiación, limita la precisión de este método cuya prin-cipal ventaja es que se pueden “marcar” muchas señales en amplias zonas de vigi-lancia. Un inconveniente adicional a su poca precisión es se pueden perder seña-les de corta duración, si en esos intervalos la antena no apunta a la onda electro-magnética incidente. En la figura 4.5, se presenta su esquema de bloques y unequipo comercial.

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Figura 4.5 Utilización de una antena giratoria

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Comparación de amplitudes en un sistema de antenas directivas

Un sistema radiante, compuesto por varias antenas directivas, suministra varioslóbulos principales apuntando a diferentes direcciones. Las salidas de cada ante-na se conectan a una batería de receptores de envolvente idénticos cuyas salidas,a su vez, son comparadas en amplitud. En la figura 4.6 se muestra un sistemacompuesto por dos antenas cuyos diagramas de radiación tienen forma gaussiana,de anchura θB, y cuyos ejes están descentrados un ángulo 2α. Asimismo, a la sali-da de los receptores de envolvente se han introducido dos amplificadores logarít-micos. También se muestra una implementación comercial con múltiples antenas.

La relación entre los niveles de señal a la salida de las antenas es una funciónconocida del ángulo de incidencia y, por tanto, si se miden estos niveles se puededeterminar θ. Existen gran cantidad de sistemas basados en esta filosofía, algu-nos con modificaciones sustanciales respecto del ejemplo comentado en los párra-fos anteriores, como los denominados sistemas monopulso por su capacidad paradeterminar el ángulo de incidencia casi instantáneamente, lo que les hace aptospara detectar pulsos de radiofrecuencia procedentes de sistemas radar. Sus dosprincipales inconvenientes son su precisión moderada y la imposibilidad de traba-jar con dos o más señales simultáneas. Su principal ventaja es su sencillez deimplementación.

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Figura 4.6 Comparación de amplitudes (fotografías tomadas de [30])

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Sistema AEMO del Programa ACRUX(Fuente INDRA)

Antenas Multihaz (Fuente INDRA)


Comparación de fase: interferómetros

Este método se basa en la medida de la fase relativa del campo electromagnéticoincidente en varios puntos del espacio. El sistema más sencillo consiste en dosantenas separadas una distancia d, que se conectan a dos receptores idénticoscuyas salidas se comparan en fase (figura 4.7). Se puede comprobar que la dife-rencia de fases es proporcional al seno del ángulo formado entre la perpendiculara línea base (línea recta que une las antenas) y la dirección de llegada del frentede ondas. Su inconveniente es también la imposibilidad de trabajar con dos o másseñales simultáneas. Su implementación práctica tampoco es compleja.

Figura 4.7 Interferómetro (fotografías: Rohde&Schwarz)

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Determinación del desplazamiento Doppler obtenido mediante un sistema radiantemóvil

Considérese el sistema de la figura 4.8 constituido por una antena omnidireccio-nal que se desplaza a velocidad angular constante (Ω) a lo largo del círculo (en lapráctica se sustituye el movimiento por un array de antenas conmutadas). Sepuede comprobar que la señal a la salida de la antena está modulada en FM poruna señal sinusoidal de frecuencial la de giro de la antena y cuya fase es el ángu-lo de incidencia del frente de ondas. Una vez demodulada la señal en un receptorde FM, un simple detector de fase permite extraer el parámetro de interés.

Los sistemas basados en esta filosofía, conocidos como radiogoniómetros de efec-to Doppler, pueden ser muy precisos y de implementación sencilla pero tienen elinconveniente de que la medida requiere cierto tiempo por lo que en estos momen-tos (donde las técnicas de agilidad en frecuencia se están generalizando) su apli-cación en sistemas para la Defensa y Seguridad es muy limitada. En los sistemasreales el movimiento de la antena se sustituye por un conjunto de antenas equies-paciadas, situadas a lo largo de un círculo, que son conmutadas secuencialmente.

Figura 4.8 Radiogoniómetro de efecto Doppler (fotografías: Rohde&Schwarz)

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Determinación del retardo temporal

Cuando la señal es pulsada -en general cuando está “marcada en el tiempo”- puedemedirse su ángulo de incidencia determinando el retardo temporal con que son reci-bidos los pulsos en dos antenas separadas una distancia d (figura 4.9), pues esteretardo es proporcional al seno del ángulo de incidencia del frente de ondas. Esta téc-nica, conocida como DToA (Difference Time Of Arrival), se ha usado poco hasta ahorapues su realización era tecnológicamente muy sofisticada al requerir precisiones enla medida de los retardos temporales del orden de nanosegundos. Los avances entecnología digital ya permiten que estos sistemas sean competitivos y en un fututo eldesarrollo de correladores a muy alta velocidad ampliará su campo de aplicación.

Figura 4.9 Radiogoniómetros DTOA

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EL/L-8300 SIGnals INTelligence System

as covering the 0.03 to 40 GHz

frecuency range

ISRAEL AIRCRAFT INDUSTRIED LTD

RECEPTOR DE

ENVOLVENTE

RECEPTOR DE

ENVOLVENTE

COMPARACIÓNTEMPORAL

θ

d

θx=dsenθ

T2T1

T=T1 - T2

dT= senθ

c


Procesado en Array

Las técnicas anteriormente descritas son muy rígidas (funcionan siempre de lamisma manera con independencia del entorno en que trabajan) y no explotan todala información disponible a la salida de las antenas. Los avances producidos duran-te la última década en las tecnologías de RF y proceso de señal permiten configu-rar sistemas muy robustos y de gran precisión, incluso si trabajan en ambientesadversos en los que la señal a marcar está contaminada por ruido y otras señalesinterferentes. Son conocidas como técnicas de procesado en array y se basan enmedir el módulo y fase el campo electromagnético incidente en muchos puntos delespacio en sucesivos instantes de tiempo –mediante agrupaciones de antenaslineales, circulares o en otra geometría- y procesar digitalmente y a alta velocidadlos datos obtenidos. Su principal inconveniente radica en su complejidad puesrequieren conocer la señal detectada por cada elemento del array, lo que implicadisponer de una batería de receptores, tantos como antenas (ver figura 4.10).

Estas técnicas se consideran la base de los futuros sistemas radiogoniométricos quedeban trabajar en entornos de guerra electrónica. Tienen otros muchos campos deaplicación, siendo los sistemas radar y sonar los primeros que las están incorporando.

Figura 4.10 Procesado en Array

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Proceso de señal

Estimación θ

Batería dereceptores


Figura 4.10 (cont.) Procesado en Array

A modo de resumen, podemos afirmar que actualmente, los equipos radiogonio-métricos desplegados para aplicaciones de Defensa y Seguridad utilizan, indivi-dualmente o de modo combinado, fundamentalmente tres técnicas: uso de ante-nas exploradoras, comparación de amplitud y comparación de fase. En los próxi-mos años, las técnicas basadas en la medida de retardos temporales se extende-rán en la medida en que se abaraten las técnicas de sincronización temporal dealta precisión y, para los sistemas más sofisticados, las técnicas de procesado enarray. En todo caso, los sistemas serán digitalizados al menos desde las etapas deFI.

4.2.2 Características técnicas y fuentes de error de los radiogoniómetros

Las principales características de los sistemas radiogoniómetros son:

•Precisión. Típicamente entre 0,5º y 2º, los fabricantes suelen dar la precisióninstrumental, es decir, la obtenida con el sistema calibrado y en un entorno elec-tromagnético perfecto. La precisión real suele ser bastante peor cuando se con-sideran los efectos del entorno y las posibles reflexiones de las señales a marcar.

•Sensibilidad. Se suele definir como el nivel mínimo de campo en la antena conel que se asegura una precisión o una relación señal a señal más ruido,S/(S+N), a la salida del receptor.

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Fuente: Grupo de Microondas y Radar. Universidad Politécnica de Madrid


•Tiempo de respuesta. Tiempo máximo empleado para obtener una marca-ción. En aplicaciones militares es un parámetro muy significativo.

•Inmunidad frente a reflexiones parásitas. Depende en buena medida de laapertura eléctrica de las antenas (tamaño en términos de longitudes de onda),pero también de la técnica utilizada. Es mayor la inmunidad a mayor apertura.

•Efectos de la interferencia cocanal. Depende en buena medida de selectivi-dad del receptor, pero también de la técnica utilizada.

•Efecto de la despolarización. Especialmente significativo a medida que sebaja en frecuencia.

El error real de un radiogoniómetro depende de muchos factores, a continuaciónse citan sus diversos orígenes:

•Errores instrumentales. Está relacionado con el método utilizado, ajuste,calibración y apertura eléctrica del sistema.

•Errores asociados a la propagación. Dependen del método utilizado, bandade trabajo (peor a frecuencias bajas) y apertura eléctrica del sistema.

•Errores asociados al entorno. Pueden ser muy grandes, se corrigen por cali-bración.

•Errores de observación. Dependen en gran medida de la experiencia del ope-rador.

En una buena parte de los entornos operativos son los errores asociados a la pro-pagación y al entorno los más significativos. Es especialmente importante realizaruna instalación en la que las superficies metálicas no afecten a los diagramas delas antenas (ver figura 4.11)

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Figura 4.11 Influencia del entorno electromagnético (fuente: Rohde-Schwarz)

4.2.3 Localización de emisores

Para localizar la posición de un emisor se necesita disponer de varias marcaciones,en general de distintos radiogoniómetros, para determinar la intersección de laslíneas correspondientes a las direcciones de llegada. Se utilizan básicamente dostécnicas: triangulación y SSL (Single Site Location).

A su vez las técnicas de triangulación se pueden clasificar en: horizontal (se supo-nen la existencia de varios equipos y la emisora en el mismo plano), vertical(usado desde plataformas aéreas se determina el corte con la superficie terrestrea partir de la medida del azimut y la elevación) y triangulación desde plataformasmóviles (se realizan varias marcaciones en diferentes puntos de la trayectoria).

La técnica SSL (Single Site Location) se puede utilizar si la propagación es ionos-férica. Conocido el ángulo de elevación y acimut de llegada de una emisión y supo-niendo que se refleja especularmente en la ionosfera, se puede determinar elpunto de corte de la traza con la superficie terrestre. No es una técnica muy pre-cisa pues se necesita conocer la altura de la ionosfera, pero permite la localizaciónde plataformas con comunicaciones en HF a distancias muy grandes.

Un punto clave de las técnicas radiogoniométricas es que la superficie de error nodepende sólo de la precisión de los radiogoniómetros sino también de la distanciay la geometría (ver expresión en la figura 4.12). Nótese que la precisión se degra-da muy rápidamente con la distancia y con geometrías poco adecuadas (f muydiferente de 900). De hecho se suelen utilizar tres marcaciones para estimar elerror y mejorarlo.

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Bien

Mal


Integrando la información de varias marcaciones desde un equipo y de varios siste-mas distribuidos geográficamente de forma adecuada se disminuye mucho el error.En todo caso, la expresión de la figura demuestra que cuando las distancias supe-ran unas decenas de kilómetros, los errores de marcación del orden de grados setraducen en grandes errores de localización (en términos de posición geográfica).

Figura 4.12 Localización de emisoras

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4.3 Sistemas Radar

La Unión Internacional de las Telecomunicaciones (UIT) define el radar como:“Sistema de Radiodeterminación basado en la comparación entre señales radioe-léctricas reflejadas o retransmitidas desde la posición a determinar”. Es una defi-nición que responde en buena medida al concepto popular de estos sistemas,salvo en que incluye la posibilidad de que el blanco colabore con el sistema,retransmitiendo las señales.

La denominación RADAR fue introducida a principios de la Segunda Guerra Mundialpor la Marina de Estados Unidos, a partir de las siglas de “RAdio Detection AndRanging”, popularizándose rápidamente su uso. Desde entonces, estos sistemashan evolucionado a un ritmo vertiginoso hasta convertirse en uno de los sistemasmás sofisticados y complejos que incorporan las últimas innovaciones en las diver-sas áreas de las tecnologías de la información.

4.3.1 Principio de funcionamiento

En un radar, la energía electromagnética generada por un transmisor, generalmen-te en forma de pulso de radiofrecuencia de corta duración, es enviada hacia unaantena directiva a través de un duplexor que permite separar las señales transmi-tidas y recibidas utilizando una única antena. La antena, además de adaptar laenergía electromagnética al medio en el que se propagará, la concentra en ladirección en que se intenta detectar el blanco. La señal reflejada o retransmitidapor los blancos (ecos o respuesta en cada caso) es recogida por la antena y, a tra-vés del duplexor, conducida hacia un receptor donde se traslada a banda base, seprocesa y, por último, se compara con la señal transmitida para determinar lainformación deseada del blanco. Típicamente la información obtenida, al menos,será:

- Detección del blanco. Obtenida por la presencia o no de señal en el receptor.

- Dirección del blanco (al menos en un plano: acimut y/o elevación). Obtenidapor la dirección de apuntamiento de la antena.

- Distancia del blanco. Obtenida a partir del tiempo empleado por la señaltransmitida en volver al receptor tras reflejarse en el blanco.

Más adelante comprobaremos que puede haber variaciones sobre esta definición,pero éste es el modo más habitual de trabajo de un radar. Es importante resaltarque los blancos serán discriminados por el sistema si su separación espacial es talque no están simultáneamente en el haz o, estando dentro del haz, los ecos res-pectivos llegan en diferentes instantes de tiempo. Por tanto, un radar de impulsosdiscrimina espacialmente a los blancos.

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Forma de onda

La señal más simple que se puede utilizar, y de hecho se emplea en bastantes sis-temas, es un tren de impulsos de RF equiespaciados, de anchura τ y periodo de repe-tición de impulsos T. Una señal que también se puede caracterizar su frecuencia derepetición de impulsos: PRF=1/T y su ciclo de trabajo: τ/T (normalmente en %).

La forma de onda empleada es una de las características más importante de estossistemas pues influye, entre otros parámetros operativos, en la resolución en dis-tancia (capacidad de discriminar blancos espacialmente) y en su alcance. La reso-lución en distancia de un radar es directamente proporcional a la anchura debanda de la señal transmitida: ΔR≈c/2B, donde c es la velocidad de la luz y B elmencionado ancho de banda. Si la señal transmitida es un tren de pulsos de RFno modulados, B≈1/τ y ΔR≈cτ/2. Desgraciadamente el alcance también es inver-samente proporcional a la anchura de los pulsos lo que se traduce en que si sedesea que el radar tenga buena capacidad de resolución en distancia -ΔR bajo- sualcance será menor a no ser que se module internamente el pulso de RF, compli-cando la generación y recepción de la señal, para que aumente su ancho de banda.En la figura 4.13 se muestran las formas de onda más empleadas.

Figura 4.13 Señales transmitidas por los sistemas radar

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Señal en el tiempo

Señal convencional

Señal Chirp

Espectro de la señal


Determinación del acimut y elevación

Para localizar el blanco además de la distancia es necesario obtener el acimut, θ(ángulo respecto del norte geográfico), y la elevación del blanco, ϕ (ángulo res-pecto de la superficie terrestre u otra referencia similar). Esto se consigue utili-zando antenas muy directivas en los planos horizontal y vertical. Prácticamentetodos los radares determinan la distancia y el acimut, lo que permite localizar alblanco en el plano horizontal (radares bidimensionales o 2D), pero cada día sonmás los sistemas tridimensionales (3D), que miden también la elevación del blanco.

La precisión de la localización aumenta en la medida en que las anchuras a 3dBde los haces principales, θB y ϕB, son menores (haces muy directivos obtenidoscon antenas de elevadas aperturas eléctricas, apartado 2.2). En general, los sis-temas requieren más precisión que la suministrada por el ancho del haz y paraconseguirla hay que introducir técnicas especiales. Las más utilizadas son lasconocidas como ventana deslizante y técnica monopulso. Son técnicas radio-goniométricas similares a las descritas en el apartado anterior pero adaptadas alas características de estos sistemas, la primera se corresponde con la que deno-minamos utilización de una antena giratoria y la segunda -mucho más precisa ycada día más extendida– es un método de comparación de amplitud.

Es importante volver a resaltar que, desde el punto de vista operativo, la precisiónexigida a un sensor se suele establecer en términos absolutos (un error de Δx, Δye Δz metros en cada coordenada del blanco, por ejemplo). Sin embargo, un radares un sensor angular cuyo error de precisión, εθ, se traducirá en un error que, entérminos absolutos, es dependiente de la distancia, lo que a largas distancias sepuede traducir en una superficie de error muy elevada (ver figura 4.14).

Celda de resolución espacial de un radar

Otro de los parámetros operativos importantes de un radar es la celda de reso-lución espacial de un radar, que se define como el espacio mínimo –superficiesi es un sistema 2D o volumen si es 3D- que deben estar separados dos blancospara que sean discriminados, es decir, que el sistema los detecte como dos blan-cos diferentes. En la figura 4.14 se presentan las fórmulas básicas que permitenestimar este parámetro que depende del ancho de banda transmitido, de la anchu-ra de haz de las antenas y de la distancia a que se encuentra el blanco. Nótese quelos radares de largo alcance requieren el consumo de grandes anchuras de banday el uso de antenas muy grandes para conseguir aperturas eléctricas elevadas.

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Figura 4.14 Celda de resolución y precisión de un radar bidimensional

Determinación de la velocidad

En muchas aplicaciones no es necesario obtener la velocidad de un blanco, o sepuede determinar a partir de las sucesivas medidas de la posición del mismo. Sinembargo, conviene resaltar que la frecuencia de la señal recibida, si el blanco semueve respecto del radar, cambia debido al efecto Doppler. Así, para el receptordel radar, el blanco es un emisor que se mueve a dos veces su velocidad radial,Vr (vector velocidad proyectado sobre la línea que une radar y blanco), de modoque la frecuencia recibida está desplazada respecto de la transmitida en ∆f= ±2Vr/λ(donde λ es la longitud de onda y el más se aplica si el blanco se acerca, mientrasque el signo menos debe emplearse si se aleja). Obviamente la expresión permitedeterminar la velocidad radial del blanco a partir de la desviación Doppler.

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Superficie de error en un radar 2D: Sε = ΔR · R · Δθ (m2)


En algunas aplicaciones militares, donde los blancos son de alta dinámica y es vitalpredecir su posición futura lo más rápidamente posible, se utiliza esta propiedadpara determinar su velocidad radial con bastante precisión. A estos sistemas se lesconocía como radares Doppler pulsados. Sin embargo es mucho más frecuen-te utilizar el desplazamiento Doppler en la señal recibida no para medir la veloci-dad sino para dotar al radar de otras posibilidades como:

• Eliminar los blancos fijos, que en la mayor parte de los casos no son de inte-rés, utilizando el hecho de que sus señales no llevan desviación Doppler.

• Discriminar blancos por sus diferentes velocidades aunque estén en la mismacélula de resolución de distancia y sus señales lleguen a la vez (por ejemplo,en un radar 2D, dos aviones que se cruzan volando a diferente altitud).

Finalmente conviene hacer notar que la información de velocidad está en la fasede la señal recibida, por lo tanto, no se puede emplear un sencillo receptor deenvolvente si se requiere obtener algunas de las mencionadas prestaciones ope-rativas. Por el contrario, se requiere una detección coherente.

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4.3.2 Estructura básica de un radar. Tecnologías empleadas

En la figura 4.15 se presenta el esquema de bloques de un radar pulsado de vigi-lancia de impulsos. Es inmediato distinguir cinco grandes bloques funcionales:

Figura 4.15 Estructura general de un sensor radar

Función transmisión

Es el bloque encargado de generar la señal de radiofrecuencia a emitir con el nivelde potencia requerido, es uno de los elementos más críticos de un sistema radardebido a su impacto sobre el precio, tamaño y consumo de los equipos que lo com-ponen. Dispone de dos componentes básicos: el generador de señal y la fuente deseñal: amplificador u oscilador de alta potencia.

En los transmisores radar se emplean dos estructuras básicas, dependiendo delprocedimiento empleado en la generación de la señal. Cuando se usa como fuen-te de señal un amplificador de potencia, se amplifica la señal de RF con la formade onda a transmitir ya generada –lo que se conoce como modulación a bajo nivel-y es la mejor opción en términos de prestaciones pues permite la realización dereceptores coherentes. También es mucho más costosa por el elevado coste delamplificador. Por el contrario, se emplea la modulación a alto nivel cuando se usaun oscilador (magnetrón), en cuyo caso al oscilador se le ataca directamente conpulsos de alta energía suministrados por el modulador. Al no poder controlar la

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Antena

Duplexor

Receptor

Procesadorde

señal

Extractorde datos

Procesadorde

datosPresentación

Controlador

TransmisorGeneraciónde señal


fase de salida de los pulsos de RF generados, no se pueden configurar receptorescoherentes de alta calidad. Su gran ventaja radica en que el magnetrón es un dis-positivo muy barato en comparación con otras fuentes de señal.

Inicialmente los transmisores se realizaban con tubos electrónicos –magnetro-nes, Klystron, TWT (Travelling-Wave Tube) y CFA (Cross Field Amplifier)- pero apartir de los años ochenta se están realizando en estado sólido, aportando susconocidas ventajas: fiabilidad, simplicidad del suministro de energía, eficiencia,etc. El uso de dispositivos semiconductores (básicamente transistores bipolares yMOSFET hasta unos 3GHz y MESFET a frecuencias superiores) implica la combina-ción de varios de ellos para obtener los niveles de potencia requeridos, en algu-nos casos han de combinarse decenas de miles de unidades. Normalmente, convarios dispositivos se realizan módulos transmisores capaces de dar entre unosvatios y varios Kw según la frecuencia y el ciclo de trabajo del sistema. La combi-nación de módulos transmisores para obtener la potencia total requerida puederealizarse siguiendo dos técnicas diferentes:

•Combinación directa de los módulos mediante divisores/combinadoresde alta potencia. Las ventajas de esta solución son su simplicidad y la posibi-lidad de reemplazar directamente los tubos electrónicos ya construidos. Suinconveniente radica en las pérdidas del combinador final y de la línea de trans-misión que lleva la señal desde el transmisor a los elementos radiantes. Estaspérdidas se traducen en la necesidad de aumentar sensiblemente el número dedispositivos activos necesarios.

•Combinando las señales procedentes de los módulos en el espacio, esdecir, cada módulo alimenta uno o varios elementos de un array de antenas y,de este modo, se evitan las pérdidas antes comentadas. Su inconveniente es lacomplejidad del sistema, pues cada módulo -que debe incluir, además del trans-misor, el receptor, el duplexor y los desfasadores- va instalado en la antena ali-mentando a un elemento radiante. Ello implica multiplicar el número de recep-tores, duplexores y desfasadores necesarios, por el número de elementosradiantes alimentados independientemente. Una ventaja importante de estaconfiguración es la posibilidad de utilizar técnicas de procesado en array, dadoque se dispone de la señal en cada uno de los elementos. El desarrollo de la tec-nología MMIC (circuitos monolíticos de microondas) está permitiendo ampliar elcampo de aplicación de la segunda solución, sin embargo para algunos sistemasde largo alcance, que requieren elevadas potencias, los tubos electrónicossiguen siendo la mejor opción.

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Función radiación

Su objetivo es radiar la energía electromagnética en la dirección apropiada. Esmuy difícil generalizar pues los diversos sistemas radar utilizan prácticamente todotipo de antenas. Las características típicas de las antenas radar son:

- Haces principales estrechos, al menos en un plano, para obtener una buenaresolución angular.

- Nivel de lóbulos secundarios muy bajo para evitar la detección de falsosblancos.

- Alta eficiencia para conseguir el mayor alcance posible. Nótese que una efi-ciencia mediocre se traduce en una complicación mayor para el transmisor, loque suele significar mucho dinero.

- Polarización lineal, horizontal o vertical, en función de la aplicación, siendocircunstancias a considerar para dicha elección, la posible reflexión sobre lasuperficie terrestre (tierra o mar), el comportamiento del blanco y la facilidaden la realización de la antena.

Las características indicadas exigen aperturas grandes por lo que la utilizaciónde reflectores, arrays o combinación de ambos está muy extendida. Un aspectoespecífico de las antenas radar es que, en muchos casos, requieren diagramas deradiación con formas especiales, lo que se consigue empleando superficies confor-madas en el caso de los reflectores y alimentando adecuadamente los elementosde los arrays.

Duplexor

En el caso de los sistemas radar que transmiten impulsos –la mayoría-, en los quetransmisión y recepción no se hacen simultáneamente, se utiliza una única ante-na por lo que es necesario introducir un duplexor que en la fase de transmisióndebe proteger al receptor procurando el adecuado aislamiento entre transmisor yreceptor. Por el contrario, en la fase de recepción, la atenuación entre antena yreceptor debe ser lo menor posible. Asimismo, el tiempo de conmutación debe sermuy corto porque en caso contrario se degenera la distancia mínima a que se pue-den detectar los blancos. Sus características más relevantes son, por tanto, lasPérdidas en fase de transmisión, el Aislamiento en la fase de recepción y elTiempo de conmutación. Se suelen realizar con diodos PIN y circuladores,aunque en radares de alta potencia que se realizan con tubos electrónicos todavíase usan células de descarga de gas.

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Función recepción

Su objeto es la detección de las señales reflejadas por los blancos. Los receptoresempleados en los radares son del tipo superheterodino con una o dos conver-siones y requieren elevada selectividad, alto margen dinámico y, en aplica-ciones militares, la utilización de anchos de banda de trabajo muy grandespara obtener elevados alcances y resoluciones, así como para dificultar la detec-ción de las señales transmitidas.

La mayor parte de los sistemas radar, son suficientemente complejos para justifi-car la utilización de un receptor sofisticado: la sensibilidad se optimiza utilizandoamplificadores de bajo ruido y filtros adaptados, mientras que el margen dinámi-co se aumenta introduciendo circuitos de control de la ganancia en el tiempo(GTC) que evitan la saturación del receptor por las señales reflejadas por los blan-cos próximos. Los circuitos GTC son característicos de los sistemas radar y no sonsino atenuadores cuya atenuación varía a lo largo del tiempo de tal modo que lasseñales fuertes, correspondientes a blancos cercanos y que, por tanto llegan antesal receptor, se atenúan más.

Los radares más simples son no coherentes y usan magnetrones. En este caso eloscilador local se sintoniza con la señal transmitida mediante un circuito de ControlAutomático de Frecuencia (CAF) que compara las frecuencias respectivas y da unaseñal de error, si no coincide con la frecuencia intermedia, que modifica la frecuen-cia del OL. Sin embargo la tendencia actual es a que todas las señales (transmiti-das, diversos OL, las utilizadas para la detección, etc.) se obtengan mediante lazosenganchados en fase (PLL) a un oscilador a cristal.

En definitiva la tendencia es utilizar un sintetizador de excelentes prestaciones conel que generar las señales transmitidas y realizar una detección completamentecoherente en la que se obtiene la amplitud y la fase instantánea de las señales reci-bidas. Por otro lado, la introducción de receptores digitales (incluso a partir de FI)ya es habitual en los nuevos desarrollos.

Función proceso de información y presentación

En este bloque funcional, a partir de las señales suministradas por el receptor ytras separar las señales procedentes de los blancos deseados del resto de seña-les, se determina la posición y/o velocidad de los blancos y se presentan estosdatos al usuario. Incluye cuatro subsistemas: el procesador de señal, el extractorde datos, el procesador de datos y la unidad de presentación. En las siguienteslíneas los describiremos brevemente.

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El procesador de señal es el subsistema encargado de determinar la presenciao no de blancos. Para ello debe rechazar las señales no deseadas, denominadasgenéricamente “clutter” (ecos del suelo, mar, nubes, chaff, interferencias delibe-radas -“jamming”- o no). Los principales procesadores utilizados son:

•Indicador de blancos móviles (MTI). Extrae los blancos móviles, cancelan-do los fijos. Para ello se aprovecha el diferente desplazamiento Doppler produ-cido por unos y otros.

•Procesamiento digital de pulsos (PDP). Esta técnica consigue un mejorrechazo del clutter. La señal se detecta coherentemente y se la somete a un tra-tamiento espectral que permite discriminar blancos en la misma célula de reso-lución por su diferente velocidad. Una de sus aplicaciones prácticas más impor-tante son los sistemas MTD (detector de blancos móviles).

•Técnicas CFAR (Constant False Alarm Rate). Permite trabajar con unumbral de detección adaptativo, en función de las condiciones particulares delclutter en cada instante y en cada región espacial. Para ello se establece elumbral de detección en una celda a partir de los niveles de las celdas colindan-tes que se suponen sin blanco.

•Circuitos log-FTC. Consisten en una amplificación logarítmica seguida de undiferenciador. Resaltan los bordes espaciales de los blancos, siendo muy efica-ces contra el clutter meteorológico y el “jamming” con ruido.

•Técnica de compresión de impulsos. Se envían pulsos codificados de largaduración que se comprimen en recepción mediante un filtrado adaptativo. Estopermite obtener simultáneamente, alta resolución y elevado alcance.

El extractor de datos suministra la distancia, dirección (acimut y/o elevación),velocidad del blanco, “firma radar”, etc., a partir de los datos suministrados por elprocesador de señal. A esta información se le suele denominar “plot”. Se imple-menta con microprocesadores dedicados.

El procesador de datos genera las pistas a partir de los “plot” mediante sucorrelación espacial. También se utilizan filtros de seguimiento –como los conoci-dos filtros de Kalman- que permiten mejorar la precisión de los “plots”. Ademáspuede realizar otras funciones tales como: detección de colisiones, correlación depistas y planes de vuelo, etc.

La unidad de presentación pretende presentar la información al operador delmodo más adecuado para su correcta interpretación. Si la señal que ataca a estesubsistema es la salida del procesado de señal, como se hacía tradicionalmen-te, se dice que la presentación es una pantalla con vídeo crudo. Sin embargo

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prácticamente ya todos los sistemas trabajan digitalmente y emplean pantallassintéticas. Existen muchas posibles soluciones para implementar las pantallas,pues la incorporación de la tecnología de microprocesadores ha permitido la utili-zación de pantallas muy sofisticados, con inclusión de símbolos, mapas, etc. Dehecho, la unidad de presentación es un subsistema en franca evolución de la manodel desarrollo de la tecnología digital y su aplicación al tratamiento de gráficos.

Controlador central

Todos los subsistemas antes mencionados están controlados por un controladordonde radica la inteligencia del sistema. En los sistemas más sofisticados puedellegar a ser un ordenador central e incluso algunas funciones específicas puedenser realizadas por uno o varios microprocesadores de propósito dedicado. El tama-ño y velocidad del controlador están determinados por el grado de complejidad delradar y, por tanto, por el tipo de aplicación. El controlador central es un elementoesencial que permite optimizar las posibilidades de los diferentes subsistemas enfunción de las condiciones del entorno de trabajo en cada momento.

A modo de resumen, podemos afirmar que flexibilidad y adaptabilidad son doscaracterísticas muy importantes en los radares utilizados en aplicaciones deDefensa y Seguridad. Son sistemas que trabajan en ambientes electromagnéticosmuy densos y con blancos no colaborativos por lo que la tendencia es a diseñartransmisores, receptores y procesados con características variables que son con-trolados por una inteligencia pre-programada cada vez más sofisticada. Se dejaque el operador se concentre en las tareas en las que sus capacidades son másnecesarias y se le descarga de las actividades rutinarias.

4.3.3 Tipos de Radares

Radar de vigilancia primario convencional

Un radar de vigilancia primario es aquel que pretende detectar y localizar blancospasivos en una zona de cobertura amplia, es decir blancos que reflejan la ondaelectromagnética incidente [6]. El calificativo de convencional indica que es el tipode radar que primero se desarrolló, por otra parte es el más extendido. Sus prin-cipales características son:

•Transmite impulsos estrechos de RF lo que le permite utilizar una única antenamediante el empleo de un duplexor, incluso si se transmiten señales de muy ele-vada potencia.

•El tamaño de la celda de resolución del sistema es muy superior al de los blancospor lo que estos son puntuales. El radar sólo será capaz de localizar al blanco ymedir su velocidad pero no de identificarlo si no dispone de información adicional.

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•Es capaz de discriminar espacialmente numerosos blancos en amplias zonassiempre que estén en diferentes celdas de resolución. Para ello se explora uni-formemente la zona de cobertura con el haz de una antena que es muy estre-cho en un plano –típicamente el horizontal- si el radar es bidimensional o en losdos planos –horizontal y vertical- si es tridimensional.

•El transmisor y el receptor están en la misma posición, lo que facilita su opera-ción pero le hace muy sensible a las acciones de guerra electrónica.

•Cada día es más frecuente que se utilice la información Doppler de los impulsosrecibidos para discriminar blancos dentro de la misma célula de resolución cuan-do su velocidad radial es diferente.

Son sistemas radar que pueden tener grandes alcances, conseguidos mediante latransmisión de mucha potencia y el uso de antenas de gran tamaño. Nótese queel hecho de que la señal tenga que ir y volver hace que la señal recibida sea inver-samente proporcional a la distancia elevada a la cuarta potencia. Su principal ven-taja es que no requiere que los blancos sean colaborativos, sus desventajas másimportantes, aparte de que requieren muchos recursos de potencia en el transmi-sor y apertura de antena, es que no permiten la identificación de los blancos y sonmuy sensibles a las acciones de guerra electrónica por su fácil localización. Estaslimitaciones se superan utilizando información de otros sensores para identificarun blanco y empleando sofisticadas anti-contramedidas electrónicas.

En la figura 4.16 se presentan las fotografías de tres radares de vigilancia conven-cionales. Dos de ellos son muy sofisticados, uno empleado para el control de trá-fico aéreo civil (bidimensional, con amplificador Klystron como transmisor y unalcance de 250 millas náuticas) y otro para sistemas militares de alerta temprana(tridimensional, de estado sólido y un alcance similar); mientras que el tercero esun radar marino mucho más simple y barato empleado masivamente en buque ybarcos de todo tipo de tamaño que utiliza un magnetrón como transmisor y tieneun alcance entre 12 y 48 millas náuticas según el modelo.

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Figura 4.16 Radares de vigilancia primarios convencionales (fuente: catálogos de los fabricantes)

Radar de vigilancia secundario

Un radar se denomina secundario cuando el blanco es activo, es decir, dispone deun transpondedor que recibe la interrogación del radar y responde con un con-junto de impulsos codificados. El tiempo entre la transmisión de la interrogación yla recepción de la respuesta permite al equipo de tierra determinar la distancia aque está situada la aeronave y la dirección a la que apunta la antena el acimut delblanco, para lo que se emplea una técnica de ventana deslizante o monopulso [7].

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TW 1253TOSHIBA

LANZAINDRA

Radares marinosFURUNO


Se les conoce como SSR (Secondary Surveillance Radar) en el campo civil y comoIFF (Identificación Friend or Foe) en el militar. El hecho de que el blanco sea acti-vo tiene importantes ventajas respecto del radar primario:

- Es inmune al clutter (señales procedentes de blancos no deseados), puesbasta con utilizar diferentes frecuencias en los dos enlaces, radar-transponde-dor y transpondedor-radar, para garantizar que el receptor del radar sólo reci-be señales de los blancos (transpondedores). Este hecho permite el empleo deun procesado de señal mucho más simple que en un radar primario, donde serequiere mucho esfuerzo para eliminar la señal procedente del suelo, nubes,edificios, etc…

- Se puede establecer un canal de datos entre el sistema y los blancos, envian-do al transpondedor informaciones de identificación, altitud (convirtiendo alradar en tridimensional con un coste mínimo), avisos de emergencias, etc…

- Para el mismo alcance su coste es un orden de magnitud menor, ello sedebe tanto a las razones indicadas, como a que se requiere transmitir muchamenos potencia: el enlace no es de ida y vuelta, ni dependiente de las propie-dades reflectoras del blanco.

Sin embargo tiene un serio inconveniente frente al primario: requiere la colabo-ración del blanco, que debe querer ser detectado y tener su equipo operativo.

Todo ello justifica que el SSR tenga un papel muy importante en el Control deTráfico Aéreo Civil, mientras que el radar primario sea la base del militar

Este tipo de radares están completamente estandarizados. La interrogación serealiza a 1030 MHz, por medio de dos pulsos de 0,8 μs de anchura. Existen dife-rentes modos de interrogación que se diferencian por la separación entre los pul-sos. Los modos más utilizados son el 3/A y el C. Con el primero se indica al trans-pondedor que debe contestar con un código de identificación de la aeronave,mientras que el modo C debe responder con la altitud. El radar interroga alterna-tivamente con un modo u otro (entrelazado de modos), con una PRF de unos 400pulsos por segundos.

Una vez recibida la señal e identificado el modo, el transpondedor espera 50μs ycontesta con un tren de impulsos de 0,4 μs de duración y frecuencia 1060 MHz,en el que se codifica la información enviada hacia el radar, típicamente identifica-ción y altitud. Asímismo, para poder distinguir aviones que estén transmitiendo elmismo código, a requerimiento de la torre de control, el piloto puede transmitir unpulso de identificación de 20 μs de duración, que produce una indicación especialsobre la pantalla del operador.

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Los principales problemas que tiene el sistema están asociados a la estandarizaciónde las interrogaciones y respuestas pues, en principio, todos los aviones contestana una interrogación, lo que produciría un ambiente de respuestas tan denso que sesolapan las respuestas en el tiempo, impidiendo su correcta decodificación. Paraevitarlo se utilizan técnicas especiales como la supresión de interrogaciones y res-puestas transmitidas y recibidas por la estación de tierra por los lóbulos secunda-rios de la antena o el bloqueo temporal de los transpondedores cuando contestan.

Aunque es un sistema que ha dado excelentes resultados durante más de 50 años,lo cierto es que el incremento paulatino de transpondedores obligó a ir introdu-ciendo mejoras significativas (como el empleo de antenas de array o el uso de pro-cesadores monopulso) a lo largo de estos años.

El radar secundario que actualmente se está desplegando es el denominado Modo S,con el que se superan todos los problemas comentados. La diferencia esencialintroducida es la interrogación selectiva, es decir, sólo cuando la antena apun-ta a donde está el avión se le interroga y, además, de forma individualizada (sóloa él). De este modo desaparecen las interferencias entre usuarios y sistemas, asícomo los posibles bloqueos de transpondedores.

Las características específicas del Modo S frente al SSR convencional son:

- Introducción procesadores monopulso que permiten disminuir los errores aci-mutales y la frecuencia de repetición de interrogaciones utilizada.

- Interrogación selectiva mediante 16 millones de códigos.

- Incremento muy significativo del canal de datos aeronave-equipo de tierra.

La versión militar del radar secundario se conoce como IFF (Identification Friendor Foe). Su funcionamiento es muy similar al descrito para el SSR y compatiblecon él. El equivalente militar al Modo S es el Modo 5, pero usa una forma de ondaque emplea técnicas modernas de criptografía, codificación y modulación parasuperar todas las limitaciones operativas y de seguridad de los actuales sistemas.Su canal de datos es muy amplio y seguro, e incluye el envío de la posición GPS.Se utilizan técnicas de espectro ensanchado, lo que dificulta la detección e inter-pretación de las señales. Además esta técnica permite que opere en la mismabanda que los sistemas ATC sin incrementar el nivel de interferencias. En la figu-ra 4.17 se presenta uno de estos sistemas.

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Figura 4.17 SSR e IFF (fuente: INDRA)

Radares de seguimiento

Estos sistemas se diferencian de los de vigilancia en que necesitan permanecerapuntados hacia el blanco el mayor tiempo posible (en muchos casos el100%). Además requieren mucha mayor precisión (del orden de metros en dis-tancia y centésimas de grado en la medida de ángulos). Para ello trabajan con unavelocidad de datos bastante más elevada (PRF de decenas de KHz) e incor-poran subsistemas de seguimiento angular, temporal (distancia) e inclusofrecuencial (velocidad) [8]. Sus principal campo de aplicación son los sistemasde armas: direcciones de tiro, guiado activo y semiactivo de misiles, etc.; así comoel seguimiento de blancos de especial interés: satélites, naves espaciales. En lafigura 4.18 se muestran algunos de estos sistemas.

Figura 4.18 Radares de seguimiento (fuente: diversas páginas en la web)

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1802SW Radar FireControl System by AMS

Detección delanzamientos

de misilesApolo 11

CIT-18/CIT-20

MSMR-Modo S


La estructura del subsistema detector de los ecos del blanco no varía substancial-mente de la empleada en radares de vigilancia. Sin embargo, una vez que ladetección e identificación del blanco escogido ha sido realizada (adquisición), éstedebe ser aislado del resto mediante una puerta muy estrecha, bien temporal(distancia) y/o frecuencial (velocidad). El seguimiento en lazo cerrado(angular, en distancia y/o velocidad) utiliza como datos de entrada sólo la infor-mación que pasa a través de estas puertas y, por tanto, requieren el correcto fun-cionamiento de los procesos de detección y aislamiento del blanco.

Figura 4.19 Esquema de bloques de una cabeza buscadora [2]

En la figura 4.19 se muestra la estructura de uno de estos sistemas, concretamen-te el que usa un buscador (“seeker”) activo de un misil. Los subsistemas de trans-misión, recepción y detección son similares a los de otros radares, pero incluyeotros:

- Subsistema de detección e identificación de blancos. Es el que decide laexistencia o no de blanco en la celda de resolución analizada. Los nuevos sis-temas también incluyen la posibilidad de identificar fuentes de jamming.

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- Subsistemas de seguimiento angular y en distancia. La celda de resolu-ción no da suficiente precisión, y son estos subsistemas los que permitendeterminar la posición dentro de la celda, en este caso tridimensional.

- Subsistema de control de la antena. Su objetivo es garantizar el apunta-miento de la antena al blanco. Los datos de entrada al mismo son los ángulosmedidos por los subsistemas de seguimiento angular.

- Procesador de control. Controla el correcto funcionamiento de los subsistemasy asegura la correcta realización de las tareas y pautas programadas. Además, através de la medida de diferentes parámetros, evalúa en cada instante la situa-ción concreta y toma las decisiones oportunas. Es probablemente el subsistemaque está evolucionando más rápidamente en capacidad y complejidad.

Si el sistema, como en este caso, se utiliza para guiado activo de una aeronave(misiles) también dispondrá de un subsistema de navegación. Es el que, tam-bién a partir de los ángulos medidos, da las órdenes a los alerones para mantenerel rumbo correcto hacia el blanco.

También puede hacerse un seguimiento en velocidad, en cuyo caso se aprovechala desviación Doppler de la señal (normalmente una simple portadora sin modular)reflejada por el blanco. También es muy habitual que el sistema sea biestático,generando la señal con un iluminador. Es el caso de los sistemas de misiles conguía semiactiva, muy extendidos para el combare aire-aire y superficie-aire, en losque la cabeza buscadora del misil no requiere transmisor ni duplexor.

Radares Multifunción

El radar multifunción, en adelante MFAR (Multiple-Function Array Radar), se carac-teriza por su capacidad para realizar las funciones exploración y seguimiento inde-pendientemente, por lo que su diseño requiere un compromiso entre las presta-ciones asociadas a cada una de las funciones. La realización simultánea (en sen-tido operativo, no temporal) de ambas funciones sólo puede obtenerse mediantela utilización de antenas de exploración electrónica [9].

La arquitectura general de estos sistemas no varía sustancialmente de un radarconvencional, e incluye los tradicionales bloques funcionales de generación deseñal, transmisión, radiación, recepción, proceso de la información y control cen-tral del radar. Las diferencias significativas respecto otros sistemas menos sofisti-cados son:

- El sistema es completamente coherente y suele utilizar la técnica de compre-sión de impulsos para conseguir el alcance y resolución en distancia requeridospor la cobertura en detección y los filtros de seguimiento, respectivamente. Por

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ello, la generación de la forma de onda se realiza a bajo nivel posteriormentese amplifica mediante la correspondiente estructura de amplificadores y combi-nadores.

- El sistema radiante es un array plano con barrido electrónico que puede serfijo o giratorio.

- El receptor incluye un procesador monopulso en dos ejes para conseguir laresolución angular requerida en acimut y elevación por la función seguimiento.

- Se dispone de un potente controlador central que a las tareas habituales(secuenciamiento de actividades, control del estado de los subsistemas, etc.),debe añadir el control del haz y la gestión de potencia, como comprobaremosmás adelante.

Es importante resaltar que la gestión inteligente del haz constituye una de lasclaves del éxito de un MFAR y convierte al controlador en uno de los elementosmás importantes del sistema. En efecto, la característica fundamental que aportala exploración electrónica al MFAR es la posibilidad de controlar el haz de la ante-na casi instantáneamente, lo que, además de hacer posible ambas funciones, per-mite trabajar de forma flexible y por tanto adaptada a las condiciones concretasdel entorno, aportando, al menos, las siguientes ventajas:

- Función exploración: se puede confirmar o rechazar rápidamente una detección,para ello basta con reexaminar inmediatamente la zona del espacio donde seproduce, lo que no es posible con la exploración mecánica hasta la siguientevuelta de antena. Por otro lado, la velocidad de datos puede ser diferente endiversas zonas según su prioridad (zonas de posibles blancos “pop up”, someti-das a perturbaciones, etc.) de modo que el alcance del sistema depende de ladirección (ver figura) algo que no es posible en los sistemas de exploraciónmecánica.

- Función seguimiento: se puede adquirir muy rápidamente el blanco, generandosu correspondiente pista, incluso cuando están presentes varios blancos simul-táneamente. Para ello basta con apuntar el haz, secuencialmente, en dichasdirecciones hasta que se generen sus respectivas pistas. Por otro lado, tambiénes posible adaptar las velocidades de renovación de datos correspondientes acada blanco en función de su prioridad, optimizando los recursos del sistema(producto potencia-apertura).

Nótese que la principal diferencia de un MFAR frente a los radares de vigilanciaconvencionales es que no trata a todas las direcciones del espacio de forma uni-forme. Obviamente hace una exploración volumétrica cada cierto tiempo parapoder adquirir los blancos pero una buena parte de la energía transmitida se dedica

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a las direcciones del espacio donde ya hay detectados blancos o son de especialinterés, por ejemplo las zonas de probable aparición de las amenazas.

Además, se pueden emplear lo que se conocen como “técnicas de ahorro de tiem-po”, es decir aprovechar la posibilidad de controlar el haz de forma instantánea yel conocimiento que tiene el sistema de la posición de los blancos para no estaren fase de recepción sin recibir ningún eco la mayor parte del tiempo como ocurreen un radar convencional. Estos intervalos se pueden aprovechar para transmitirimpulsos a otras direcciones.

La función exploración volumétrica, que suele ser con diferencia la que más tiem-po consume, se puede optimizar usando barreras de haces y entrelazado depulsos. La técnica consiste en limitar el volumen de búsqueda a través del cualdeben pasar y ser detectados todos los blancos. La función seguimiento tambiénpuede consumir mucho tiempo si hay muchos blancos simultáneos y se puedeoptimizar usando entrelazado de pistas. En este caso, el hecho de que la posi-ción del blanco sea conocida permite predecir aproximadamente el instante tem-poral en que llegará su eco y no es necesario que el radar esté recibiendo duran-te todo el tiempo que tarda el pulso en ir y volver.

Por último conviene resaltar que aunque puede considerarse que la “generación depistas” en los modernos radares de vigilancia proporciona la función seguimientoy, de hecho algunos de ellos se presentan comercialmente como radares TWS(Track While Scan), ninguna de las posibilidades mencionadas en los párrafosanteriores están al alcance de un sistema TWS. Además este tipo de radar debediseñarse como un compromiso entre los requerimientos de ambas funciones.Cuando los blancos se desplazan con fuertes maniobras se requiere una elevadavelocidad de datos, lo que obliga a aumentar la velocidad de giro de la antena,degenerando la probabilidad de detección y, por tanto, el alcance del sistema. Deeste modo, la única forma de mantener las prestaciones de la función exploraciónes el aumento del producto potencia-apertura, lo que tiene un límite tecnológicoclaro. Por el contrario, un MFAR puede trabajar con productos potencia-aperturamás bajos por la optimización de recursos que permite la flexibilidad de la antenade exploración electrónica.

Algunos radares multifunción se han desarrollado a lo largo de la década de lossetenta. Sin embargo, será en la nueva generación de radares donde se aplicaráampliamente esta filosofía, una vez que los avances en la tecnología monolítica deAsGa (MMIC) permita realizar antenas activas de barrido electrónico a preciosrazonables. En la figura 4.20 se presentan algunos ejemplos de radares multifun-ción, puede comprobarse la variedad de aplicaciones posibles y su diverso gradode complejidad. En cualquier caso, el MFAR no debe confundirse con el radar mul-timodo o multiproceso, pues aunque no son excluyentes (un radar multimodopuede ser multifunción) son conceptos que representan ideas diferentes. Un radar

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multimodo es un sistema que permite realizar diversas misiones (detección deblancos, control de armas, prevención de obstáculos, navegación, etc.) que antesestaban asignadas a varios radares.

Figura 4.20 Radares multifunción (fuente: diversas páginas en la web)

Radares de onda continua

Estos sistemas se caracterizan porque, a diferencia de los radares de impulsos, eltransmisor emite ininterrumpidamente una portadora (radar CW), o una portado-ra modulada en frecuencia (radar CW-FM) o fase (radar CW-PM) [10]. El gran pro-blema asociado a este tipo de radares es la imposibilidad de usar un duplexor loque obliga en muchos casos a emplear antenas diferentes para transmitir y reci-bir, e incluso en este caso, es muy difícil obtener buenos aislamientos entre eltransmisor y el receptor. El aislamiento obtenido siempre es muy inferior al que sepuede obtener en radares de impulsos en los que no coinciden en el tiempo trans-misión y recepción y pueden emplearse conmutadores.

En la práctica, el aislamiento establece el máximo nivel de potencia que se puedetransmitir antes de que se degrade el comportamiento del receptor o incluso sedestruya, lo que limitará el alcance del sistema. Éste es el gran inconveniente deestos radares que restringe sus áreas de aplicación a situaciones donde, o no serequiere mucho alcance, o el receptor está alejado del transmisor (radar biestáti-co). Sin embargo, hay numerosas campos donde se da alguna de estas circuns-tancias y, de hecho, recientemente se ha experimentado un notable aumento delinterés hacia estos sistemas para aplicaciones de vigilancia de fronteras, sistemasanticolisión para automóviles -las dos con un importantísimo mercado potencial- y,en el campo militar, para la incorporación de técnicas de baja probabilidad de inter-ceptación (LPI), para los que este tipo de radares son especialmente adecuados.

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COBRA DANE

Vigilancia y seguimiento de misiles intercontinentales y

otros blancos aéreos

PATRIOT

Vigilancia y detección de

medio alcance yguiado de misiles

antimisiles

AEGIS

Sistema de defensa aérea


La razón de su extensión es que son sistemas mucho más simples y baratos quelos radares de impulsos equivalentes en términos de alcance. Ello es debido, entreotras, a las siguientes causas:

- El proceso de señal requerido es mucho más sencillo. En casi todos los casosbasta con mezclar la señales transmitidas y recibidas y filtrar paso bajo a la sali-da del mezclador para que la frecuencia de la señal obtenida lleve la informa-ción de velocidad y/o distancia del blanco.

- El alcance de un radar depende de la potencia media emitida. Los radares deimpulsos suelen trabajar con ciclos de trabajo muy pequeños lo que implica elempleo de pulsos con de pico muy elevadas. En los radares de onda continua elciclo de trabajo es próximo al 100%, por lo que con potencias de pico muchomás moderadas se pueden mayores alcances. Como por otro lado, sus limita-ciones de aislamiento impiden utilizar potencias elevadas. En la práctica lostransmisores de estos radares se pueden implementar en estado sólido lo queabarata mucho el coste del equipo.

Si la señal emitida es una simple portadora –denominado radares CW- no se puedeobtener la distancia a la que está el blanco, pero si su velocidad por la desviaciónDoppler de la señal recibida. Por supuesto las funciones detección y localizacióntambién pueden ser implementados si se incorporan los elementos precisos. Paraobtener la distancia es necesario modular la portadora. Se puede hacer de variasformas pero la más utilizada es una modulación lineal de frecuencia –son los rada-res CW-LFM- pues los ecos recibidos de un blanco fijo son señales sinusoidalescuya frecuencia es proporcional a la distancia.

En algunas aplicaciones, las más tradicionales y extendidas de este tipo de radar,el sistema se diseña para que sólo haya un blanco dentro del haz de la antena, esel caso, por ejemplo, de los sensores de movimiento (de gran aplicación en cade-nas de producción), espoletas de proximidad, sensores para detección de intrusos,radares de medida de velocidad para control del tráfico rodado, cabezas buscado-ras en guiado semiactivo de misiles o los radioaltímetros.

Cuando en la zona de cobertura existen varios blancos, cada uno de ellos devuel-ve una señal de onda continua (no un impulso) y, a diferencia de lo que ocurre enlos radares de impulsos, estas señales se superponen y se combinan, impidiendola medida de velocidad y/o distancia mediante un simple demodulador FM o con-tador de frecuencia. En principio no es un problema grave, ya que los ecos prove-nientes de distintos blancos tienen frecuencias distintas al corresponder a blancosque se mueven a distintas velocidades (radar CW) o situados a diferentes distan-cias (radar CW-LFM). En todo caso, hay que separar los ecos asociados a cadablanco basándose en las diferentes componentes de frecuencia que originan en laseñal de batido. Inicialmente se hacía utilizando un banco de filtros. La salida decada filtro corresponderá a ecos con batidos situados dentro de un cierto margen

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de frecuencias, dado por el ancho del filtro que se corresponde con una resoluciónen distancia o velocidad. Modernamente, el banco de filtros suele ser sustituidopor un procesador digital, que tras muestrear y digitalizar la señal, calcula laTransformada Discreta de Fourier, que básicamente no es sino un banco de filtrosdigitales. De esta forma es fácil tener una estructura equivalente a, por ejemplo,512 ó 1024 filtros e incluso de 4096 o más si se desea una resolución muy alta.

Esta última técnica, basada en una tecnología cada día más accesible, barata y demejores prestaciones, es la que se está empleando en una nueva generación deradares en franco desarrollo para aplicaciones tales como radares anticolisión devehículos, radares de vigilancia de fronteras terrestres y marítimas, radares debaja probabilidad de interceptación, radares de alta resolución e imagen de alcan-ce corto y medio, etc. En la figura 4.21 se presenta un ejemplo de uno de los rada-res de onda continua más sofisticados, el radar ARIES, desarrollado por INDRA encolaboración con el Grupo de Microondas y Radar de la UPM y RYMSA. Tiene diver-sas aplicaciones como radar de vigilancia superficial en buques y aeropuertos,vigilancia de costas, etc.

Figura 4.21 Radar de onda continua ARIES (fuente: INDRA)

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RADAR ARIES


Radares de alta resolución

En este tipo de radares, conocidos como HRR (High Resolution Radar) los blan-cos son “extensos” lo que se consigue empleando señales transmitidas y proce-sos de señal que permiten que la resolución en distancia del radar sea mayor queel tamaño longitudinal del blanco. Su característica principal es su capacidad paradiscriminar fuentes de reflexión en la dirección de la línea de vista del blanco loque facilita la identificación pasiva (sin necesidad de colaboración) de blancosmediante su “firma radar” [11].

Como se indicó en un apartado anterior, la resolución en distancia de un radar esΔR≈c/2B (c es la velocidad de la luz y B el ancho de banda de la señal transmiti-da). Un radar que transmite pulsos de 1 μs de anchura -típico de un radar con-vencional- tendrá un ancho de banda transmitido aproximado de B≈1 MHz y unaresolución en distancia de ΔR≈150 m, por el contrario, si se transmite un pulso de1ns, en ancho de banda será B≈1GHz y ΔR≈0,15 m. Obviamente, una aeronavees un blanco puntual para el primer radar, mientras que es extenso –un conjuntode blancos denominados “puntos calientes”- para el segundo.

Si se empleasen pulsos tan estrechos el alcance del radar sería muy pequeño pueslo sería la potencia media transmitida. Por ello se emplean señales de onda conti-nua o pulsos de anchuras significativas, en ambos casos modulados internamen-te, en frecuencia mediante una rampa lineal, o en fase con un código Barker o seu-doaleatorio etc. En este caso, la señal se detecta con un filtro adaptado a la formade onda y la resolución en distancia del radar no depende de la duración del pulso,sino de su ancho de banda (ver apartado 4.3.1).

Hasta ahora la mayor parte de los radares de vigilancia eran convencionales porla dificultad inherente a la generación y procesado de señales de banda muyancha. Sin embargo, los avances y reducción de costes en las tecnologías de fabri-cación de circuitos y subsistemas de microondas y en las técnicas de procesadode señal a alta velocidad, permiten su uso, a un coste asumible, en aplicacionesde vigilancia resueltas hasta ahora con radares convencionales e introduce unasventajas operativas poco conocidas hasta ahora:

- Identificación de blancos. Es una funcionalidad consustancial con los radaresde alta resolución pues la forma del eco es diferente para cada blanco, se cono-ce como perfil amplitud-distancia. Con procesados más complejos y sin necesi-dad de hacer un procesado coherente se pueden obtener lo que se conocencomo perfiles distancia-acimut que permiten el cálculo de las dimensiones delblanco, la obtención de datos sobre su estructura y la determinación precisa sumovimiento. En la figura 4.22 se presentan resultados experimentales obteni-dos en el estrecho de Gibraltar con un radar CW-LFM que transmite de 400 MHzde ancho de banda.

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Figura 4.22 Identificación por “puntos calientes” en un HRR (Datos obtenidos con el radarARIES desarrollado por INDRA en colaboración con el Grupo de Microondas y Radar de la

Universidad Politécnica de Madrid)

- Discriminación de blancos en clutter. La potencia de clutter recibida por unradar es directamente proporcional al tamaño de la celda de resolución en dis-tancia, lo que confiere a los sistemas la posibilidad de trabajar en condicionesque para otro radar se calificarían de "clutter severo”. La reducción drástica delclutter es especialmente útil cuando es muy difícil combatirlo porque el despla-zamiento Doppler de los blancos no permite discriminarlo, tal es el caso de losblancos estáticos (piezas de artillería o carros y vehículos sin movimiento porejemplo) o la detección de buques cuyo movimiento respecto de las olas dificul-ta enormemente el uso de técnicas basadas en el desplazamiento Doppler delas señales recibidas. Son, por tanto, las aplicaciones a la detección de blancossuperficiales, por ejemplo el control del tráfico de superficie en un aeropuerto ola detección de "pateras", las más interesantes para aplicar estas técnicas.

- Protección frente a contramedidas electrónicas. La idea es muy simple, siel ancho de banda instantáneo de un receptor radar es grande, el perturbadortiene que repartir su energía en toda la banda reduciéndose su eficacia. Estomismo pude conseguirse utilizando anchos de banda instantáneos pequeños yempleando agilidad en frecuencia. Sin embargo, se puede demostrar que lastécnicas de espectro ensanchado producen un "esparcimiento en frecuencia" delas señales recibidas no coherentes con las transmitidas lo que supone una pro-tección adicional para los radares de alta resolución atacados por los actualesperturbadores. El rango de aplicaciones militares en que esta característica esde utilidad es muy amplio, especialmente significativas son las asociadas aradares utilizados para el control y seguimiento de sistemas de armas, sobretodo si son estáticos, donde, en caso de conflicto, cabe esperar la perturbación

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del sistema. Como ejemplo de estas aplicaciones podemos citar los radares aso-ciados a los sistemas de artillería antiaérea y de costa.

- Detección de blancos a baja cota. Es conocido que uno de los principalesproblemas de la detección de blancos volando a baja cota es el efecto produci-do por la reflexión de la señal procedente del blanco sobre la superficie (blancoimagen) que, al superponerse con la señal directa procedente del blanco, pro-duce la conocida lobulación de la antena; cuando no una cancelación importan-te de la señal recibida, como es el caso de la detección de blancos sobre el hori-zonte del mar. Los usuarios de radares marítimos y costeros conocen la drásti-ca reducción del alcance teórico con que se encuentran en la práctica cuandopretenden detectar este tipo de blancos. La utilización de radares de muy altaresolución permite separar las señales procedentes de los "puntos calientes" delblanco real y la imagen, porque los caminos recorridos por ambas señales sonalgo diferentes (más largo el de la señal reflejada) lo que se traduce en un alar-gamiento del blanco o en la detección de dos blancos distintos, según su tama-ño y la geometría concreta. En cualquier caso, no se produce la cancelacióndel blanco lo que se traduce en un incremento del alcance sobre blancos debaja cota. La aplicación más evidente de esta característica de la tecnología dealta resolución es la detección temprana de misiles o aviones a baja cota ata-cando a plataformas marinas.

- Simplificación de los algoritmos de detección de blancos móviles. La tec-nología de alta resolución permite la detección de blancos móviles utilizandoMTI's no coherentes (los conocidos como Area-MTI) basados en la detección delmovimiento del blanco por la variación de la posición de sus puntos calientes,exploración a exploración e, incluso, pulso a pulso para blancos rápidos en tra-yectoria radial hacia el radar. Ello permite su eficaz utilización en sistemas dealerta temprana de misiles o ataques aéreos a baja cota.

Nótese que estas características se obtienen incluso con radares no coherentes ocon radares coherentes en los que, tras la detección con filtro adaptado, no seemplea la información de fase.

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Radares imagen

La formación de una imagen requiere disponer de una resolución angular muy ele-vada (un ancho de haz de las antenas muy pequeño) que permita en el plano per-pendicular a la dirección de propagación de la señal discriminar espacialmente dospuntos calientes del blanco, si además se dispone de resolución en distancia laimagen será tridimensional (ver figura 4.23). Ya se comentó en el apartado 2.2.1que conforme aumenta la distancia mayor resolución se requiere y, por tanto,mayor apertura de antena, siendo inmediato comprobar que en las bandas de RFy microondas a poco que se aleje el blanco es imposible realizar la antena por suenorme tamaño.

Existen dos técnicas para resolver el problema consiguiendo la resolución angularprecisa, denominadas SAR (Synthetic-Aperture Radar) e ISAR (Inverse SAR). Enambas es necesario que el blanco se mueva respecto de la antena.

Figura 4.23 Obtención de imágenes radar [2]

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TÉCNICAS ISAR

Esta técnica se puede aplicar cuando se dispone de un radar coherente del tipoHRR capaz de discriminar en distancia los “puntos calientes” del blanco y se pre-tende obtener la imagen de un blanco que se está moviendo respecto de la ante-na. Dado que los elementos reflectores correspondientes a estos “puntos calien-tes” generan diferente desviaciones Doppler en la frecuencia de la señal que refle-jan, será posible obtener discriminar los puntos calientes en dimensiones distan-cia y Doppler. Si la diferencia entre la desviación Doppler de dos puntos calienteses proporcional a su separación, la imagen distancia-Doppler será muy parecida ala imagen real. Nótese que esta condición se produce entre los diferentes elemen-tos de un cuerpo rígido que está girando respecto de uno de sus puntos en unplano, por ejemplo un buque con movimiento de cabeceo que es iluminado en ladirección proa-popa.

Para ello, se ilumina al blanco durante un cierto tiempo con una ráfaga de pulsosrecibiéndose la señal correspondiente, denominada video I-Q, que no será sino unconjunto de muestras en él que cada una de ellas es la amplitud y la fase de laseñal recibida correspondiente a la celda –muy estrecha pues se usan señales debandas muy altas- situada a la correspondiente distancia, es decir la señal refle-jada de un punto caliente si este existe. Lo que se obtiene es una matriz en cuyasfilas están los ecos de cada pulso, mientras que en las columnas se tienen lasmuestras obtenidas de cada punto caliente. Si se aplica una Transformada Discretade Fourier, en general cualquier banco de filtros digitales, se obtiene la imagendistancia-Doppler, una imagen electromagnética del blanco que permite suidentificación.

En la figura 4.24 se presentan algunos resultados reales obtenidos con un sensordesarrollado por el Grupo de Microondas y Radar de la Universidad Politécnica deMadrid. Nótese la precisión con la que pueden medirse las distancias y velocida-des, así como la capacidad para discriminar los blancos e, incluso, identificarlos.

Cuando se desea obtener una imagen más precisa, es a lo que generalmente sedenomina técnica ISAR, deben corregirse algunos efectos indeseados que degradanla imagen y convertir las diferencias en las frecuencias Doppler en distancias realespor lo que la algorítmica necesaria es mucho más compleja que lo aquí descrito [12].


Figura 4.24 Imágenes distancia Doppler de tráfico rodado obtenidas con un radar CW-LFM de35 GHz desarrollado por el Grupo de Microondas y Radar de

la Universidad Politécnica de Madrid

En la figura 4.25 se muestran resultados obtenidos con el mismo sensor cuandose aplican las técnicas ISAR con blancos marítimos en el Estrecho de Gibraltar. Eneste caso, mediante las técnicas antes aludidas (concretamente las denominadascorrección de Range-Walk, correcciones de movimiento y enfocado), se consigueuna resolución Doppler muy alta lo que permite la identificación de blancos conmucha mayor facilidad. Obviamente estas imágenes son de calidad muy inferior alas obtenidas con cámaras en el espectro visibles y cámaras térmicas, pero nodebe olvidarse que en estas bandas de frecuencias se puede trabajar de día y enmalas condiciones meteorológicas.

Nótese que se trata un tipo de radar con unas prestaciones operativas muy supe-riores a las de los ahora desplegados, el inconveniente que tienen las técnicasISAR es que el blanco debe moverse adecuadamente respecto del radar fijo paraque la imagen sea interpretable, lo que no ocurre con los radares SAR que descri-biremos a continuación.

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Figura 4.25 Imágenes radar obtenidas con un radar CW-LFM de 35 GHz del tráfico marítimoen el Estrecho de Gibraltar

TÉCNICAS SAR

Un SAR es un radar de apertura lateral (SLAR: Sidelooking Aperture Radar) que,embarcado en aeronaves o satélites y apuntando su antena lateralmente a ladirección de su movimiento, permite obtener imágenes de la zona explorada conun detalle que permite reconocer objetos de interés [13].

La geometría más utilizada se indica en la figura 4.26. El resultado obtenido esuna imagen electromagnética de una franja de terreno de anchura W y paralela ala trayectoria de la aeronave. La utilización de señales en bandas de microondasles convierte en sensores todo tiempo, que atraviesan -hasta cierta profundidad-algunos obstáculos como la arena del desierto. Por otro lado, las imágenes obte-nidas resaltan características específicas de los blancos pues la energía reflejadadepende de su constante dieléctrica, conductividad, rugosidad, pendiente etc. Porejemplo puede detectarse un blanco metálico "mimetizado" con el terreno. Estaspropiedades convierten al SAR en un sensor muy adecuado para aplicaciones deteledetección ("remote sensing").

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Buque de guerra

Pesquero

FerryZodiac

Helicóptero


Figura 4.26 Radar de apertura sintética

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tau: anchura de los pulsostheta: anchura del haz de la antenafi: ángulo de incidenciac: velocidad de la luz

theta: anchura del haz de la antena física


Han existido y existen numerosos sensores SAR embarcados en aeronaves y saté-lites. Especial interés tienen estos últimos por su capacidad de explorar grandesextensiones de terreno superando las fronteras nacionales. Entre ellos podemoscitar, por el papel relevante que representaron, los ERS-1, ERS-2 (banda C) yASAR (banda C) de la Agencia Espacial Europea, los JERS-1 (banda L) y RADAR-SAT (bandas X y C) bajo el control de Japón y Canadá respectivamente, los quehan sido utilizados para exploración extra planetaria, sondas Magallanes a Venus(banda S) y Cassini a Titán (banda Ku) y las misiones SIR (bandas L, C y X) de lalanzadera espacial americana. Cuando se escriben estos párrafos, los sistemasTERRASAT alemanes están obteniendo imágenes de gran precisión y el satélitePAZ español, que llevará un sensor similar, está en construcción.

El principio de funcionamiento es relativamente similar a lo ya descrito en párra-fos anteriores y se basa en los mismos fenómenos físicos, la diferencia es que eneste caso el radar se mueve con una trayectoria conocida lo que asegura el movi-miento relativo de los blancos respecto del radar.

La resolución es la distancia necesaria que se consigue transmitiendo señales debanda ancha, típicamente se usan señales tipo "Chirp" –modulación de la porta-dora linealmente en frecuencia con las que se obtienen anchos de banda transmi-tidos entre 10 y 300 MHz, resultando resoluciones teóricas entre 30 y 1 metros.La resolución acimutal se obtiene combinando la información procedente del blan-co obtenida desde diferentes puntos de la trayectoria seguida por el sensor (verfigura 4.26). En cada posición se emite un pulso cuyos ecos, tras una deteccióncoherente que permite obtener sus componentes en fase y cuadratura, es alma-cenado para cada una de las M celdas de distancia del sistema. Dado que un deter-minado blanco estará dentro del haz de la antena durante un número N de pul-sos, se puede combinar la información contenida en las N celdas de acimut paramejorar la resolución en acimut.

Una vez almacenados los datos, existen varias técnicas para obtener las imáge-nes. Todas ellas conducen a resoluciones acimutales similares pero son diferentesrespecto al tipo y volumen de procesado requerido. En todos los casos se requie-re procesar volúmenes enormes de datos con algorítmicas muy complejas y dehecho la capacidad de proceso limita las prestaciones de estos sistemas, sobretodo si tiene que hacerse en la propia plataforma aérea. Los procesados másimportantes son los siguientes:

•SAR como array sintético. Se puede conseguir un haz muy estrecho median-te un array lineal de gran apertura. Para ello se utiliza la información almace-nada que se considera como las señales recibidas por N elementos de un arrayque se sintetiza -de ahí su denominación- a partir de dicha información. Laforma más simple de hacerlo consiste en sumar vectorialmente, tras ponderar-las para disminuir el nivel de lóbulos secundarios, las señales detectadas por

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cada elemento en cada una de las celdas de distancia. Esta técnica es muy ade-cuada para el procesado óptico de la información, donde las operaciones desuma vectorial, ponderación y enfocado se realizan mediante lentes. Por ello fuela técnica empleada en los primeros SAR.

•El SAR como discriminador Doppler. En este caso se discriminan los blan-cos por la diferente historia de su desviación Doppler. En efecto, cuando el SARse aproxima al blanco desde lejos, la velocidad relativa es aproximadamente ladel sensor y se produce una desviación Doppler igual a 2.V/λ (λ : longitud deonda de la portadora). Al acercarse se va reduciendo hasta alcanzar el valorcero cuando la distancia es mínima (dirección perpendicular al movimiento).Posteriormente cambia de signo, incrementándose en módulo hasta alcanzar elvalor -2.V/λ. Como la “historia Doppler” de cada blanco es diferente se puedendiscriminar mediante un banco de filtros, por ejemplo utilizando unaTransformada Discreta de Fourier. La ventaja del procesado Doppler radica enque se reduce la complejidad de los algoritmos y es muy adecuada para el pro-cesado digital de la información que actualmente se utiliza.

•El SAR como correlador. La historia del eco correspondiente a un punto seconoce pues depende solo de la geometría. Por tanto, se pueden discriminar losblancos situados en distintos puntos correlando la información con la evoluciónque cabe esperar de cada uno de ellos. Esta aproximación también es adecua-da al procesado digital.

Por último indicaremos que usando técnicas interferométricas es posible obtenerimágenes tridimensionales y que existen otro modos de trabajo diferentes al aquípresentado -denominado modo MAPA- en el que el sensor mantiene su direcciónde apuntamiento respecto del eje de la plataforma (perpendicular al movimientode la plataforma u oblicuamente, es este último caso conocido como modoSQUINT) y otro, denominado modo “SPOT” en el que el radar modifica su direc-ción de apuntamiento respecto del eje de la plataforma para apuntar siempre a lamisma zona. En la figura 4.27 se presentan algunas imágenes SAR que muestranalgunas de las principales aplicaciones de estas técnicas.

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Figura 4.27 Aplicaciones de los radares de apertura sintética (fuente: diversas páginas en la web)

4.4 Aplicaciones y Tendencias

Una parte muy significativa de las aplicaciones de los sensores de RF/microondascorresponden al campo militar. De hecho y hasta ahora, han sido estas aplicacio-nes las que han contribuido a su rápido desarrollo y les han convertido en un ele-mento básico del combate moderno. Los sensores de estas bandas se utilizan paramultitud de tareas: guerra electrónica, vigilancia aérea, naval y terrestre, direc-ción de sistemas de armas, navegación, control y guiado de misiles, detecciónremota (espionaje electrónico) y un largo etc. Sin embargo, cada día se estánhaciendo mayores esfuerzos para buscar aplicaciones civiles, especialmente en elcaso de la tecnología radar, en muchos casos para aplicaciones relacionadas conlos sectores de Transporte -control de tráfico aéreo (ATC), radioaltímetros, rada-res marinos, radares anticolisión de automóviles, radares de tráfico...-y Seguridad-vigilancia de fronteras, detección de intrusos y perimetral...-. Otras aplicacionescada día más importantes son las asociadas a la Teledetección: radares meteoro-lógicos, búsqueda de recursos; medida del espesor de capas de hielo; agricultu-ra; determinación de las condiciones de los bosques; formaciones geológicas; aná-lisis de la polución; etc. Para estas aplicaciones se utilizan prácticamente todas lasbandas de frecuencia. En la Tabla 4.1 se indican las principales utilizaciones aso-ciadas a cada una de ellas.

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Tabla 4.1 Bandas de Frecuencia Radar

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Bandas Frecuencias Utilización

HF 3-30MHz - Radar OTH (Over The Horizon)

VHF 30-300 MHz - Vigilancia de Muy Largo Alcance

UHF 300-1000 MHz - Vigilancia de Muy Largo Alcance

L 1-2 GHz- Vigilancia de Largo Alcance- Control de Tráfico Aéreo (SSR)- Radar IFF

S 2-4 GHz- Vigilancia Alcance Medio- Radares Metereológicos- Control de Tráfico Aéreo Terminal

C 4-8 GHz - Radares de Seguimiento de Largo Alcance

X 8-12 GHz

- Radares Marinos- Radares de Seguimiento de Corto Alcance- Guiado de Misiles- Teledetección (Imágenes)- Radares Multifunción Embarcados- Radares de Tráfico- Detección de Intrusos

Ku 12-18 GHz

- Teledetección de Alta Resolución (Imágenes)- Guiado de Misiles- Altimetría de Satélites- Altímetros Navegación Aérea- Telémetros

K 18-27 GHz- Radares de Tráfico- Detección de Intrusos

Ka 27-40 GHz- Teledetección de Muy Alta Resolución (Imágenes)- Guiado de Armas de Corto Alcance- Navegación por Seguimiento del Terreno

Milimétricas 30-100 GHz - Radares Anticolisión

Bandasópticas

LIDAR (Radar con Señales Láser)(Telemetría, Imágenes de Corto Alcance y Muy AltaResolución)


En el caso de los receptores y los radiogoniómetros lo más característico en cuan-to a su futura evolución será sin duda el incremento de su flexibilidad operativa ycapacidad de adaptación al entorno, para ello:

•Se generalizará el uso de las técnicas digitales (receptores digitales). El impa-rable desarrollo de la tecnología digital permitirá la digitalización casi completade los receptores, al menos a partir de la FI y en muchos casos directamenteen RF, confiriéndoles las conocidas propiedades de fiabilidad, flexibilidad y adap-tabilidad características de estas técnicas.

•Se generalizará el uso de las técnicas de procesado en arrays. Los sistemas con-sistirán en un conjunto de antenas cuya salida, directamente o tras una simpleconversión, se digitaliza a muy alta velocidad –decenas o centenas de Gigabitspor segundos- resolviendo las diferentes funciones electrónicas mediante algo-ritmos numéricos.

Las tendencias que definirán el desarrollo de los futuros radares serán aquellasque permitan superar las actuales limitaciones. A continuación se citan las mássignificativas:

•Nuevas arquitecturas y técnicas de procesado para radares multifunción traba-jando varias frecuencias y en banda ancha. La gran cantidad de radares actual-mente en operación en algunas plataformas se simplificarán integrando en unmismo “mástil” arrays de antenas multibanda de banda ancha a los que seconectarán transmisores de estado sólido y receptores de alto margen dinámi-co. Todo ello con un nivel de integración muy elevado, disminuyendo el coste,peso y volumen de los equipos. Nótese que implica una gran actividad en el desarro-llo de componentes y circuitos de RF/microondas

•Utilización de configuraciones multiestáticas. Separando el transmisor de losreceptores se reducen drásticamente las posibilidades de aplicación de contra-medidas electrónicas.

•Desarrollo de técnicas stealth (denominadas furtivas o de invisibilidad) para losblancos y de baja observabilidad de antenas/aperturas. La disminución de sec-ciones radar de blancos y radares es esencial para vencer en el combate elec-trónico entre radares. “Ver sin ser visto” será una regla de diseño en los futu-ros sistemas.

•Extensión del empleo de arrays de exploración electrónica. Generalizando suuso para permitir realizar funcionalidades diferentes (vigilancia, control dearmas, obtención de imágenes, etc.). Especialmente significativo será elempleo de técnicas digitales de formación de haces (DBF: DigitalBeamforming) en los que se eliminará la necesidad de introducir desfasadores

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en las redes de alimentación de las antenas por hacerse la combinación digitaly se podrán obtener varios haces simultáneos, eliminar las interferencias, etc.

•Radares de baja probabilidad de interceptación (LPI). Controlando las transmi-siones -arrays de exploración electrónica- o utilizando señales de espectroensanchado es posible dificultar extraordinariamente su localización.

•Radares de alta resolución. La transmisión de señales de gran anchura de bandapermite la identificación de blancos a los que estos sensores convierten enextensos.

•Utilización de técnicas SAR e ISAR. El desarrollo de procesadores de señal dealta velocidad facilitará la extensión de estas técnicas, lo que unido al empleode señales de grandes anchos de banda, permitirá capacidades de identificacióndesconocidas hasta ahora.

•Elevación de la banda de frecuencias de operación. Cuando el alcance requeri-do lo permita, el empleo de las bandas milimétricas incrementa sensiblementelas prestaciones de los sensores y su protección frente a contramedidas.

•Utilización de receptores digitales. Se digitalizarán las señales lo antes posibleincluso en RF para obtener las prestaciones ya comentadas. De hecho, el futu-ro combate electrónico estará protagonizado por el enfrentamiento delos radares LPI y los receptores digitales.

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Capítulo 5

SENSORES OPTOELECTRÓNICOS.

Excelentes prestaciones si

el tiempo no lo impide



5. SENSORES OPTOELECTRÓNICOS. Excelentes prestacionessi el tiempo no lo impide

Convencionalmente, se consideran señales optoelectrónicas las que incluyen com-ponentes espectrales superiores a 300 GHz, o, como suele expresarse en la prác-tica, aquellas que se propagan en el vacío con longitudes de onda (en micras) infe-riores a un milímetro (1000 micras) [14]. A su vez, se establecen un conjunto debandas optoelectrónicas definidas respecto a las señales sensibles para el ojohumano (no hay unanimidad en los valores que delimitan las diferentes bandas):

• Infrarrojo extremo: 1000 μm > λ > 100 mm

• Infrarrojo lejano: 100 μm > λ > 10 mm

• Infrarrojo intermedio: 10 μm > λ > 2 mm

• Infrarrojo cercano: 2 μm > λ > 0,76 mm

• Visible: 760 nm > λ > 400 nm

• Ultravioleta cercano: 400 nm > λ > 315 nm

• Ultravioleta intermedio: 315 nm > λ > 280 nm

• Ultravioleta lejano: 280 nm > λ > 100 nm

• Ultravioleta extremo: 100 nm > λ

Los sensores optoelectrónicos se están incorporando de forma masiva a los actua-les equipos y sistemas para la Defensa y la Seguridad, aportando su extraordina-ria precisión y capacidad para localizar e identificar blancos y escenarios. Estacapacidad, tal como se comprobó en el capítulo tercero, deriva de la gran resolu-ción angular consecuencia de las enormes aperturas eléctricas que su elevada fre-cuencia de trabajo permite obtener mediante lentes y espejos. En comparacióncon los sensores de RF/microondas destacan como ventajas su facilidad para for-mar imágenes y su capacidad para trabajar de forma pasiva. Por el contrario sulimitación más significativa está en su dependencia de las condiciones atmosféri-cas, que los pueden inutilizar y que en la práctica reduce su campo de utilizacióna aplicaciones de corto y medio alcance.

De manera análoga a lo que ocurre con otros sensores, sus características opera-tivas dependen fuertemente de la frecuencia de trabajo y de su carácter pasivo oactivo.

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5.1 Fundamentos de los sensores optoelectrónicos

En la figura 5.1 se presentan los elementos fundamentales que influyen en el fun-cionamiento de estos sensores y se pone de manifiesto la complejidad del entor-no en que trabajan. En el ambiente existirá un conjunto de señales útiles que sepretende analizar con objeto de detectarlas, localizar su fuente de emisión o refle-xión, perturbar etc.; son las señales emitidas o reflejadas por los bancos.Simultáneamente estarán presentes señales no útiles que perturban la operacióndel sistema como las procedentes del sol, la luna, otras estrellas y de los objetosen general que no se desea detectar pero que son también emisores porque estáncalientes. Al conjunto de estas señales no deseadas se le conoce como “back-ground” o ruido de entorno. Finalmente, también pueden contaminar el ambienteseñales artificiales generadas por contramedidas electrónicas (ECM’s) con objetode perturbar o engañar al sistema detector.

Todas estas señales atraviesan la atmósfera, un medio que no sólo afecta muchoa la propagación de las mencionadas señales, sino que también –por estar susmoléculas calienteses una fuente de interferencias en muchas ocasiones. Obviamentefuera de la atmósfera el problema se simplifica enormemente por lo que estasbandas de trabajo son muy adecuadas para ser empleadas en aplicaciones espa-ciales. Nótese la diferencia con el entorno de la banda de frecuencias consideradaen el capítulo anterior en el que todas las señales son artificiales.

El sensor será diseñado considerando este entorno complejo, debiendo ser capazde eliminar, en la medida de lo posible, las señales no deseadas y detectar lasdeseadas con la mayor sensibilidad que la tecnología empleada permita. Para ellose emplean diversas técnicas, entre otras, filtros ópticos, utilización de materialessensibles a ciertas longitudes de onda y el filtrado espacial, temporal y espectraladaptado a las señales.

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Figura 5.1 Entorno electromagnético [2]

5.1.1 Entorno electromagnético

Las señales optoelectrónicas presentes en un ambiente pueden tener dos orígenes dife-rentes, lo que permite clasificarlas en señales térmicas y señales de fuentes artificiales.

Señales térmicas

Las señales térmicas (procedentes de objetos de la naturaleza o artificiales) sonaquellas que emiten los objetos por el hecho de estar calientes pues todo cuerpoa temperatura, T, superior a 0 ºK emite radiación electromagnética debido al movi-miento de sus moléculas. Su característica más significativa es que no pueden sercontroladas por el sistema sensor. La distribución espectral de estas señalesdepende de su temperatura y responde a tres leyes clásicas, las de Kirchchoff,Planck y Stefan-Boltzmann.

La ley de Kirchchoff establece que los materiales que absorben bien las radiacio-nes son buenos emisores. Concretamente, la relación entre la potencia radiada yel coeficiente de absorción (potencia absorbida/ potencia incidente) depende de λy T, es la misma para todos los radiadores a la misma temperatura, siendo inde-pendiente de su material o forma. La ley de Planck establece la emitancia radian-te espectral (potencia radiante por unidad de área emitida por una superficie envatios por unidad de superficie y de longitud de onda) del cuerpo negro. Esteradiador ideal que se usa de referencia es aquel que absorbe todas las radiacionesy su potencia absorbida coincide con la radiada o, lo que es lo mismo, su emisividad

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(Potencia emitida/ Potencia emitida por el cuerpo negro) es la unidad. La figura 5.2presenta esta emitancia espectral en función de λ y T.

Puede comprobarse que a mayor temperatura, el máximo es mayor y se despla-za a landas más bajas. Así mismo, es muy relevante que a temperatura ambien-te el máximo se produce en torno a λ = 10 μm.

La ley de Stefan-Boltzmann establece que la emitancia total radiada por uncuerpo es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura. Esta emitancia seobtiene integrando la ley de Planck para todos los valores de λ.

Figura 5.2 Espectro radiado por el cuerpo negro [2]

Las radiaciones de los blancos reales y el ruido de entorno en que se “ocultan”dependen de λ y T, como el cuerpo negro, pero con características especiales quedeben ser consideradas a la hora de diseñar un sensor con vistas a optimizar suscaracterísticas operativas. Además, este comportamiento dependiente de la fre-cuencia permite utilizar la discriminación espectral para distinguir los blancosdeseados que entren en el campo de visión del sistema de los no deseados, típi-camente, el sol, las nubes, el terreno, el mar, el cielo (azul o nocturno) y las estre-llas. Se define la emisividad del blanco como ε(λ) = W(λ,T) / Wb(λ,T). Donde,W(λ,T) es la emitancia espectral del blanco y Wb(λ,T) la del cuerpo negro.

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En la figura 5.3 se muestra la irradiancia espectral (potencia incidente radiante porunidad de superficie y de longitud de onda) del Sol sobre la superficie terrestre (anivel del mar y fuera de la atmósfera) y se compara con la de un cuerpo negro a5900 ºK. Obviamente, la evolución se ha encargado de que el máximo de radia-ción se produzca en torno a 0,5 μm, en el centro del espectro visible.

Es interesante comparar los niveles de radiación de un cuerpo negro a 300 ºK(temperatura ambiente) con la radiación solar, en función de la longitud de onda,con el fin de ver cómo esta fuente de señal afectaría a sistemas que traten dedetectar las “radiaciones térmicas” de los objetos. La relación es muy pequeña enel espectro visible, en torno a la unidad en el infrarrojo intermedio y un centenaren el infrarrojo lejano. Lo que indica que si la detección es pasiva y no se utilizala radiación solar, interesa trabajar en el infrarrojo lejano.

Figura 5.3 Comparación entre la radiación solar y la del cuerpo negro a temperatura ambiente [2]

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SOLAR IRRADIANCE CURVE OUTSIDE ATMOSPHERE

SOLAR IRRADIANCE CURVE AT SEA LEVEL

CURVE FOR BLACKBODY AT 5900 0K


Señales de fuentes artificiales

Las señales de fuentes artificiales son las producidas por los láseres (LightAmplification by Stimulated Emission of Radiation). Su característica más significa-tiva es que son controladas por el sistema optoelectrónico del que forman parte.Existen muchos tipos de láser, según el medio utilizado -sólido, líquido o gaseoso(usando átomos, iones o moléculas)- y su carácter pulsado o continuo (CW).

El principio de funcionamiento de los láseres, sus diferentes tipos y aplicacionespueden consultarse en la amplia literatura disponible [15]. Sus características mássignificativas son:

• Monocromaticidad, que indica la pureza espectral de la señal generada.

• Coherencia. La coherencia temporal y espacial de una onda electromagnéticaestá determinada por el intervalo de tiempo o espacio en el que la onda man-tiene sus características de fase. Se puede demostrar que la coherencia depen-de de la anchura de banda de la fuente, Δf, de modo que: Δt = 1 / Δf e ΔR =c.Δt, siendo Δt el intervalo de tiempo en que la señal es coherente, c la veloci-dad de la luz en el medio y ΔR la distancia de coherencia. Las distancias decoherencia pueden variar según los láseres desde menos de un metro a dece-nas de km.

• Divergencia, que mide la aproximación a un frente de ondas plano de la ondagenerada.

• Potencia y Eficiencia que influye en el alcance y consumo de los equipos.

La utilización de láseres para construir sensores activos permite incrementar sen-siblemente las prestaciones de los sistemas de detección y localización, al poderadaptar la señal electromagnética a las características de los blancos. Así, sepuede seleccionar la frecuencia de esta señal para que la reflexión sobre ellos seamuy superior a la del ruido de entorno del escenario, o para eliminar los blancosestáticos.

En la figura 5.4 se comparan las imágenes térmicas y láser de dos escenarios. Lasdiferencias entre ambas no requieren comentarios adicionales. Sin embargo, eluso de señales láser ayuda a la detección y posterior perturbación del sensor, loque está facilitado por el hecho de que éstos trabajan sólo en bandas específicas.

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En la práctica es habitual el uso combinado de sensores pasivos y activos, com-paginando una imagen visible o térmica con un designador láser -para guiado dearmas- o un radar láser para determinar la distancia y la dirección de blancos par-ticulares dentro de la escena.

Figura 5.4 Imagen pasiva y activa [17]

5.1.2 Características de propagación

Como ya se ha indicado, la atmósfera afecta enormemente a la propagación de lasseñales optoelectrónicas, siendo sus efectos más importantes la atenuación y ladispersión que producen sobre la onda.

La atenuación se caracteriza por medio de la transmitancia (relación entre lapotencia transmitida y la potencia incidente); su valor está comprendido entre 0y 1 y depende de la longitud de onda, de la altitud y de las características espe-cíficas de la atmósfera de una forma bastante compleja. En la figura 5.5 se mues-tra la transmitancia para un trayecto de una milla náutica a nivel del mar en undía claro. La curva muestra las fuertes atenuaciones producidas por las frecuen-cias de resonancia de las moléculas de los gases de la atmósfera -CO2 y vapor deagua- que producen un elevado coeficiente de absorción a longitudes de onda de1.4, 1.85, 2.7, 4.3 y 6 micras. Asimismo, es notable el efecto de las pérdidas pordispersión que limitan el uso de las bandas ultravioletas.

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ACTIVE

PASSIVE

ACTIVE

PASSIVE


Figura 5.5 Características de propagación [2]

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Las características de propagación determinan las ventanas de trabajo de los sis-temas optoelectrónicos, seleccionándose los filtros ópticos, detectores y láserespara maximizar las señales útiles y minimizar los efectos del ruido de entorno. Esimportante resaltar que en la atmósfera las bandas utilizables están limitadas.

La figura también muestra la influencia del estado de la atmósfera, siendo inme-diato concluir que el infrarrojo lejano (10-12 μm) permite trabajar con polvo ybruma hasta unas distancias de decenas de km, mientras que en infrarrojo inter-medio -y peor en próximo- no es posible trabajar en la atmósfera con alcances sig-nificativos. Por supuesto y como ya se ha indicado, es prácticamente imposible tra-bajar con lluvia.

5.1.3 Sistema de detección

Un sistema detector está compuesto por cinco elementos básicos:

• Subsistema óptico, denominado Óptica, para “enfocar” el área a analizar encada momento. Implica un filtrado espacial de la energía incidente en el sen-sor (sólo alcanzan al detector las señales procedentes de una determinadadirección). Asimismo suele incorporar filtros que seleccionan la banda de inte-rés (filtrado espectral). Su papel es análogo al de las antenas de los sistemasradioeléctricos.

• Subsistema de exploración, que permite apuntar el haz en las direccionesde interés. Está constituido por un conjunto de lentes, prismas y espejos -algu-nos movibles- que encaminan la energía captada de ciertas direcciones por elsubsistema óptico hacia el detector. En muchas ocasiones se considera integra-do dentro de la óptica.

• Subsistema detector, encargado de convertir la energía electromagnética proce-dente de los blancos en una señal eléctrica que será procesada posteriormente.

• Subsistema electrónico, denominado convencionalmente “electrónica”, cuyamisión es procesar la salida del detector para obtener la información básica:detección, señal de error, imagen “cruda” etc.

• Subsistema de control, procesado y presentación, encargado del controldel equipo y la manipulación de la información para presentarla de la formamás adecuada para su correcta interpretación por el usuario.

• Otros subsistemas auxiliares: fuentes de alimentación, refrigeración etc.

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Óptica

La óptica recoge, filtra y enfoca sobre el detector las radiaciones ópticas inciden-tes. Consiste en una ventana, un conjunto de lentes y espejos (fijos y/o móviles)y, en su caso unos filtros ópticos, que limitan el campo de visión (filtrado espacial)y seleccionan las radiaciones deseadas (filtrado espectral). En algunos textos,también se suelen incorporar dentro de este subsistema los mecanismos de explo-ración, las retículas para modular y codificar la radiación y otros elementos simi-lares, de hecho puede ser difícil separar estructuralmente estos elementos. Lasventanas, lentes y filtros se realizan con diversos materiales ópticos que puedentrabajar en diversas bandas.

Se debe resaltar la importancia de los filtros ópticos introducidos que garantizanla sensibilidad del sistema al limitar las radiaciones interferentes a las que sonsensibles los detectores. Pueden ser filtros de absorción, realizados con materia-les ópticos de características de transmisión con frecuencias de corte inferior ysuperior adecuadas, o filtros de interferencia, realizados con capas dieléctricas, yrespuesta espectral similar (paso banda). Estos últimos tienen mejores prestaciones.

La estructura y complejidad de la óptica puede ser muy variable según los siste-mas, empleando lentes (refractivas, holográficas, binarias...), espejos, prismasetc. En muchos casos, se incluyen elementos anti-reflexión para reducir las refle-xiones no deseadas entre los elementos ópticos.

Las características técnicas básicas de los subsistemas ópticos son los siguientes:

• Apertura, especificada normalmente en mm, se corresponde con el diámetrodel objetivo (lente o espejo). Es el parámetro más importante pues determinasus posibilidades y limitaciones. Define, junto con la longitud de onda, el campode visión instantáneo o IFOV (resolución angular) y la cantidad de energía quellega al detector.

• Número focal, cuando se utiliza una lente como objetivo (si el sistema escomplejo, como es el caso de una cámara fotográfica de calidad o en los viso-res, se usan varias lentes para corregir aberraciones cromáticas, esféricas,etc.), el tamaño máximo de la apertura está limitada por el tamaño de la lente.Este, a su vez, está limitado por las aberraciones. La calidad de las lentes vienedada por el número focal f/ = f /D donde f es la distancia focal (punto dondese enfoca las escenas más alejadas) y D la apertura de la lente. Las lentes congrandes diámetros (números f/ pequeños) son caras por lo costoso que resul-ta la corrección de sus aberraciones (se deben introducir lentes y otros elemen-tos ópticos adicionales). Además el aumento de la apertura tiene como contra-partida la reducción de la profundidad de foco, es decir del margen de distan-cia a los objetos que están nítidamente enfocados.

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• Aumento. Utilizando telescopios, bien refractores (con lentes) o reflectores(con espejos) se pueden observar blancos muy alejados. Es importante resal-tar que, a diferencia de lo que generalmente se piensa, el aumento no es unparámetro de calidad de la lente.

• Calidad óptica o MTF, determinada por la calidad de los materiales utilizados.

• Transmisión, Efecto Narciso etc.

Una completa descripción de los diferentes tipos de telescopios y ópticas puedeencontrarse en [16].

Detectores

Son los elementos encargados de generar señales eléctricas a partir de las ondaselectromagnéticas que inciden sobre ellos. Pueden responder a dos principios dife-rentes:

• Efectos térmicos. Según la magnitud física que modifica la radiación térmicaincidente pueden ser: termovoltaicos (suministran una tensión proporcional ala temperatura), bolométricos (una resistencia cambia su valor con la tempe-ratura), termoneumáticos (se produce una variación de presión) y piroeléctri-cos (el calentamiento local producido por la radiación térmica modifica la pola-rización de un campo electromagnético). Los detectores basados en este prin-cipio pueden utilizarse en todas las bandas pero tienen peores prestaciones quelos fotónicos por lo que se emplean muy poco, salvo los bolométricos y piroe-léctricos que tienen la ventaja de trabajar con facilidad a temperatura ambien-te, no requiriendo criogenia.

• Efectos fotónicos o cuánticos. Estos efectos pueden ser externos o internos.El efecto fotónico externo se conoce como fotoemisión: los fotones que incidensobre un fotocátodo producen electrones desde su superficie. Los electronesson recogidos por un electrodo externo produciéndose una corriente depen-diente de la radiación incidente. Se conocen como detectores fotoeléctricos.Los detectores basados en efectos fotónicos internos más utilizados son losfotoconductivos, un material semiconductor al absorber fotones incrementa suconductividad, y los fotovoltaicos en los que los fotones absorbidos producenuna pequeña diferencia de potencial en los extremos de una unión p-n semi-conductora. Ambos están muy extendidos, pero requieren refrigeración enmuchos casos.

También se emplean fototubos o fotomultiplicadores, sobre todo en las bandasultravioleta y visible.

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La característica que permite evaluar y comparar a los diversos detectores es suDetectividad, D*, que definiremos más adelante. En la figura 5.6 se muestra esteparámetro para algunos materiales en las bandas infrarrojas y a diferentes tem-peraturas. Nótese su carácter “sintonizado” (máxima eficiencia a ciertas longitu-des de onda para un material y temperatura dada), la importancia de la refrigera-ción y que los piroeléctricos son los únicos de respuesta plana y capaces de tra-bajar a temperatura ambiente con una D* razonable.

A modo de ejemplo, algunos de los detectores más utilizados en cabezas busca-doras de misiles superficie-aire y aire-aire son: Sulfuro de Cadmio, Seleniuro dePlomo, Arseniuro de Galio, Sulfuro de Plomo y Antimoniuro de Indio. Otros mate-riales empleados en otras aplicaciones son: Germanio dopado con diversos ele-mentos, Arseniuro de Indio, Teluro de Plomo, Teluro de Cadmio, Mercurio etc.

En cualquier caso, se trata de una tecnología en franco desarrollo y cada año seobtienen nuevos componentes o se mejoran las prestaciones de los existentes.

Los detectores pueden ser individuales, requiriendo exploración en dos dimensionescuando es necesaria la formación de imágenes, o lo que actualmente es más fre-cuente, un array de elementos de una o dos dimensiones. Si se dispone de un arraylineal la imagen se puede obtener con barridos paralelos o serie. Si se dispone deun array bidimensional, 2D, la imagen se obtiene con un barrido serie-paralelo.

Figura 5.6 Detectividad de diversos materiales

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El estado del arte son los denominados arrays de plano focal que forman la ima-gen de todos los elementos de la escena a la vez. Requieren una óptica adecuaday un elevado número de elementos detectores si se desea buena resolución.Actualmente es normal la fabricación de arrays de 256x256 elementos o inclusomayores. Su grado de disponibilidad y coste es muy dependiente de la banda detrabajo. En el espectro visible, como consecuencia de la popularización de lascámaras digitales, el desarrollo de esta tecnología es espectacular, con calidadesy precios imprevisibles hace sólo algunos años.

Las características típicas de los detectores son la Responsabilidad (la relaciónentre la corriente o tensión generada por el detector y la potencia de señal ópticaque incide sobre él), la potencia equivalente de ruido o NEP (Noise EquivalentPower) (la cantidad de potencia de señal óptica (valor rms) que hay que aplicar alreceptor para que la salida tenga una corriente (rms) igual al del ruido) y laDetectividad que no es sino la NEP normalizada respecto del área del detector yel ancho de banda de medida [17, capítulo 4]. Ésta última es la característica quedefine la calidad del material empleado. Otras características a considerar son: elRango espectral (rango de longitudes de onda en que trabaja un detector),Tiempos de subida y bajada (respuesta transitoria del detector), Temperaturade operación, Área activa, etc.

Electrónica, proceso de señal y presentación

Lo que se conoce como “Electrónica” está constituida por los componentes del sis-tema para el control y alimentación de los distintos subsistemas, incluyendo lacriogenia y los subsistemas de posicionado del sensor en su caso, así como parael procesado analógico previo de las señales a la salida del detector.

Los circuitos de procesado analógico tienen por objeto combatir el ruido y otrasseñales no deseadas, para ello se emplean amplificadores de bajo ruido y filtrosque dejan pasar sólo las componentes espectrales de las señales de interés. Porúltimo, se amplifica la señal hasta alcanzar el nivel requerido por el procesador deseñal que en los sistemas actuales es digital. La ganancia que se le debe suminis-trar en este caso está determinada por el margen de trabajo necesario a la entra-da del conversor analógico/digital. Los parámetros básicos de estos subsistemasson los típicos de los receptores: sensibilidad, ancho de banda, ganancia, margendinámico (que se suele incrementar con la utilización de circuitos de control auto-mático de ganancia) y el consumo. En general, no es un subsistema complejo,pero su correcto diseño es importante para asegurar las prestaciones del sensor.

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El proceso de señal ayuda, o incluso sustituye, al operador en la detección, recono-cimiento, identificación y seguimiento de blancos. Es un subsistema en francodesarrollo de la mano de las aplicaciones civiles (télevisión digital y teledetección).En estos momentos se realiza con tecnología digital. Los procesos más utilizados son:

- Autocueing: incluye la detección y el reconocimiento automático de blancos(técnicas de reconocimiento de formas).

- Mejora de imagen: su función es la adaptación de las características de laimagen a las necesidades de los usuarios, facilitando su interpretación.

- Seguimiento automático: su objeto es el mantenimiento automático de líneade mira o la imagen de los blancos.

El subsistema de presentación también está evolucionando muy rápidamente conobjeto de aumentar la eficacia del operador. La tendencia actual es fusionar la ima-gen con datos de apoyo (por ejemplo los procedentes de sistemas de informacióngeoreferenciados) y otros procedentes de otros sensores. Se emplean diversastecnologías: tubos de rayos catódicos (en proceso de desaparición), LED’s, crista-les líquidos, paneles de plasma... Los parámetros que definen la calidad de un sub-sistema de presentación son: brillo y relación señal/ruido, contraste, resolución,persistencia y tamaño.

5.1.4 Sistemas optoelectrónicos. Aplicaciones

En el espectro visible se utilizan básicamente tres tipos de sensores:

•Visores diurnos. Son telescopios afocales que mediante reflexiones (espejos)y refracciones (lentes y prismas) de la luz permiten aumentar el alcance delojo humano. Se utilizan para la localización de blancos, el apuntamiento dearmas hacia ellos, la estimación de distancias y la observación de entornos.Sus limitaciones, obviamente, son sus dificultades o imposibilidad de trabajarde noche o con mal tiempo. Su gran ventaja es su sencillez, dado que el sen-sor utilizado es el propio ojo.

• Amplificadores de luminancia. Son equipos que amplifican electrónicamen-te la luminancia de la escena. Permiten la visión nocturna usando la luz de laluna y las estrellas. También son sencillos, pero sus prestaciones son limitadasy se ven seriamente afectados por las condiciones meteorológicas como todoslos basados en radiaciones visibles.

• Sistemas CCD de la banda visible. Se basan en el uso como detectores dedispositivos acoplados de carga. Las actuales cámaras y videocámaras digitales

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son ejemplos de esta tecnología que promete un desarrollo espectacular en lospróximos años con el tirón de las aplicaciones civiles. Las aplicaciones milita-res y de seguridad se verán favorecidas por este desarrollo, pero siempre setendrán las limitaciones asociadas a las características de propagación.

En los próximos apartados se describirán los sistemas optoelectrónicos más signi-ficativos en estos momentos para aplicaciones de Defensa y Seguridad, en gene-ral no se trabaja en la banda visible. Son los seguidores, utilizados para el apun-tamiento de los sistemas, las cámaras térmicas, de amplia utilización en reco-nocimiento e identificación (en los próximos años también se emplearán en apun-tamiento y guiado terminal de armas), y los radares láser, todavía no muyextendidos por su elevado coste pero de gran interés a medio plazo.

5.2 Seguidores optoelectrónicos

Son sistemas que, utilizando las bandas IR, determinan en ángulo de llegada(AOA) de una radiación procedente de una fuente activa (natural o “designada”),sin formar imagen o al menos sin explotarla en su totalidad. Su aplicación másextendida es el guiado terminal de armas como sensor de las cabezas buscadoras(“seekers”).

Durante varias décadas los misiles con guiado infrarrojo han jugado un papelesencial en aplicaciones aire-aire, superficie-aire y, más recientemente, contrablancos superficiales; en general para sistemas de corto alcance (R<5km). Los pri-meros sistemas se introdujeron en los años 60 (Falcon, Sidewinder, y Redeye), conalgunos problemas -escasas precisión, fiabilidad y alcance- y evolucionaron, conotras denominaciones (Chaparral, AIM-9D y Stinger, respectivamente), de la manode un desarrollo espectacular de esta tecnología.

Sus bandas de trabajo están muy limitadas, pues dependen de las característicasradiantes de los blancos y de las ventanas de atenuación atmosférica. Así, unaaeronave normalmente emite dos tipos de radiaciones, una procedente del metalcaliente (conocida como “radiación del cuerpo gris”) y otra producida por los gasesde combustión (denominada “emisión de línea gaseosa”).

La evolución de los subsistemas detectores empleados está caracterizada por unaevolución hacia el IR lejano y los avances de los subsistemas de refrigeración. Enorden de aparición temporal y prestaciones (de peores a mejores), pueden clasi-ficarse en: seguidores con retículas; seguidores con detectores cruciformes;seguidores con formación de imagen y seguidores tipo monopulso, similares a losempleados en radar, en este último caso se requiere iluminación. Los dos últimosson los que están en fase de desarrollo y futuro despliegue. Los seguidores condetectores cruciformes quizás son los más extendidos en estos momentos.

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Las principales ventajas que justifican la extensa utilización de sistemas de guia-do electroópticos frente a otros sistemas más clásicos, como el guiado radarsemiactivo, es la ausencia de error de “gint” y la capacidad de trabajar en modo“dispara y olvida”. Sus principales desventajas, como siempre, están asociadas asu corto alcance y a su dependencia de las condiciones meteorológicas.

Seguidores con retículas

El uso de retículas –conocido también como modulación óptica- es una técnicamuy utilizada en la detección de señales ópticas. Básicamente consiste en situaral detector en el plano focal de la óptica e interrumpir la onda electromagnéticacon una retícula giratoria, situada enfrente del detector. La retícula tiene zonastransparentes y opacas y su giro produce una modulación de amplitud en la señaldetectada. La modulación óptica tiene las siguientes ventajas:

- Facilita la amplificación de la señal detectada al no requerirse amplificadoresacoplados en continua.

- La amplificación sintonizada permite eliminar una buena parte del ruido asocia-do a la falta de pureza espectral de la fuente radiante, aumentando la sensibi-lidad del sistema.

- Si las señales del entorno producen una radiación extensa sobre el plano focal,es eliminada en buena parte por el proceso de modulación y amplificación sin-tonizada.

- Es posible obtener información angular, por ejemplo, con la retícula de la figurase puede determinar el ángulo de descentrado

La forma de las retículas realmente utilizadas es uno de los temas más clasifica-dos y que más han evolucionado para hacer a los sistemas robustos frente a accio-nes de guerra electrónica. Una excelente descripción de este tema puede encon-trarse en la documentación del curso de “Misiles” impartido por el Departamentode Sistemas de Armas de la Academia de Artillería de Segovia.

Las primeras cabezas buscadoras IR utilizaban retículas giratorias, manteniendo fijoel detector. En la figura 5.7 se presenta su estructura, mostrando dos retículas queproducen modulaciones de amplitud y frecuencia que, adecuadamente demodula-das y comparando la señal obtenida con una señal de referencia asociada al giro dela retícula, permite la detección del blanco y la medida del ángulo de descentrado.La técnica debió desecharse por su escasa fiabilidad y precisión, debido a que en lapráctica, apenas se cancelaba la señal del entorno, sólo suministraban una coorde-nada lo que dificultaba el guiado y la sensibilidad de la señal de error obtenida eramuy baja porque la modulación óptica atenúa la señal y acortaba el alcance.

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Figura 5.7 Principio de funcionamiento de los seguidores con retículas [2]

Posteriormente estos seguidores se diseñaron manteniendo la retícula fija ymoviendo la óptica para que el haz se enfoque sobre la retícula describiendo uncírculo a velocidad angular constante. Si el blanco está alineado el centro del cír-culo coincide con el de la retícula, por el contrario, si el blanco está descentradoel centro no coincide y, escogiendo un grabado adecuado para ésta, se obtiene unamodulación dependiente de las dos coordenadas del blanco.

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En este caso, se evitan parte de las pérdidas de modulación y se eliminan muchomejor las señales del entorno, aunque no sean muy extensas. Sin embargo, elseguidor es muy sensible a diversas contramedidas, por ejemplo las bengalas. Enla figura 5.7 se muestra el principio de funcionamiento de estos seguidores.

Seguidores con detectores cruciformes

El sistema detector está constituido por dos arrays de detectores, perpendicularesentre sí. El movimiento de la óptica produce un movimiento del haz sobre el planode los detectores similar al que se produce, sobre la retícula, en el caso anterior.Como resultado, se producen cuatro impulsos -muy estrechos- en cuyos retardosestá la información correspondiente a las dos coordenadas del error (figura 5.8).Este tipo de seguidor tiene importantes ventajas frente a los anteriores:

• No tiene pérdidas por modulación.

• Se elimina mucho más fácilmente la señal del entorno, mediante el uso de fil-tros paso-alto y ventanas temporales (cuando se está en fase de seguimiento).

• La electrónica requerida es más sencilla y de “tipo digital”, más fiable y precisaque la analógica.

• Son mucho más robustos ante ECM’s, aunque son sensibles a algunas, comolas bengalas, pero admite la incorporación de ECCM’s (ventanas temporales,por ejemplo).

Los seguidores con detectores cruciformes son los que incorpora la segunda gene-ración de cabezas buscadoras con guiado IR y en función de las condiciones detrabajo, el alcance de estos seguidores es de 2 a 100 veces mayor que el de losde primera generación.

Figura 5.8 Seguidores con detectores cruciformes [2]

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Sistemas basados en la exploración de la imagen

Inicialmente en estos sistemas se explora mecánicamente un campo (FOV) muygrande con un campo instantáneo (IFOV) muy pequeño. De este modo se consi-gue simultáneamente discriminación y precisión. Son sistemas mucho menos sen-sibles al entorno y a las contramedidas tipo bengalas (se discrimina temporalmen-te sus señales respecto de la del blanco), puesto que no aparecen simultáneamen-te sobre el subsistema detector.

La evolución natural de esta técnica es evitar la exploración mecánica sustituyen-do el detector por una matriz de detectores que recogen instantáneamente toda laescena, de modo que el procesado de señal pueda utilicar toda la información. Latécnica la ha hecho posible el desarrollo de dispositivos acoplados de carga (CCD’s)en las bandas IR y de un número elevado de elementos (típicamente 64x64).

Tal como se muestra en la figura 5.9, la óptica enfoca la escena sobre el “array depixeles” que la divide en miles de elementos. En cada uno de ellos el detector CCDintegra la información durante el tiempo que la dinámica de la escena permite man-tenerla, hasta la siguiente lectura, después de poner a cero los CCD’s. Este modo detrabajo tiene importantes ventajas: se incrementa enormemente la S/N y, portanto el alcance, facilita el uso de algoritmos de reconocimiento de patronesy/o imágenes, aumentando la capacidad de discriminación de las señales recibidas.

Como consecuencia de todo ello, estos seguidores –denominados también segui-dores con arrays de plano focal- se comporta excelentemente en entornos adver-sos y ambientes con contramedidas. Son los seguidores que se desplegarán en lospróximos años.

Figura 5.9 Seguidores de array focal

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Seguidores tipo monopulso

Similares a los actuales radares de guiado semiactivo tipo monopulso, se basan enel uso de “cuatro conjuntos óptica-detector”, correspondientes a cuatro sectores,cuyas señales se comparan en un procesador monopulso. Requieren el uso dedesignadores.

En la figura 5.10 se presenta la evolución de los misiles con guiado infrarrojo,donde pueden comprobarse las ideas expuestas en los párrafos anteriores. Nóteseque constituyen una de las principales amenazas en los actuales campos de bata-lla. Una interesante descripción sobre su nacimiento y evolución puede encontrar-se en [18].

Figura 5.10 Evolución de las armas basadas en seguidores optoelectrónicos

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Fuente: www.fas.otg/man/dod-101/sys/ac/equ...Industry_Day_Overview_00-02-04/sld004.htm


5.3 Cámaras térmicas

Son sistemas que pretenden extender la capacidad de percepción visual del ope-rador a bandas diferentes de las visibles aprovechando la información asociada aotras radiaciones naturales de los objetos. Son sensores pasivos con alcances quepueden alcanzar las decenas de kilómetros que, frente a las cámaras trabajandoen la banda visible, presentan importantes ventajas entre las que destacamos suutilización diurna y nocturna; su mejor comportamiento frente a humo, polvo, nie-bla y bruma; el mayor contraste de las imágenes obtenidas y, en muchas aplica-ciones, su mayor facilidad de interpretación de escenas e identificación de blancos.

Reciben diferentes denominaciones “cámaras térmicas”, “sistemas de visión térmi-ca”, “FLIR” (Forward-Looking Infra-Red), “TIR” (Thermal Image System), etc. ytienen numerosas aplicaciones destacando su uso en sistemas de armas, guiadode plataformas, vigilancia, inteligencia... Una completa descripción de estos siste-mas puede encontrarse en la documentación del curso de “INFRARROJOS:Sistemas de visión Térmica” impartido por el Dpto. de Sistemas de Armas de laAcademia de Artillería de Segovia.

Técnicas de formación de imagen

Como ha ocurrido con los seguidores, los avances en el desarrollo de detectoresdefinen sistemas con prestaciones muy diferentes. La técnica de formación deimagen, depende del tipo de detector empleado y ha determinado diferentesgeneraciones de cámaras:

• Primera Generación. Tal como indica la figura 5.11, mediante barrido mecá-nico (serie, paralelo o serie-paralelo) y utilizando un array de pocos elementos(<200), se superponen dos cuadros uno con las líneas impares y otro con laspares. Son los sistemas que se desplegaron en los años 80 y los más extendi-dos en estos momentos.

• Segunda Generación. Se utiliza barrido paralelo con un array vertical dedetectores de modo que sólo es necesario un movimiento horizontal del haz.Son los sistemas que se han desplegado en los últimos años.

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• Tercera generación. Basados en el uso de arrays de plano focal, sus princi-pales ventajas están asociadas a que no es necesario barrido mecánico y suexcelente S/N dado que se ilumina el sensor durante mucho más tiempo. Sonlos sistemas en desarrollo que se están desplegando en la actualidad. Es deresaltar que una buena resolución requiere arrays de 256x256 elementos eincluso 512x512.

Figura 5.11 Técnicas de formación de imagen en una cámara térmica [2]

Especificaciones de las cámaras térmicas

Las especificaciones de una cámara térmica más utilizadas son:

• Irradiancia térmica (NEI). Es la mínima irradiancia que produce una señal a lasalida igual al ruido, se puede considerar como la mínima irradiancia detectable.

• Resolución térmica. Es una medida de la mínima diferencia de temperaturaen la escena que se puede resolver. Su definición depende de la aplicación.

• Resolución angular. Es la anchura efectiva de un elemento detector divididapor la distancia focal de la óptica. Depende de la óptica, de la respuesta en fre-cuencia del proceso, del sistema de presentación... Nótese que mejora si sedisminuye el tamaño del detector, pero también lo hace la sensibilidad.

• Respuesta espectral. Es la banda de frecuencias que incluye las componen-tes de la señal incidente que producirán señal a la salida del sistema.

• Campo. Es el FOV de la escena para la distancia focal mínima.

• Otras características: Rango de medida (temperatura mínima y máxima),precisión (en ºC), alcance...

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Barrido serie o paralelo Barrido paralelo Plano focal


Debe resaltarse la importante de conocer las condiciones en que se dan estos últi-mos parámetros para poder interpretar y comparar la calidad de los diferentesequipos. La resolución térmica es el parámetro básico de una cámara térmica y sedefine en función de la aplicación. Para sistemas que buscan la detección de blan-cos parámetros más significativos son la NETD, diferencia de temperatura equi-valente de ruido, y la MDTD, mínima diferencia de temperaturas detectable. Paraaplicaciones de reconocimiento se usa la MRTD, la mínima diferencia de tempera-turas resoluble.

A continuación se define con más precisión las dos formas más utilizadas de defi-nir la resolución térmica. Nótese el carácter práctico de este tipo de caracterización.

- MRTD (Minimum Resolvable Temperature Difference) combina sensibili-dad y resolución, siendo muy útil como medida global de las características dela cámara. Se define como la diferencia mínima que debe haber entre las barrasy el fondo de una mira de Foucault, para que estas sean discriminadas por unoperador entrenado. Se usa para aplicaciones asociadas al reconocimiento eidentificación.

- MDTD (Minimum Detectable Temperature Difference) Se define como lamínima diferencia de temperatura ente un objeto extenso y regular y el fondo,para que un observador entrenado lo detecte. Se usa para aplicaciones asocia-das a la detección.

En el capítulo 5 del [1] se presenta un estudio analítico que relaciona estos pará-metros con las características de los diversos elementos de la cámara.

Aplicaciones

Las aplicaciones de estos sistemas son muy numerosas y sus finalidades (datossuministrados) pueden ser muy diversas, pueden clasificarse en:

• Detección: decidir la presencia o no de un objetivo discriminándolo del entorno.

• Localización: extracción de algún parámetro de su posición, típicamente ladirección (orientación respecto de la dirección del eje longitudinal del sistema).

• Clasificación: distinción de objetos de tamaño similar que no sean objetivos(por ejemplo una aeronave comercial de una militar).

• Reconocimiento: distinción de un objeto de otro similar (un camión de uncarro de combate).

• Identificación: establecimiento de la designación militar específica del objetivo.

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Los requerimientos necesarios son muy diferentes según la aplicación (en la figu-ra 5.12 se presenta una tabla clásica que indica el número de píxeles del blancosobre la imagen para realizar correctamente la función). Así, una identificaciónrequiere una resolución entre 6 y 10 veces mayor que una detección.

En la misma figura se presentan algunos sistemas de visión térmica para control desistemas de armas y conducción nocturna de la firma Raytheon, correspondientesa diversas generaciones, que forman parte de su oferta comercial(www.raytheon.com).

Figura 5.12 Ejemplos y aplicaciones de las cámaras térmicas (fuente: RAYTHEON)

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1ª generaciónAN/PAS-13

2ª generación 3ª generación

AN/VAS-5

Avenger FLIR

ANAAQ-27

Plano focalBarrido serie8-12 μm

Barrido paraleloDoble alcance que la 1ªg TDI

3-5 μm480 x 640InSbAlta resol.

8-12 μm245 x 328No refrig.


La segunda generación se caracterizó por la introducción, además del barridoparalelo completo, de las técnicas de tratamiento de imágenes (mejora del con-traste, zoom...), mientras que la tercera generación ya incluye sensores no refri-gerados. En la misma figura se incluyen algunos ejemplos de aplicaciones de lascámaras térmicas a reconocimiento y vigilancia. Es importante resaltar que la ima-gen térmica es muy diferente a la visible, suministrando en muchos casos infor-mación complementaria, más útil y más contrastada.

5.4 Radares láser

Son sensores activos que trabajan de forma similar a los radares de las bandas demicroondas, por lo que son aplicables muchos de los conceptos ya descritos en elcapítulo anterior. Sin embargo, son muy diferentes en términos de tecnologíasaplicadas, prestaciones operativas y aplicaciones.

Las elevadas frecuencias utilizadas se traducen en haces muy estrechos que faci-litan una extraordinaria precisión en las medidas de distancias y ángulos e, inclu-so, les permite la obtención directa de imágenes. Por el contrario, no pueden rea-lizar eficazmente la función exploración por lo que la localización previa del blan-co debe de hacerse con otros sensores o directamente por el operador.

Además de los condicionantes atmosféricos, ya comentados en varias ocasiones,las bandas utilizadas dependen de la capacidad de generar señales de elevadapotencia con eficiencias razonables. Los más conocidos, por ser los más utilizados,son los láseres de Nd YAG/Glass a 1.06 mm y los de gas CO2 a 10.6 mm. Los láse-res de estado sólido se están desarrollando rápidamente, aunque su eficiencia ypotencia son menores que los de gas.

La predicción de las características de estos sistemas, por ejemplo del alcance, esmucho más incierta que en sus equivalentes de microondas, dado el comporta-miento variable de blancos y entorno. Un estudio muy detallado de los mismospuede encontrarse en [17].

Los radares láser pueden dividirse en dos grandes grupos según la técnica dedetección utilizada: no coherentes y coherentes. Son sistemas muy diferentesen prestaciones y coste, de hecho los segundos están muy poco extendidos.

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Radares No Coherentes

Son los más sencillos, consisten en transmitir impulsos muy estrechos lo que seve favorecido por la elevada frecuencia de la señal empleada que permite trans-mitir señales de anchos de banda elevados en términos absolutos pero muy bajosen términos fraccionales. Los impulsos reflejados por los blancos son detectadosen un detector y los retardos temporales permiten obtener la distancia y con unadecuado subsistema óptica/detector (lo que encarece mucho más el sistema) ladirección. Incluso, con sistemas de exploración mecánica o el uso de arrays deplano focal, se puede obtener imágenes. En la figura 5.13 se muestra el esquemabásico de estos radares, caracterizados por la sencillez de los procesos de señalempleados, sobre todo si se comparan con sus equivalentes en las bandas demicroondas. También se presentan algunos equipos comerciales.

Es importante resaltar que, a diferencia de las cámaras térmicas, se pueden utili-zar ventanas temporales para obtener imágenes a diferentes distancias eliminan-do las señales de blancos y clutter procedente de otras distancias e incluso el“backgroung” meteorológico.

Las aplicaciones más significativas de los radares no coherentes -construidos encasi todos los casos con láseres pulsados- son los medidores de distancias, losdesignadores (normalmente incluyen la determinación de la distancia y, en algu-nos casos la dirección, los que facilita su selección y apuntamiento automático),guiado terminal de armas y sistemas de obtención de imágenes en entor-nos complejos.

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Figura 5.13 Radares láser no coherentes [2]

Radares Coherentes

Son mucho más complejos y caros por la necesidad de emplear láseres con dis-tancias de coherencia muy elevadas. En la figura 5.14 se presenta su estructurabásica. Puede observarse que la detección coherente requiere el uso de un inter-ferómetro para separar la muestra de la señal y los ecos de los blancos. Ademáslos requisitos de pureza espectral de la fuente de señal son mucho más exigentes.Entre otras ventajas merecen destacarse dos:

- Permiten la realización de sistemas MTI (Indicadores de Blancos Móviles) queeliminan el clutter y separan los blancos móviles aprovechando el efectoDoppler producido en las señales recibidas por el movimiento de los blancos.

- La sensibilidad es mucho mayor, sobretodo en entornos ruidosos lo que se tra-duce en mayor alcance. En efecto, la relación S/N a la salida de los detectorescoherentes es mucho mejor pues si el nivel de oscilador local en el detector esalto, la S/N de un receptor coherente depende exclusivamente del ruido fotóni-co. Como consecuencia de que, tal como puede comprobarse en la última refe-rencia citada, a diferencia de lo que ocurre con los radares no coherentes enlos que el ruido del entorno degrada las prestaciones del sistema, en los cohe-rentes se elimina por su falta de coherencia con la señal de referencia.

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LÁSER ÓPTICA RADOMO

RADOMOÓPTICAFOTODETECTOR

PROCESO DETECTORDetecciónDistancia

Medidores de distancia Guiado semiactivo (designadores)

Guido activo

AGM-114K


Figura 5.14 Radares láser coherentes [2]

5.5 Tendencias futuras

Naturalmente cabe esperar desarrollos muy significativos para optimizar y abaratar losdistintos elementos que incluyen estos sensores: óptica, detectores, láseres y técnicasde proceso. A continuación se concretan algunas de las líneas más significativas:

• Desarrollo de nuevos detectores IR. Es consecuencia directa de la importanciacreciente de estas bandas. Especial relevancia en aplicaciones militares tendránlos fotodetectores IR de pozo cuántico (QWIP) bicolor que aprovechan simultá-neamente la información presente en dos ventanas.

• Láseres en IR. Con objeto de aumentar la eficacia y extensión de sensoresactivos. Su aplicación más significativa serán los designadores de corto alcan-ce y contramedidas electrónicas (DIRM).

• Detectores combinados IR-UV. La utilización de técnicas multiespectrales per-mite de aprovechar el carácter complementario de ambos tipos de detectores.Incluso, en algunas aplicaciones se integrarán con sensores trabajando en ban-das milimétricas.

• Desarrollo de imágenes multiespectrales e hiperespectrales. Combinando imá-genes obtenidas en distintas bandas de frecuencia (visible, infrarrojo medio,infrarrojo lejano, etc.) se pueden inferir muchas propiedades que no se obtie-nen de un sensor trabajando en una sola banda.

• Arrays de plano focal de detectores duales (IR-UV). En línea con lo anterior, lacombinación de técnicas multiespectrales y de formación de imágenes en tiem-po real producirá un incremento espectacular de las prestaciones. El puntoclave es el abaratamiento de los subsistemas detectores, a lo que contribuiráel desarrollo de las aplicaciones civiles.

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ÓPTICALÁSERACOPLADOR

RECEPTORMODULADOR PRESENTACIÓN

SCANNERRADOMO

CONTROLSCANNER

PROCESO DEDATOS

PROCESODE SEÑAL


• Desarrollo de técnicas de proceso de imagen. Aprovechando también las siner-gias de su gran extensión en las aplicaciones civiles.

• Desarrollo de contramedidas y medidas de protección en las bandas optoelec-trónicas. Las extraordinarias prestaciones operativas que aporta a los sistemasla introducción de estos sensores ha propiciado el desarrollo de una gran acti-vidad en el ámbito de las contramedidas electrónicas que implicará la introduc-ción de anticontramedidas para combatirla. Las próximas décadas se caracte-rizarán por una gran extensión de la “Guerra optoelectrónica”.

• Desarrollo de sensores de señales peligrosas y sistemas de protección de ojos.Actividad imprescindible ante la generalización del uso de láseres en el campode batalla con emisiones, accidentales o no, que pueden producir daños per-manentes en la visión de los combatientes.

En definitiva el gran esfuerzo económico que se está poniendo en el desarrollo yabaratamiento de estas tecnologías permitirá que alcance su madurez en los pró-ximos años en los que veremos nuevos sistemas con mejores prestaciones cuyouso se extenderá a aplicaciones civiles, especialmente en el sector de laSeguridad.

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Capítulo 6

SENSORES EN BANDAS

MILIMÉTRICAS.

Precisión e identificación

a corta distancia



6. SENSORES EN BANDAS MILIMÉTRICAS. Precisión e iden-tificación a corta distancia

Las ondas milimétricas, convencionalmente aquellas cuya frecuencia portadoraestá comprendida entre 30 y 300 GHz, se propagan con gran atenuación por laatmósfera por efecto de la presencia de moléculas de oxígeno y vapor de agua,aunque existen ventanas de baja atenuación a 35, 95, 140 y 240 GHz. Asímismoson atenuados por la presencia de la lluvia (entre 5 y 10 dB/km para intensidadesde 16 mm / HR). Sin embargo, presentan ventajas significativas frente a los sen-sores trabajando en otras bandas que están asociadas, entre otras razones, altamaño reducido de los equipos y al elevado ancho de banda de las señalesgeneradas [19].

En todo caso, son sensores con características intermedias entre los deRF/microondas y los optoelectrónicos que están especialmente indicados en apli-caciones de corto y medio alcance, donde se requiere simultáneamente operacióntodo tiempo y pequeño tamaño (sistemas embarcados).

Las posibilidades de las ondas milimétricas son conocidas desde hace muchosaños, pero la dificultad de realizar dispositivos de estado sólido a frecuencias ele-vadas las relegó hasta los años 70 a aplicaciones muy sofisticadas donde el ele-vado coste y tamaño/peso de los componentes realizados en guía-ondas eranasumibles, por ejemplo en radioastronomía. La aparición de los primeros disposi-tivos de dos terminales capaces de generar y detectar potencia a estas frecuen-cias (diodos Gunn, IMPATT, Schottky…) despertó un extraordinario interés durantelos años ochenta desarrollándose muy rápidamente numerosos componentes yalgunos prototipos experimentales de sistemas completos (radares anticolisión,medidores de velocidad, espoletas de proximidad, radiómetros, etc.), todos ellosen tecnología híbrida sobre substratos plásticos o cerámicos sobre los que segrababan líneas de transmisión microstrip, coplanar o fin-line. La reducción depeso y tamaño era bastante importante, sin embargo su precio seguía siendo muyelevado. De este modo a finales de los ochenta se disponía de una tecnología bienconocida a la que apenas se le encontraban aplicaciones.

La gran revolución en este campo se está produciendo en estos momentos con eldesarrollo de la tecnología MMIC (Microwave and Millimeter-wave MonolithicIntegrated Circuits). En esta tecnología todos los componentes activos y pasivosdel circuito, así como sus interconexiones, se realizan “in situ” dentro de un substra-to semiaislante de AsGa o InP. El resultado es la obtención de circuitos que con untamaño de algunos milímetros cuadrados realizan sofisticadas funciones electróni-cas a un precio potencialmente muy pequeño para grandes producciones. Dehecho se pretende que el coste final por circuito encapsulado oscile entre 2,5 y25$. Cuando esto se consiga, dentro de pocos años, las posibilidades prácticas deesta tecnología en el campo militar serán enormes.

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Los sistemas objeto de este capítulo son los mismos ya comentados en los doscapítulos anteriores, compartiendo conceptos y arquitecturas, por lo que en estospárrafos nos limitaremos a comentar sus principales aplicaciones.

6.1 Radares de milimétricas

Emplean circuitos con menor peso y tamaño que los de microondas y muchomenos frágiles que los sensores optoelectrónicos. La elevada frecuencia de lasseñales utilizadas –en comparación con las empleadas en las bandas de microon-das- permiten la obtención de resoluciones angulares elevadas con tamaños deantenas pequeñas lo que se traduce en mayores capacidades, tanto para discrimi-nar blancos como para detectarlos sobre superficies (por ejemplo el suelo o el mar),pues disminuye el área iluminada. Incluso es posible obtener imágenes electromag-néticas para identificar los blancos tal como se mostró en las figuras 4.23 y 4.24.

Por otro lado, se simplifican la generación y radiación de señales de gran ancho debanda, consiguiéndose gran precisión en la medida de distancias y facilitando laaplicación de técnicas LPI (Low Probability of Interception), la solución a medioplazo que tienen los sistemas radar para superar la extraordinaria vulnerabilidadque actualmente tienen de la mano de la combinación de sus dos amenazas másserias: las técnicas “stealth” y los misiles anti-radiación.

Sin embargo, el alcance de los radares de milimétricas es limitado dada la dificul-tad para generar altas potencias en estas bandas y la elevada atenuación atmos-férica. Ello explica que algunas de sus principales aplicaciones desarrolladas hastaahora sean las siguientes:

- Espoletas de proximidad y cabezas buscadoras de sistemas de guiadoactivo para misiles. Están sustituyendo a los actuales componentes que rea-lizan están funciones en las bandas de microondas. Además del menor tamañose obtiene una gran protección frente a contramedidas electrónicas pues ape-nas hay equipos de guerra electrónica en las bandas de milimétricas.

- Radares anticolisión para helicópteros. Diseñados para permitir navegarcerca del suelo y en pobres condiciones meteorológicas. Trabajan a 35 GHz ypermiten presentar al piloto una imagen tridimensional del terreno y posiblesobstáculos.

- Radares “discretos” de medio y corto alcance para plataformas vulne-rables. Es el caso del radar de control de fuego AN/APG-78 Longbow que semonta en los mástiles de los helicópteros Apache. Sus principales prestacionesson la gran precisión en la localización de los blancos y el uso de señales LPIque dificultan su detección y, por tanto, la del helicóptero. El radar forma parte

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del sistema de armas AH-64D de Lockheed Martin/Boeing que usa misiles aire-superficie AGM-114D-Hellfire que, a su vez, emplea una cabeza buscadora tam-bién en bandas milimétricas y permiten trabajar en modo “dispara y olvida” conun alcance entre 8 km 12 km.

- Radar anticolisión para vehículos terrestres: FLRS (Forward LookingRadar Sensor) integrados en sistemas ICC (Intelligent Cruise Control).En la actualidad existen varios sistemas en desarrollo por los principales fabri-cantes, de automóviles, la mayor parte trabajando en la banda de 77 GHz. Esla aplicación más prometedora y que permitirá su entrada en el mercado delconsumo.

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En la figura 6.1 se presentan algunos equipos comerciales.

Figura 6.1 Radares en bandas milimétricas (fuente: diversas páginas en la web)

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Radar vigilancia superficialQuinetiQ

Radares anticolisión de automóviles DENSO

Radar vigilancia perimetral ICX-tecnologies

Radar control de fuego AH-64DApache Longbow


6.2 Cámaras de milimétricas

Su funcionamiento es muy similar al de las cámaras trabajando en la banda deinfrarrojos. Como en ellas lo que se detecta es la energía térmica emitida por loscuerpos mediante una antena con una resolución angular suficiente para permitirobtener imágenes tanto de día como de noche. Como inconveniente frente a lasprimeras destaca la menor calidad de la imagen, el mayor tamaño físico de laapertura y la necesidad de realizar una exploración mecánica para formar la ima-gen, todo ello consecuencia directa de la mayor longitud de onda de las ondas mili-métricas. Sin embargo tiene algunas ventajas en ciertas aplicaciones derivadas desu mayor inmunidad frente a malas condiciones meteorológicas y, sobre todo, desu capacidad de penetración que permite la localización pasiva de objetos debajode las ropas o incluso detrás de paredes.

A diferencia de la tecnología de rayos X, con las que compite, al ser cámaras pasi-vas no es necesario “radiar” sobre el escenario a analizar y pueden utilizarse sobrepersonas sin restricciones, por ejemplo para la detección de objetos ocultos oarmas bajo la ropa. A estas frecuencias los metales son altamente reflectantes porlo que son fácilmente detectables utilizando o no emisiones naturales o de las pro-pias personas. En la figura 6.2 se presentan algunas de estas cámaras, así comoejemplos de las imágenes obtenidas. Entre sus principales aplicaciones destacamos:

- Detección de armas (sean metálicas, cerámicas o de otros materiales)y explosivos. Lo que permite establecer controles de seguridad en aeropuer-tos o edificios (arco o portal de seguridad) o la identificación a cierta distanciade la aproximación de un terrorista suicida al perímetro de una instalación quese desea proteger. Son conocidos como escáneres corporales.

- Ayuda a la navegación y pilotaje a través de nubes, niebla y humo (EVS,Enhanced Vision System), para conducción con niebla, aterrizajes en platafor-mas petrolíferas y vuelos en operaciones contra incendios.

- Control de calidad de muestras que no puedan ser sometidas a radiación derayos X.

- Observación de la superficie terrestre desde satélites o vehículos aéreosbajo condiciones de niebla y nubes. En la figura 2.1 de la página 19 (arriba a laderecha) se presentó la imagen radiométrica obtenida a 750 m., trabajando a98GHz, con una antena de 0,5º de anchura de haz [20].

- Radio astronomía, aplicaciones médicas, etc.

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Figura 6.2 Cámaras en bandas milimétricas (fuente: diversas páginas en la web)

En estos momentos los alcances de las cámaras son de algunos metros por ello seestán empezando a usar “iluminadores” o incluso a configurarlas como auténticosradares, con lo que se pierden algunas de sus ventajas.

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Sistema de Alfa Imaginga 35 GHz

QinetiQ Milimeter wavesystem

Samsung Thale


6.3 Municiones inteligentes

La necesidad de armas capaces de operar automáticamente (“Fire-And-Forget”)en cualquier condición meteorológica (“All-Weather”) sobre varios blancos a la vez(“Many-On-Many”) fue puesta de manifiesto a principios de los ochenta por elEjército y la Fuerza Aérea de EEUU como medio de oponerse a la superioridadnumérica en carros y vehículos blindados del Pacto de Varsovia. La justificación deestas armas frente a las municiones convencionales radica en que su alta proba-bilidad de impacto hace que pueda disminuirse drásticamente el coste por blancodestruido.

Dentro de estas armas pueden distinguirse dos grandes grupos. En primer lugarestán aquellas que, utilizando la técnica “Hit to Kill”, un radar monoestático, guíala cabeza de guerra hasta el blanco y responden a la denominación TGM’s(Terminally Guided Munitions).

Por otro lado, están los que usan la técnica “Shoot to Kill” donde las municiones,dotadas de un sensor-espoleta, son lanzadas a las proximidades del blanco y allíel sensor, tras detectarlo, apunta y activa la carga. Se conocen como SFMs(Sensor-Fused-Munitions).

Municiones con guiado terminal

A este grupo corresponden los sistemas desarrollados para artillería en el progra-ma MLRS-TGW (Multiple Launch Rocket System-Terminally Guided Warhead) yconsiste en un lanzador múltiple de cohetes, más o menos convencional, capaz delanzar rápidamente un gran número de proyectiles. Estos disponen de una cabe-za buscadora capaz de explorar en una gran área, localizar los blancos y dirigir lacabeza de guerra hacia él.

La principal característica de estos subsistemas es que deben minimizarse las fal-sas alarmas, lo que requiere complejos sensores de milimétricas y procesadoresde señal. Las limitaciones de espacio/peso/coste obligan a realizarlos en tecnolo-gías MMIC y VLSI respectivamente. Las antenas son de barrido mecánico pero enun futuro serán arrays conformados realizados en tecnología monolítica. En lafigura 6.3 se presenta el esquema de bloques de un sensor para una de estasarmas, un radar CW-FM trabajando de 90 a 94 GHz, y un circuito monolítico queincluye en un solo chip de unos milímetros cuadrados casi todos los componentes:VCO, amplificadores, transmisores, amplificadores de bajo ruido y mezcladores.

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Figura 6.3 Municiones inteligentes [2]

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Largo alcanceIluminación inclinadaGran área de busquedaExploración horizontalImpacto directo

Corto alcanceIluminación inclinadaÁrea de busqueda pequeñaExploración círcularImpacto por disparo

“Hit to Kill”

“Shoot to Kill”


Municiones con sensores-espoletas

A este grupo pertenecen los desarrollos del programa SADARM (Search AndDestroy ARMor). Esta munición implica una aproximación totalmente diferente alproblema. Se trata de submuniciones con un rango operacional significativamentemenor que en el caso anterior: unos centenares de metros. Cada portador incluyevarias cabezas de guerra con radares muy simples y de bajo coste, operando con-juntamente con sensores de infrarrojos, que son lanzados mediante paracaídas (verfigura 6.3). A lo largo de su caída el sensor dual explora circularmente el terrenohasta localizar un blanco, momento en el que dispara el proyectil (ver figura 6.3).

Municiones con radiómetros imagen

Recientemente se han descrito diversos radiómetros realizados en tecnologíaMMIC que, trabajando de forma homodina, es decir, amplificando y detectandodirectamente las señales, tienen sensibilidades inferiores a –90dBm. Conectadosa una antena con barrido mecánico de 5 cm de diámetro de apertura se han obte-nido imágenes que pueden ser utilizadas para guiado terminal en un futuro más omenos próximo.

La detección y localización de blancos sobre la superficie terrestre mediante radió-metros en ondas milimétricas se basa en que cuando se observa la superficieterrestre desde arriba, la señal recibida está compuesta por las emisiones de losobjetos que entran en el haz de la antena, una parte debida a las emisiones pro-pias de los objetos por estar a cierta temperatura y otra reflejada de las emisio-nes del cielo. Cada objeto tiene una emisividad característica ε (0 < ε <1) de modoque la energía que recibirá el radiómetro, considerando la atmósfera transparen-te, será proporcional a:

Na + Nb = KTobjetoB +KTreflejadoB = Kη[ εT + (1-ε) Tsky]B

Donde T es la temperatura física del objeto, Tsky la temperatura radiométrica delcielo (entre 60º y 180ºK, según el estado de la atmósfera), η<1 la relación entreel área del objeto y el área iluminada, K: constante de Boltzmann (1,38 10-23 J/ºK)y B: ancho de banda del receptor.

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Los objetos se discriminan unos a otros, bien por su diferente temperatura, T, opor su diferente emisividad, e, a la frecuencia de trabajo. En la práctica hay quetener en cuenta la presencia de la atmósfera debajo del radiómetro, que atenúanlas señales y emite también energía, así como la presencia de otros objetos den-tro del haz como la propia superficie terrestre. Se puede demostrar que si el hazde la antena es suficientemente estrecho y la distancia R no muy elevada, η=1 yla potencia total recibida es aproximadamente:

N = K [ εT + (1-ε) Tsky]B

Realizando cálculos con las relaciones anteriores se puede comprobar que hastadistancia de 1.000 m. es posible discriminar los objetos que tengan distinta emi-sividad, incluso en presencia de nubes y nieblas.

Como se ha indicado, esta técnica se ha utilizado con éxito en la implementaciónde espoletas pero son evidentes las posibilidades de utilizarla para el guiado devehículos no tripulados e intermedio de misiles mediante la comparación conmapas electromagnéticos previamente almacenados. De hecho se está conside-rando la sustitución de la técnica TERCOM (Terrain Contour Matching), actualmen-te utilizada en los misiles de crucero Tomahawk y ALCM, que como es sabido, bási-camente consiste en un radioaltímetro que obtiene los perfiles del terreno y loscompara con los almacenados. La nueva técnica se conoce como RAC (RadiometricArea Correlator) y se basa en la medida de la temperatura radioeléctrica de losdiferentes puntos del terreno. Los nuevos sistemas permiten superar la principaldificultad de la primera, pues no requiere variaciones significativas del terrenopara poder operar.

Por último indicar que, en un futuro más lejano, cuando la reducción del coste lopermita, los radiómetros capaces de obtener imágenes podrán ser utilizados parael guiado terminal de armas.

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6.4 Tendencias futuras

Las tendencias futuras en el desarrollo de estos sensores son las siguientes:

• Miniaturización de los sensores. Las aplicaciones civiles están permitiendo eldesarrollo de las tecnologías de integración con dispositivos MMIC (circuitosmonolíticos de microondas) y circuitos planares. El uso de estos componentessupondrán una reducción enorme en el tamaño y peso de los subsistemas ysistemas.

• Reducción de coste. Consecuencia directa de lo anterior, permitirán, entre otrascosas, la generalización de armas stand-off sobre blancos fijos y de los siste-mas de comunicaciones de corto alcance.

• Desarrollo de radares y radiómetros imagen para guiado de armas. En aplica-ciones de corta distancia, se podrán utilizar radares y radiómetros imagen loque aumentará extraordinariamente las prestaciones de los sistemas de armas.Así mismo se potenciarán los sistemas de vigilancia y detección de objetos crí-ticos (armas y explosivos) con la generalización de las cámaras en ondas mili-métricas.

• Desarrollo de radares LPI y de alta resolución. La utilización de señales de grananchura de banda (varios GHz) pondrá en los futuros escenarios de combateuna nueva generación de radares protegidos frente a ECM’s y misiles antiradia-ción o con capacidades de identificación desconocidas hasta ahora.

• Desarrollo de las tecnologías y sistemas en las bandas superiores a 100 GHz.El sector de seguridad requerirá el desarrollo de cámaras de ondas milimétri-cas de mayor resolución capaces de detectar armas y explosivos improvisados,incluso detrás de paredes. Se ha demostrado la posibilidad de hacerlo “conTeraherzios” lo que está propiciando fuertes inversiones para el desarrollo decomponentes en estas bandas –entre 100 y 1000GHz- hasta ahora apenas uti-lizadas. Cuando se disponga de componentes –especialmente cuando el esta-do sólido y los circuitos MMIC sean capaces de trabajar en estas bandas paralo que todavía queda bastante tiempo- aparecerán nuevas aplicaciones tantoen el campo civil como en el militar.

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Capítulo 7

INTEGRACIÓN DE SENSORES Y

FUSIÓN DE DATOS EN

LOS SISTEMAS DE DEFENSA

Y SEGURIDAD.

Sistemas C4ISTAR en

un entorno NEC



7. INTEGRACIÓN DE SENSORES Y FUSIÓN DE DATOS EN LOSSISTEMAS DE DEFENSA Y SEGURIDAD. Sistemas C4ISTARen un entorno NEC

En la mayor parte de los casos, los sensores descritos en los capítulos anteriores tra-bajan integrados con otros elementos para dar respuesta a una necesidad concreta,por ejemplo para configurar sistemas de vigilancia, de armas, de guerra electrónicao de mando y control. Sin embargo, es tal la importancia que ha alcanzado la infor-mación en los actuales conflictos y son tan grandes las posibilidades asociadas alvertiginoso desarrollo de las tecnologías de la información y las comunicaciones, queesta visión tradicional basada en la mera utilización de los datos extraídos de lossensores para resolver un problema específico no puede mantenerse.

La información extraída por los sensores debe difundirse y debe difundirse bien,haciéndola llegar allí donde sea útil en un volumen y con una calidad adecuada alas necesidades de aquel que debe tomar decisiones, en argot militar, “adecuadaa las necesidades del mando”. Por todo ello, en los próximos años veremos unamasiva proliferación de complejos sistemas de información asociados en las activi-dades de Seguridad y Defensa. En los siguientes apartados se describirán algunosde los conceptos más significativos para explicar su configuración y funcionamiento.

7.1 Procesos de información en un sensor

En la definición de sensor de la RAE recogida en el capítulo de introducción se ponede manifiesto la necesidad de que el sensor transmita su información a algún otroelemento o agente que la utilizará con algún fin. Lo cierto que la mencionadadefinición es algo limitada –se ve al sensor como un mero transductor que con-vierte una magnitud física en una medida- y es habitual que bajo la denominaciónde sensor se incluya los componentes que, en mayor o menor grado, procesan laseñal de salida del transductor para adecuarla a las necesidades de un usuariodirecto o para transmitirla hacia el exterior. En los capítulos anteriores ha queda-do claro que en este cuaderno consideramos que un sensor electromagnético esun dispositivo o sistema que tiene por objetivo adquirir información procedente delentorno y transferirla a otros elementos inteligentes que la explotarán.

El grado de proceso de información realizado en el propio sensor es muy variablesegún la aplicación. Así, en un radar de vigilancia es habitual que el propio sensorincorpore un potente procesado de señal que reduce la información disponible ensu entrada (típicamente unas decenas de Mbit/s) a unos pocos Kbit/s a su salida(la que corresponde a los blancos), en este caso se alcanza el proceso de informa-ción medio de la figura 7.1. Por el contrario un radar SAR o en una cámara embar-cada en un vehículo aéreo no tripulado (en donde apenas hay capacidad de proce-so), se enviarán a tierra los datos casi “crudos” para un procesamiento posterior.

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En todo caso, un punto esencial para entender la estructura de estos sistemas escomprender la necesidad de “filtrar la información” disponible al objeto paraque su volumen sea adecuado tanto a las capacidades de los sistemas de comu-nicación disponible para hacerla llegar allí donde es relevante, como a las capaci-dades de asimilarla de los operadores que la interpretan.

Volviendo al ejemplo anterior, un radar puede disponer a la salida de su receptorde un volumen de información enorme que incluye los ecos de todos los objetosque está iluminando su haz en ese instante, las señales que llegan a su antenaprocedentes de emisiones en su banda de trabajo, señales de ruido propio y exter-no, etc., en definitiva una tasa de información de unos megabits por segundo muysuperior a las decenas de bits por segundo que un operador puede asimilar. El sis-tema deberá filtrar esa información para –quizás- suministrar al mencionado ope-rador una información de volumen muy pequeño pero extraordinariamente rele-vante, por ejemplo que en la zona iluminada existe un blanco móvil cuyas coorde-nadas son (x, y, z) y que probablemente es una amenaza de determinado tipo.Surgen al menos dos ideas importantes:

- ¿Estamos seguros de que la información desechada no es muy relevante paraotro centro de decisión del sistema? ¿por qué no hacerla llegar a un sistema deinformación capaz de procesarla y extraer informaciones adicionales: emisionespresentes en el entorno, blancos fijos relevantes, condiciones meteorológicas,estado del mar...?. Todas ellas son informaciones que pueden estar presentesen las señales disponibles en algún punto del sensor, aunque éste no tengacapacidad para procesarlo. Por tanto, será muy conveniente situarlo en una redde comunicaciones de alta capacidad.

- Existe el riesgo de que en el proceso de filtrado se pierda información muy rele-vante o sea errónea. Necesitamos sofisticados procesadores de la informa-ción eficaces y robustos.

A modo de ejemplo, en la figura 7.1 se presenta un esquema típico de la cadenade procesamiento para la detección e identificación de un blanco, éste puede serun objeto físico o una señal (elaborado a partir de [21]). Incluye los siguientesprocesos:

• Obtención de la señal cruda (“Sensing”). Típicamente es la salida de videosin procesar de los receptores incorporados por los sensores electromagnéticos.

• Proceso de señal a bajo nivel. Incluye la detección de las señales, su extrac-ción de las señales no deseadas y su separación de las de otros blancos.

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• Seguimiento estimación de parámetros y extracción de firmas. Losblancos pasan a ser registrados en el sistema de información, determinando suposición con el tiempo y estimando sus características más significativas de lasque puede obtener el sensor.

• Interpretación de los datos. Se aplican técnicas de fusión de datos a bajonivel, de reconocimiento automático de blancos, y se clasifican/identifican losblancos por comparación con las librerías disponibles.

• Correlación de blancos. Mediante técnicas de fusión de datos a alto nivel secorrelacionan los datos e imágenes de diferentes sensores.

• Análisis de la situación. Se ponen el blanco en el contexto del escenario con-creto, definiendo su grado de amenaza.

• Toma de decisión. En base a la información extraída del blanco por los sen-sores y del análisis de su entorno se deciden las acciones a tomar.

Figura 7.1 Cadena de procesos para la detección e identificación de un blanco [21]

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Aunque pueda parecer que los imparables avances tecnológicos en los ámbitosimplicados –en muchos casos de la mano de aplicaciones civiles- deben permitirdisponer de sistemas que cubran las necesidades de cada momento. Nada máslejos de la realidad. Es tal el valor de la información en los sistemas de Defensa ySeguridad que nunca el ancho de banda de los sistemas de comunicaciones, ni lacapacidad de proceso los sistemas de información disponibles son suficientes paraunas organizaciones que están convencidas que la superioridad de la informaciónes la mejor garantía del éxito de las misiones que se les encomiendan.

7.2 Fusión de datos

La fusión de datos procedentes de varios sensores es una tecnología en francodesarrollo que se originó en el Departamento de Defensa de EEUU para, entreotras muchas aplicaciones, el reconocimiento automático de objetivos, la vigilan-cia del campo de batalla, la orientación, y el control de vehículos autónomos.También tiene amplias aplicaciones en sectores civiles como la monitorización desistemas complejos, diagnóstico médico o edificios inteligentes. Las técnicas defusión de datos se basan en conocimientos y metodologías de diferentes áreascientíficas como la inteligencia artificial, el reconocimiento de patrones o la esti-mación estadística. Una descripción de estas técnicas –de fuerte contenido mate-mático- puede encontrarse en [22].

La fusión de datos, pretende, mediante la combinación de sensores de diferentestecnologías, potenciar las virtudes de cada uno de ellos y minimizar (cuando noeliminar) sus posibles desventajas. En estas líneas no limitaremos a poner algu-nos ejemplos elementales para poner de manifiesto su importancia.

- Detección de blancos con varios sensores simultáneos. La utilización devarios sensores incrementa espectacularmente las prestaciones del proceso dedetección de blancos, disminuyendo radicalmente los tiempos de falsas alarmasy aumentando la probabilidad de detección. Especialmente importante será estamejora si sus prestaciones son complementarias, por ejemplo si uno de ellos esmás eficaz pero menos robusto ante las condiciones meteorológicas que otro.

- Incremento de la precisión en la localización de blancos. Es relativamen-te habitual que se disponga de sistemas de posicionamiento con diferentes gra-dos de precisión, estabilidad a lo largo del tiempo, y robustez. Si se integran losdatos de varios sensores se consiguen las características óptimas de cada unode ellos a la vez. Un ejemplo es lo que actualmente ocurre en los sistemas decontrol de tráfico aéreo y marítimo donde los datos que tiene el avión o buqueen el receptor GPS son mucho más precisos que los que obtienen los sensoresradar ya que estos están muy alejados y los errores angulares se traducen encentenares de metros de error en la posición. Por otro lado, no se puede

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asegurar la disponibilidad de esta información (si no se desea comunicar laposición o no funciona correctamente el receptor embarcado, por ejemplo). Lafusión de ambas informaciones se puede hacer de un modo tan simple y eficien-te como el siguiente: alrededor de la posición del blanco obtenida por el radarse abre “una ventana de correlación espacial”, si la medida transmitida porreceptor embarcado está dentro de esta ventana es la información que se pre-senta al operador (la más precisa), pero si está fuera de la ventana (receptorembarcado con problemas) se usa la del radar. Se pueden configurar sistemasmucho más precisos que los actuales que mantienen su robustez, obviamenteel algoritmo se puede complicar mucho más incrementando las prestaciones.

- Mejora de las posibilidades de interpretación de imágenes. Es muy cono-cido como las técnicas estereoscópicas permiten mediante la integración de dosimágenes obtener la distancia de los objetos que incluyen. En estos momentoslas posibilidades asociadas a la integración de imágenes son mucho másamplias. Como ya se ha comentado, las imágenes multiespectrales e hiperespec-trales, que combinan las diversas imágenes de una zona obtenidas en distintasbandas de frecuencia, permiten inferir muchas propiedades que no se obtienende un solo sensor. Incluso la mera georreferenciación de datos procedentes devarios sensores sobre una misma imagen tiene efectos multiplicativos especta-culares desde el punto de vista de la interpretación de una situación.

7.3 Sistemas C4ISTAR en un entorno NEC

Sirva este último apartado, que desborda ampliamente los objetivos del cuader-no, para comentar las tendencias futuras en el tratamiento y utilización final de losdatos ya refinados de los sensores electromagnéticos. Los conceptos claves sondos: C4ISTAR (Command, Control, Communications, Computers, Intelligence,Surveillance, Target Acquisition and Reconnaissance) y NEC (Network EnabledCapability).

El concepto C4ISTAR, correspondiente a las siglas de Comando, Control,Comunicaciones, Computación, Inteligencia, Seguridad, Adquisición de blancos yReconocimiento, fue formulado por los departamentos de Defensa de EEUU y GranBretaña como un marco para organizar la información multimedia -procedente defuentes múltiples y heterogéneas- que se originan en una escenario espacial y tem-poralmente determinado –generalmente en una crisis- de tal manera que permita:

a) A usuarios no situados en el escenario analizar dicha información, en un con-texto más amplio y con herramientas generalmente mucho más potentes.

b) A los usuarios locales recibir asesoramiento sobre las medidas que debanadoptarse.

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c) Recibir retroalimentación entre todos los actores locales y no locales para elseguimiento conjunto de acciones y toma de decisiones coordinada con elobjetivo de resolver la situación en beneficio de los usuarios del sistema.

Aunque, como se ha indicado, su origen es militar, cada día tiene más aplicaciónen entornos civiles asociados a la seguridad. Es consecuencia de la similitud en lassituaciones a que enfrenta una ciudad recuperándose de un desastre natural o unataque terrorista con la de una unidad de militar de gran tamaño en un entornode acciones hostiles.

Las características operativas deseables para estos sistemas son: a) Interoperabilidaden todos los niveles y con otros sistemas, incluidos los heredados; b) Seguridad,manteniendo su capacidad operativa en todo momento, incluso a pesar de los ata-ques enemigos; c) Flexibilidad siendo capaz de integrar con rapidez y facilidadtantos puestos de comando, terminales de información y sensores como seannecesarios; d) Eficiencia y optimización de recursos. Todo lo cual conlleva eluso de modelos de datos y configuraciones estandarizadas, el uso de arquitectu-ras descentralizada y orientada a servicios (SOA) -permite que el sistema seaadministrado desde cualquier dispositivo de red, ofreciendo una robustez adicio-nal en caso de fallos o situaciones de crisis- y mecanismos de sincronización dedatos para que la información sea compartida en tiempo real, con velocidadesvariables de datos para optimizar el coste de las transmisiones.

El concepto NEC, [23] y [24], de difícil traducción directa al castellano –una de lasempleadas es Capacidad de Compartir Información Disponible en Red- no es sinoun marco conceptual y técnico diseñado para integrar eficazmente sensores,armas y puestos de mando y control, así como otros organismos, con el objetivode permitir, en tiempo real, la recogida de datos de un amplio espectro de fuen-tes militares y civiles, su procesado y difusión con vistas a dotar a los diversosniveles de la estructura de mando, en tiempo real, de la información completa,precisa y oportuna que requiere una eficaz toma de decisiones en los actualesescenarios de conflicto.

Un elemento fundamental del concepto NEC, el que más nos interesa aquí, es quea través del mismo se define una única Infraestructura de Información y Comunicaciones–ver figura 7.2- que integrando sensores, redes de comunicaciones y sistemas deinformación permite dotar a las organizaciones de la necesaria superioridad de lainformación haciendo que esté disponible en cualquier nivel de decisión, con inde-pendencia del lugar en que se encuentren y con las garantías de seguridad adecuadas.

Obviamente el concepto NEC es un desiderátum para incorporar los avances de lasTIC a los sistemas militares y de seguridad. Iniciativas similares se están dandoen organizaciones civiles.

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Figura 7.2 Infraestructura común de información y comunicaciones

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Fuente: http://www.armyrecognition.com/images/stories/middle_east/israel/military_equipment/imilite/pictures/lmiLite_%20ISR_Command_and_Control_Exploitation_System_Rafael_Israel_Israeli_Defense_Industry_001.jpg



Capítulo 8

A MODO DE CONCLUSIÓN.

Hacia las redes de sensores y

las tecnologías cognitivas



8. A MODO DE CONCLUSIÓN. Hacia las redes de sensores ylas tecnologías cognitivas

Aquí finaliza este recorrido que comenzó con la descripción de cómo las ondaselectromagnéticas permitían la interacción a distancia y que concluye con un con-cepto tan amplio y complejo, como es la iniciativa NEC. En el camino se han des-crito con cierto detalle los principios de funcionamiento y las características de lossensores electromagnéticos, elementos imprescindibles para el funcionamiento delos presentes y futuros sistemas de Defensa y Seguridad. Son los que suministranlos datos del escenario y sin ellos casi nada es posible.

Desde la Segunda Guerra Mundial, la evolución tecnológica de los equipos y sis-temas objeto de este documento ha sido espectacular. Especialmente importantelo ha sido el proceso de digitalización de los componentes ocurrido durante las tresúltimas décadas que ha permitido mejorar exponencialmente el volumen y la cali-dad de la información disponible. Por otro lado, las TIC siguen evolucionando y, através de numerosos desarrollos y aplicaciones, transformando radicalmente losconceptos y sus implementaciones prácticas.

Los sensores descritos en estas páginas se caracterizan por su complejidad. Engeneral están instalados en emplazamientos o plataformas móviles sofisticadas yla cobertura individual de cada uno de ellos es lo mayor posible. Sin embargo, elfuturo de las técnicas de extracción de datos puede no estar tanto en la existen-cia de sensores muy potentes como en la disponibilidad de muchos. Son las cono-cidas como redes de sensores en las que la actual funcionalidad de un sensorserá realizada por un conjunto de sensores conectados vía radio.

Estas redes utilizan centenares o miles de sensores de bajo tamaño, consumo ycoste, con capacidad de interactuar entre sí y autoorganizarse, constituyendo losnodos de un sistema de comunicaciones capaz de adaptarse a las condicionescambiantes de su entorno. Otro aspecto diferencial de estas redes, comparadascon las convencionales, radica en que sus elementos (dispositivos con capacidadde obtener datos, comunicarse y autogestionar su operación) están sometidos arestricciones muy importantes en su capacidad de procesamiento, almacenamien-to, energía consumida y ancho de banda utilizable, entre otras limitaciones. Lasuperación de estas restricciones pasa por dotar a estas redes de una gestiónextraordinariamente compleja. Adicionalmente, se requiere dotarles de elementosde seguridad ante intrusiones externas.

Se trata de una tecnología con la que se pretende monitorizar grandes extensionesde terreno, adquiriendo y procesando los datos en tiempo real, todo ello en unambiente muy complejo. Dado que las redes apenas tendrán realimentación exter-na deberán ser capaces de trabajar solas, y por tanto capaces de inferir posiblescambios en su entorno de trabajo.

161


En definitiva deberán aplicarse lo que se conoce como tecnologías cognitivas,[25] y [26], denominación que recoge las capacidades que se exigirán a losnuevos sensores, redes y procesadores de señal de adaptarse a los cambios delentorno mediante la interpretación de los eventos pasados y presentes. Posiblementeel concepto recoja la próxima revolución en el ámbito de los sensores y las redesde sensores.

162


Anexo

30 AÑOS DE DESARROLLO DE

TECNOLOGÍAS DE SENSORES

EN ESPAÑA.

Un ejemplo de éxito y de

colaboración entre

administraciones, empresas

y universidades



ANEXO. 30 AÑOS DE DESARROLLO DE TECNOLOGÍAS DESENSORES EN ESPAÑA. Un ejemplo de éxito y de colabo-ración entre administraciones, empresas y universidades

Es bien sabido que la investigación militar en España es poco conocida a pesar deque somos el cuarto país europeo que más invierte en I+D+i militar, de que somosun país exportador de alta tecnología militar, o que las 850 empresa que configu-ran la industria de sector de la Defensa y la Seguridad son, con diferencia, las quemantienen en sus cuentas los mayores gastos de I+D+i de toda nuestra industria[27]. Tampoco es conocido que una parte significativa de esta I+D+i se ha hechoen colaboración con centros de investigación públicos, incluyendo numerosos gru-pos de investigación de nuestras universidades.

Es una historia de éxito que se inicia a finales de los años setenta cuando nuestropaís comienza a sufrir un proceso de modernización de grandes dimensiones queafectará a toda la sociedad, incluyendo el sistema Ciencia-Tecnología-Empresa y alas propias Fuerzas Armadas. No es objeto de estas páginas la descripción de unfenómeno tan interesante, pero lo cierto es que se producen un conjunto de acon-tecimientos tan diversos como la apertura del país al exterior, la internalización delos asuntos militares o la irrupción de las TIC de la mano de la digitalización de lossistemas, que favorecerá la generación de nuevas empresas con base tecnológicaen las TIC que acabarán siendo de las “grandes del sector”.

A modo de ejemplo, en 1980 se encarga a la entonces recién creada CESELSA losdesarrollos del Sistema de Control de Tránsito Aéreo de Sevilla, de RadaresSecundarios y del Simulador de Vuelo del Avión C-101, desarrollos que se llevarána cabo con una nueva filosofía -la incorporación al máximo de la tecnologíanacional- y que serán los cimientos para nuevas actividades industriales en lossectores civiles y militares, actividades hoy ya consolidadas que son algunas delas bases de nuestro impulso exportador. Proyectos similares se ponen en marchaen INISEL, CASA, la Empresa Nacional Bazán y otras empresas.

El ámbito de los sensores electromagnéticos ha sido uno de los protagonistas deesta historia, especialmente de la mano de su aplicación militar en los sistemas devigilancia aérea y marítima, de los sistemas de guerra electrónica, de algunos sis-temas de armas, y más recientemente, en los sistemas de vigilancia terrestre ymarítima requeridos en aplicaciones civiles.

Interesa resaltar que una parte significativa de los desarrollos asociados a los sen-sores electromagnéticos se han hecho con un porcentaje muy elevado de tec-nología nacional, por ingenieros españoles y en un entorno de colaboración uni-versidad-empresa muy superior al que podemos encontrar en otros sectores deactividad.

165


En este anexo se ha incluido un listado de las principales empresas y grupos deinvestigación que desarrollan actividades en este ámbito. Las inevitables inexacti-tudes y omisiones que el lector encontrará son sólo atribuibles a la ignorancia delautor. En todo caso creemos que las tablas no sólo ponen de manifiesto la impor-tancia que para nuestro país han supuesto estas actividades, sino que son una ref-erencia a seguir, un acicate para que transciendan a otros ámbitos industriales susprácticas y experiencias.

Como siempre ocurre en estos casos, son todos los que están pero no están todoslos que son. Las fuente de datos utilizadas para hacer la selección son los libroscorrespondientes a las Jornadas de Electrónica Militar, en estos momentos,Jornadas de Tecnologías para la Defensa y la Seguridad, organizadas cada dosaños por el antiguo Círculo de Electrónica Militar, hoy Fundación Círculo deTecnologías para la Defensa y la Seguridad [28], así como los boletines y libros delSistema de Observación y Prospección Tecnológica del Ministerio de Defensa [29],algunos de cuyos documentos son especialmente interesantes [30], [31] y [32].La productividad científica de los grupos de investigación universitarios y de otrosorganismos públicos citados es impresionante, pero es preciso reconocer que sólouna decena de ellos han producido resultados que hayan sido transferidos al sec-tor productivo con una intensidad y continuidad significativa.

Con vistas al futuro de los sensores electromagnéticos, cabe recoger las declara-ciones del Director General de Armamento y Material, Teniente General GarcíaSieiro [27]: "Los españoles no necesitamos grandes flotas, no queremos unEjército para dominar el mundo", "Los escenarios previsibles para nuestras fuerzasarmadas son operaciones de mantenimiento de la paz en sitios como Afganistán,Líbano, Somalia y en el conjunto del continente africano donde debemos sercapaces de enfrentarnos a cualquier reto. No trabajamos en la perspectiva de lasbatallas de masas, como en la Segunda Guerra Mundial, sino en la lucha contra lainsurgencia. Se trata de poseer la iniciativa, saber manejar muchas y complejasvariables para la solución de un problema, tener organización y comunicación per-manente. La I+D es vital para la milicia porque ninguna guerra se gana con losprocedimientos de la guerra anterior y de lo que se trata es de anticiparse alfuturo".

En este escenario “ver y oír” a distancia es imprescindible...

166


167

A.1. Empresas españolas con actividad en el ámbito de los sensores elec-tromagnéticos

EMPRESAS PÁGINA WEBPRINCIPALES TECNOLOGÍAS DISPONIBLES PARA

DESARROLLO E INTEGRACIÓN DE SENSORESELECTROMAGNÉTICOS (*)

ÁLAVA INGENIEROS www.alava-ing.es • Ingeniería e integración de sistemas de vigilancia y de

mando y control.

ALFA IMAGING www.alfaimaging.com • Diseño y desarrollo de sensores en bandas milimétricas.

ACORDE www.acorde.com • Diseño y desarrollo de componentes de sensores de radiofrecuencia.

AMPER www.amper.es

• Diseño y desarrollo de procesadores de señal y/o unidadesde presentación.

• Ingeniería e integración de sistemas de vigilancia y demando y control.

• Ingeniería e integración de sistemas de Guerra Electrónica.

ARIESINGENIERÍA Y

SISTEMASwww.aries.com.es

• Diseño y desarrollo de sensores electroópticos.• Ingeniería e integración de sistemas de vigilancia y de

mando y control.

DAS PHOTONICS www.dasphotonics.com • Diseño y desarrollo de componentes de sensores

electroópticos.

EADS(enEspaña) www.eads.com

• Diseño y desarrollo de sensores de radiofrecuencia.• Diseño y desarrollo de sistemas de Guerra Electrónica.• Diseño y desarrollo de componentes de sensores de

radiofrecuencia.• Ingeniería e integración de sistemas de vigilancia y de

mando y contro.• Ingeniería e integración de sistemas de Guerra Electrónica.

ELECTROOP www.electroop.es/es • Diseño y desarrollo de sensores electroópticos.

RAYTHEONELCAN OPTICAL TECHNOLOGIES

(en España)www.elcan.com • Diseño y desarrollo de sensores electroópticos.

GATESA www.gatesa.com • Diseño y desarrollo de componentes de sensores electroópticos.

GMV www.gmv.es


• Diseño y desarrollo de sistemas de mando y control.• Diseño y desarrollo de sistemas de Guerra Electrónica.• Ingeniería e integración de sistemas de vigilancia y de

mando y control.• Ingeniería e integración de sistemas de Guerra Electrónica.

(*) Fuentes: TEDAE, AETIC, Ministerio de Defensa, Fundación Círculo de Tecnologías para la Defensa yla Seguridad y páginas de las empresas.


168



GTD www.gtd.es

• Diseño y desarrollo de sistemas de mando y control.• Diseño y desarrollo de sistemas de Guerra Electrónica.• Ingeniería e integración de sistemas de vigilancia y de

mando y control.

INDRA www.indracompany.com

• Diseño y desarrollo de sensores de radiofrecuencia.• Diseño y desarrollo de sensores en bandas milimétricas.• Diseño y desarrollo de sensores electroópticos.• Diseño y desarrollo de procesadores de señal y/o unidades

de presentación.• Diseño y desarrollo de sistemas de mando y control.• Diseño y desarrollo de sistemas de Guerra Electrónica.• Diseño y desarrollo de componentes de sensores de

radiofrecuencia.• Diseño y desarrollo de componentes de sensores en

bandas milimétricas.• Diseño y desarrollo de componentes de sensores

electroópticos.• Ingeniería e integración de sistemas de vigilancia y de


INSA www.insa.es• Diseño y desarrollo de sistemas de mando y control.• Ingeniería e integración de sistemas de vigilancia y de

mando y control.

ISDEFE www.isdefe.es• Ingeniería e integración de sistemas de vigilancia y de

mando y contro.• Ingeniería e integración de sistemas de Guerra Electrónica.

KRONOTEC www.kronotec.es • Ingeniería e integración de sistemas de vigilancia y demando y control.

MIER COMUNI-CACIONES www.mier.es • Diseño y desarrollo de sensores de radiofrecuencia.

NAVANTIA www.navantia.es

• Diseño y desarrollo de sensores electroópticos.• Diseño y desarrollo de sistemas de mando y control.• Ingeniería e integración de sistemas de vigilancia y de


NÚCLEO www.nucleocc.com



ROHDE &SCHWARZ(en

España)

www2.rohde-schwarz.com


• Ingeniería e integración de sistemas de Guerra Electrónica.



169



RYMSA www.rymsa.com • Diseño y desarrollo de componentes de sensores de radiofrecuencia

SAES www.electronica-sub-marina.com


SAINSEL www.sainsel.es • Ingeniería e integración de sistemas de vigilancia y demando y control.

SENER www.sener.es



• Diseño y desarrollo de componentes de sensores electroópticos.

SIEMENS(enEspaña) www.siemens.com • Ingeniería e integración de sistemas de vigilancia y de

mando y control.

SIMAVE www.simave.es• Ingeniería e integración de sistemas de vigilancia y de


TECNOBIT www.tecnobit.es

• Diseño y desarrollo de sensores electroópticos.• Diseño y desarrollo de componentes de sensores

electroópticos.• Diseño y desarrollo de procesadores de señal y/o unidades

de presentación.• Diseño y desarrollo de sistemas de mando y control.• Ingeniería e integración de sistemas de vigilancia y de

mando y control.

THALES (enEspaña)

THALES ALENIASPACE ESPAÑA

www.thalesgroup.com

• Diseño y desarrollo de sensores de radiofrecuencia.• Diseño y desarrollo de sistemas de mando y control.• Ingeniería e integración de sistemas de vigilancia y de

mando y control.

TTI www.ttinorte.es • Diseño y desarrollo de componentes de sensores de radiofrecuencia.

XSAT www.xsat.es • Diseño y desarrollo de componentes de sensores de radiofrecuencia.



A.2. Grupos de investigación españoles en Universidades y organismospúblicos de investigación con actividades en el ámbito de los sensores elec-tromagnéticos

170

UNIVERSIDAD/OPI

NOMBRE DEL GRUPO DEI+D y WEB DEL GRUPO

PRINCIPALES TECNOLOGÍAS DISPONIBLES PARA DESARROLLO E INTEGRACIÓN DE SENSORES

ELECTROMAGNÉTICOS (*)

Consejo Superiorde

InvestigacionesCientíficas

Departamento deSistemas. Instituto de

AutomáticaIndustrial.www.iai.csic.es

• Diseño y desarrollo de sensores electroópticos.• Diseño y desarrollo de procesadores de señal y/o

unidades de presentación.• Diseño y desarrollo de componentes de sensores


mando y control.

Consejo Superiorde


Instituto deMicroelectrónica de

Madridwww.imm.cnm.csic.es


Consejo Superiorde


Instituto de Óptica “Dazade Valdés”

www.io.csic.es


Fundación TEKNIKER

Área de Sensoreswww.tekniker.es

• Diseño y desarrollo de sensores electroópticos.

Instituto deMicroelectrónicade Barcelona-

Consejo Superiorde


Grupo de TransductoresQuímicos

gtq.imb-cnm.csic.es


InstitutoTecnológico de la

Marañosa.Ministerio de

Defensa

Área de TecnologíaElectrónica

Área de TecnologíaOptrónica y Acústica

www.mde.es/areasTematicas/investigacionDesarrollo/centros/la-maranosa

• Diseño y desarrollo de sensores de radiofrecuencia.• Diseño y desarrollo de sensores electroópticos.• Diseño y desarrollo de procesadores de señal y/o unida-

des de presentación.• Diseño y desarrollo de sistemas de mando y control.• Diseño y desarrollo de sistemas de Guerra Electrónica.• Diseño y desarrollo de componentes de sensores de

radiofrecuencia.• Diseño y desarrollo de componentes de sensores


mando y control.• Ingeniería e integración de sistemas de Guerra

Electrónica.

(*) Fuentes: Ministerio de Defensa, Fundación Círculo de Tecnologías para la Defensa y la Seguridad ypáginas web de las universidades.


171

UNIVERSIDAD/OPI




INTA www.inta.es

• Diseño y desarrollo de sensores de radiofrecuencia.• Diseño y desarrollo de sensores en bandas milimétricas.• Diseño y desarrollo de sensores electroópticos.• Diseño y desarrollo de procesadores de señal y/o

unidades de presentación.• Diseño y desarrollo de sistemas de mando y control.• Diseño y desarrollo de sistemas de Guerra Electrónica.• Diseño y desarrollo de componentes de sensores de




mando y control.• Ingeniería e integración de sistemas de Guerra

Electrónica.

UniversidadAutónoma de

Barcelona

Centro de Visión porComputador

www.cvc.uab.es

• Diseño y desarrollo de procesadores de señal y/o unidades de presentación.


Madrid

Laboratorio deMicroelectrónicamicro.fa.uam.es



Madrid

Tratamiento de Voz ySeñales (ATVS)atvs.ii.uam.es



Madrid

Video Processing &Understanding Lab

(VPU-Lab)www-vpu.ii.uam.es


UniversidadCarlos III de

Madrid

Grupo de Displays yAplicaciones Fotónicas

www.uc3m.es/portal/page/portal/grupos_investi-gacion/grupo_displays_a

plicaciones_fotonicas



Madrid

Grupo de Radiofrecuenciawww.tsc.uc3m.es

• Diseño y desarrollo de componentes de sensores deradiofrecuencia.

• Diseño y desarrollo de componentes de sensores enbandas milimétricas.


Madrid

Grupo de Tratamiento de Señal

www.tsc.uc3m.es




172

UNIVERSIDAD/OPI





Madrid

Laboratorio de SensoresTeledetección e Imagenen el Infrarrojo (LIR)

lir.uc3m.es



Madrid

Laboratorio de SistemasInteligentes

www.uc3m.es/portal/page/portal/dpto_ing_siste-

mas_automatica


UniversidadComplutense de

Madrid

Grupo de CoherenciaCuántica

ww.ucm.es/info/laserlab



Madrid

Grupo Complutense deÓptica Aplicada

www.ucm.es/info/aocg



Madrid

Laboratorio de FotoquímicaAplicada y Grupo de

Sensores Ópticoswww.ucm.es/info/gsolfa


Universidad deAlcalá deHenares

Grupo deElectromagnetismo

Computacionalwww.uah.es/investiga-

cion/



Grupo de IngenieríaElectrónica Aplicada aEspacios Inteligentes www.geintra-uah.org



Grupo de IngenieríaFotónica



Grupo de Tecnologías deAlta Frecuencia

agamenon.tsc.uah.es/Investigacion/taf



Universidad deBarcelona

Grupo de Sistemas paraInstrumentación yComunicaciones

www.ub.edu/web/ub/es/recerca_innovacio/recer-

ca_a_la_UB/grups/fitxa/S/SISINCOM





173

UNIVERSIDAD/OPI




Universidad deCantabria

Grupo de Microondas ySistemas de

Radiocomunicaciónwww.unican.es/Departam

entos/dicom/Investigacion/grupos_idi



Grupo de RF yMicroondas

www.unican.es/Departamentos/dicom/

Investigacion/grupos_idi



Grupo deElectromagnetismo

grupos.unican.es/electro-magnetismo/principal.htm



Grupo de Ingeniería deSistemas, Antenas y

Radiopropagaciónwww.unican.es/Departam

entos/dicom/Investigacion/grupos_idi



Grupo de IngenieríaFotónica

www.teisa.unican.es/gif


Universidad deGranada

Sistemas, Señales yOndas

fisicaaplicada.ugr.es/pages/investigacion


Universidad deGranada

Visión por Computadordecsai.ugr.es/cvg


Universidad delas Islas Baleares

– ConsejoSuperior de


Instituto de FísicaInterdisciplinar y

Sistemas Complejosifisc.uib-csic.es


Universidad delas Palmas deGran Canaria

IDETIC. División deIngeniería de

Comunicacioneswww.idetic.eu




Universidad deOviedo

Grupo de óptica integraday optoelectrónicawww.uniovi.es




174

UNIVERSIDAD/OPI





Grupo de Teoría de laSeñal y Comunicacionesgrupos.uniovi.es/web/

tscuniovi




Teoría de la Señal yComunicación

156.35.33.118/web/tscuniovi/investigacion



Universidad deSevilla

Microondasgrupo.us.es/gmicronda


Universidad deSevilla

Robótica, Visión y Controlwww.esi2.us.es/ISA/

GAR/GVR



Universidad deValencia

Laboratorio de FibrasÓpticas

www.uv.es/fops


Universidad deVigo

Grupo de Radiación yPropagación

www.grp.tsc.uvigo.es


Universidad deVigo

Grupo de Antenas, Radary Comunicaciones Ópticas

com.uvigo.es

• Diseño y desarrollo de sensores de radiofrecuencia.• Diseño y desarrollo de componentes de sensores de



electroópticos.

Universidad deVigo

Grupo de Sistemas Radiowww.sistemasradio.com


Universidad deZaragoza

Grupo de TecnologíasFotónicas

webuz.unizar.es/departa-mentos/fisica_aplicada/gr

upos_investigacion/gtf



Grupo de Visión, Color yFotometría

http://www.unizar.es/departamentos/fisica_aplica-

da/grupos_investigacion/vcf




175

UNIVERSIDAD/OPI





Grupo de Visión porComputador y Redes

Neuronales diec.unizar.es/~gvc


Universidad delPaís Vasco

Grupo de FotónicaAplicada

www.det.ehu.es


Universidad delPaís Vasco

Grupo de Radiofrecuenciay Microondas

www.det.ehu.es


UniversidadMiguel

Hernández deElche

Grupo de Sistemas deRadiofrecuencia

www.umh.es/registro_grupo_inv/


UniversidadPolitécnica de

Cartagena

Grupo de Ingeniería deMicroondas,

Radiocomunicaciones yElectromagnetismo

(GIMRE)www.gimre.upct.es



Cataluña

ANTENNALAB - Grupo deAntenas y Sistemas

Radiowww.tsc.upc.es/es/inici/organization/grupos-de-

investigacion.html



Cataluña

Arquitecturas HardwareAvanzadas

www-eel.upc.es/aha



Cataluña

Centre Tecnològic deTelecomunicacions de

Catalunya (CTTC)www.cttc.es



Cataluña

GPI - Grupo deProcesado de Imagen y

Vídeo gps-tsc.upc.es/imatge



Cataluña

Grupo de IngenieríaElectromagnética i

Fotónicawww.tsc.upc.es/es/inici/organization/grupos-de-

investigacion.html

• Diseño y desarrollo de sensores de radiofrecuencia.• Diseño y desarrollo de sensores electroópticos.• Diseño y desarrollo de componentes de sensores de

radiofrecuencia.• Diseño y desarrollo de componentes de sensores

electroópticos.



176

UNIVERSIDAD/OPI





Cataluña

IFCO. Institut de cienciesfotóniques

www.icfo.es



Cataluña

RF&MW - Grupo deInvestigación de siste-

mas, dispositivos ymateriales de RF y

microondaswww.tsc.upc.es/es/inici/organization/grupos-de-

investigacion.html



Cataluña

RSLAB - Grupo deInvestigación en

Teledetecciónwww.tsc.upc.es/es/inici/organization/grupos-de-

investigacion.html

• Diseño y desarrollo de sensores de radiofrecuencia.• Diseño y desarrollo de sensores electroópticos.• Diseño y desarrollo de procesadores de señal y/o

unidades de presentación.


Cataluña y otrasinstituciones

Instituto de CienciasFotónicas

www.icfo.es



Madrid

Diemag: Desarrollo eInvestigación

Electromagnética

• Diseño y desarrollo De componentes de sensores deradiofrecuencia.


Madrid

ElectromagnetismoComputacional Aplicado a

Antenas y Microondas(ECAM)




Madrid

Grupo de Aplicaciones deTecnologías Visualeswww.gatv.ssr.upm.es



Madrid

Grupo de Aplicacionesdel Procesado de Señalwww.gaps.ssr.upm.es

• Diseño y desarrollo de sistemas de Guerra Electrónica.• Diseño y desarrollo de procesadores de señal y/o

unidades de presentación.


Madrid

Grupo de FotónicaAplicada

www.tfo.upm.es




177

UNIVERSIDAD/OPI





Madrid

Grupo de Microondas yRadar

www.gmr.ssr.upm.es

• Diseño y desarrollo de sensores de radiofrecuencia.• Diseño y desarrollo de sensores en bandas milimétricas.• Diseño y desarrollo de sistemas de Guerra Electrónica.• Diseño y desarrollo de procesadores de señal y/o

unidades de presentación.• Diseño y desarrollo de componentes de sensores de


bandas milimétricas.


Madrid

Grupo de Procesado deDatos y Simulación

www.grpss.ssr.upm.es



Madrid

Grupo de Radiaciónwww.gr.ssr.upm.es

• Diseño y desarrollo de sensores de radiofrecuencia.• Diseño y desarrollo de componentes de sensores de




Madrid

Grupo de Robótica yCibernética

robcib.etsii.upm.es



Madrid

Grupo de Señal Fotónicawww.tfo.upm.es



Madrid

Grupo de Tratamiento deImágenes

www.gti.ssr.upm.es



Madrid

Grupo de Visión porComputador

disam.upm.es/vision/Computer Vision




Madrid

Instituto de SistemasOptoelectrónicos y

Microtecnologíawww.isom.upm.es





Valencia

Centro de TecnologíaNanofotónica

www.ntc.upv.es




178

UNIVERSIDAD/OPI





Valencia

Diversos grupos deinvestigación que

colaboran con ITACA Área de Microondas Área de Sistemas de

Control de Tráfico (SCT)Área de Radar y

Radiolocalización (A2R)www.itaca.upv.es







Valencia

Grupo de Aplicaciones delas Microondas – GAM

www.upv.es/contenidos/GAM




Valencia

Grupo deComunicaciones Ópticas – GCO

www.gco.upv.es

• Diseño y desarrollo de sensores de radiofrecuencia.• Diseño y desarrollo de componentes de sensores

electroópticos.


Valencia

Grupo de Optoelectrónicay Semiconductores

http://www.upv.es/gops



Valencia

Grupo de RadiaciónElectromagnética – GRE

www.gre.upv.es


UniversidadPública deNavarra

Comunicación, señales ymicroondas

www.csm.unavarra.es



UniversidadPública deNavarra

Grupo de Antenasantenas.unavarra.es

• Diseño y desarrollo de sensores de radiofrecuencia.• Diseño y desarrollo de sensores en bandas milimétricas.• Diseño y desarrollo de componentes de sensores de



Universidad ReyJuan Carlos de

Madrid

Dpto. de Teoría de laSeñal y Comunicaciones

www.tsc.urjc.es




REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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181



Documents

Sensores electromagnéticos: los