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O termo RADAR ("Radio Detection And Ranging") tem sido utilizado de forma genérica para classificar os sistemas que operam na faixa de frequência de micro-ondas e foram utilizados inicialmente para fins militares durante a Segunda Guerra Mundial e posteriormente para fins civis a partir da década de 1970. O sistema é capaz de operar independentemente da luz do dia...
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O QUE É O "RADAR" ?
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| Antena do radar SPS-49 2-D de busca aérea |
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A ORIGEM
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| Chain Home Low (CHL), radar de aviso aéreo antecipado da RAF na segunda guerra mundial |
Os trabalhos de Maxwell foram confirmados por Hertz em 1888, e, em 1904 o alemão Hulsmeyer patenteava uma invenção denominada “Método para informar ao observador a presença de objetos metálicos com ondas eletromagnéticas”. Mais tarde em 1922, Guglielmo Marconi apresentou um trabalho em que descrevia as possibilidades da rádio deteção usando a reflexão das ondas eletromagnéticas.
Na década de 1930, com as ameaças de guerra, houve um acentuado impulso nas pesquisas em torno do RADAR. A Inglaterra tomou a dianteira, ultrapassando os Estados Unidos e, em 1936, produzia um RADAR com alcance de 35 milhas náuticas.
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| O Radar alemão Freya da segunda guerra era muito mais avançado que o britânico Chain Home |
Em 1938, foi instalada na costa leste da Inglaterra uma cadeia de estações – radar, destinadas a detetar aviões inimigos e orientar as aeronaves de defesa aérea. Esse recurso possibilitou a vitória na “Batalha da Inglaterra”.
Em 1940, foi desenvolvida pela Universidade de Birmingham uma válvula capaz de produzir pulsos de elevada potência, trabalhando com comprimento de onda de 9 cm, criando assim o Magnetron (magnetrão), que tornou possível a construção de equipamentos RADAR de pequeno tamanho, para instalação a bordo de navios e aeronaves.
Após a 2ª Guerra Mundial, o RADAR, até então de uso exclusivamente militar, passou a ser empregue em outras atividades e a ser fabricado comercialmente, aumentando largamente as suas aplicações.
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| Radar de aviso aéreo antecipado na década de 1970 |
Portanto, o radar constitui hoje uma peça fundamental de vários sistemas relevantes para sociedade atual, desde a defesa militar, à segurança aérea, marítima e rodoviária, à gestão de recursos, entre outros.
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DADOS FORNECIDOS E TIPOS DE RADAR EXISTENTES
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As principais informações fornecidas pelo radar são a distância, a direção (marcação), a altitude e a velocidade de alvos acima do nivel do mar, no ar e em terra, ou até mesmo no espaço, caso o radar seja adequado. O seu transmissor emite periodicamente um conjunto de ondas (radar de pulso simples), denominado pulso, na direção em que está apontada a sua antena, que depois capta o eco dessas ondas eletromagnéticas quando refletidas nas superfícies dos objetos.
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| Sistema de radar de controlo de trafego aéreo SSR (Air Traffic Control - ATC) |
Polo contrário os radares de pulso contínuo (CWR, Continuous-Wave Radar) emitem um sinal de rádio contínuo. Esse tipo de radar requer duas antenas distintas, uma para o transmissor e outra para o receptor, para que o sinal emitido não interfira na leitura do sinal de retorno. A emissão de um sinal contínuo permite que esse radar distinga objetos parados de objetos em movimento, através da analise da diferença do sinal de resposta, causada pelo “efeito Doppler”porem este tipo de radar, é deficiente na detecção da posição exata de um alvo.
A antena do radar gira para que seja possível determinar a marcação do alvo, ou seja, sua direção. No instante em que a antena se alinha com esse alvo, pode percebê-lo pela receção do eco do pulso de ondas eletromagnéticas emitidas originalmente pelo radar.
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| Radar de pulso doppler AN/APG-68, Westinghouse, 1978 que equipa várias versões do caça polivalente F-16 |
O processo de medida da distância é praticamente instantâneo, pois essas ondas se propagam simplesmente na exorbitante velocidade da luz. Uma chave seletora dos circuitos do radar permite que a antena transmita e receba tais pulsos, bloqueando o recetor enquanto transmite e inibindo a transmissão enquanto recebe.
O radar de pulso doppler é um sistema de radar capaz de medir não só a direcção, a distância e altura de um objecto, mas também para detectar a sua velocidade. O seu sistema de localização baseia-se na emissão de sequências de impulsos numa determinada frequência usando o efeito Doppler do sinal de retorno (eco) para determinar a velocidade relativa dos objectos. Este tipo de radar, usado pela primeira vez da década de 1960 em aeronaves de combate, combina as características de radares de pulso simples e radares de pulso contínuo , que anteriormente estavam separados, devido à complexidade da respectiva eletrónica.
As técnicas de pulso Doppler encontram hoje uso generalizado em radares meteorológicos, permitindo determinar a velocidade do vento a partir da velocidade de qualquer precipitação no ar. É também a base do radar de abertura sintética (SAR) usada na astronomia por radar, deteção remota e cartografia. São usados no controle de tráfego aéreo, na vigilância de tráfego terrestre (vulgares radares de velocidade) para além de algumas aplicações na área da saúde, para fins de enfermagem ou clínicos.
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| Radar multimodo AESA (Active Electronically Scanned Array), APG-80 num F-16F Block 60 |
UTILIZAÇÕES DO RADAR
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A região espectral de operação dos equipamentos de radar permite a transmissão das ondas eletromagnéticas(*) na atmosfera independente da iluminação solar, ou das condições atmosféricas, podendo assim gerar imagens sob as condições mais adversas.
Por outro lado a capacidade de penetração das ondas eletromagnéticas permite obter imagens de superfícies ou áreas não observáveis ao espectro da luz visível, por estarem por exemplo cobertas por vegetação..
A transmissão das ondas eletromagnéticas por um meio é diretamente proporcional ao comprimento de onda, desta forma quanto menor a frequência do radar maior será a sua penetração.
A extensão da penetração depende da humidade, da densidade da vegetação, bem como do comprimento de onda. Assim comprimento de ondas menores interagem com as camadas superficiais da vegetação e os comprimentos de onda mais longos com as camadas inferiores da vegetação, podendo em alguns casos, até mesmo interagir com o solo ou mesmo com o subsolo.
Por sua vez, a combinação de imagens de radar com imagens do espectro ótico permite uma maior compreensão dos alvos por inferir diferentes propriedades dos mesmos.
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SISTEMAS DE RADAR E SUA FUNÇÃO
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Os radares normalmente instalados nos sistemas de controlo de tráfego aéreo, nas aeronaves e navios usados para orientação, deteção e seguimentos de alvos sob quaisquer condições meteorológicas são utilizados para medir distâncias, velocidades e ângulos relativos de posicionamento, podendo detetar e seguir, mas não reconhecer, objetos específicos. Estes sistemas podem ser classificados de acordo com a sua função em:
Radar de busca de superfície, destinado a detetar alvos de superfície e determinar com precisão suas distâncias e marcações. As ondas eletromagnéticas são emitidas na direção da superfície do mar e, por isso, o Radar de Busca de Superfície é capaz de detetar não só embarcações, mas também aeronaves voando em baixa altitude. Alem disso, o Radar de Busca de Superfície pode, também, fornecer informações para navegação e ser usado em cenários militares terrestres para busca de alvos para sistemas de artilharia de campo.
Radar de busca aérea, cujas funções principais são detetar alvos aéreos e determinar suas distâncias e marcações, a longa distância, pela manutenção de uma busca de 360° em torno do emissor, até altitudes elevadas. Suas ondas eletromagnéticas são emitidas de modo a detetar alvos aéreos voando em altitudes médias e elevadas. Os Radares de Busca Aérea são de alta potência, maior do que a dos Radares de Busca de Superfície, para permitir a deteção de alvos pequenos a grandes distâncias, a fim de possibilitar alarme antecipado e garantir um tempo de reação adequado.
Radar de busca combinada, que pode comportar-se ora como sendo de busca de superfície e ora como sendo de busca aérea.
Radar determinador de altitude (“Three–Coordinate radar” ou “Height–Finding radar”), cuja função principal é determinar com precisão a distância, a marcação e a altitude de alvos aéreos detetados pelo Radar de Busca Aérea. Por isso, os radares determinadores de altitude também são conhecidos como radar 3–D. Estes radares também podem ser usados pelos controladores aéreos para determinar o vetor de deslocação de aeronaves, ou nos sistemas de defesa aérea durante interceção de alvos aéreos inimigos.
Radar de direção e controlo de tiro, cujas principais funções são a aquisição de alvos originalmente detetados e designados pelos radares de busca, e a determinação de marcações e distâncias dos referidos alvos, com elevado grau de precisão. Alguns Radares de Direção de Tiro são usados para dirigir canhões, enquanto outros são empregues para dirigir mísseis. Uma vez um alvo adquirido pelo Radar de Direção de Tiro, os seus movimentos passam a ser automaticamente acompanhados.
Radar de aproximação de aeronaves, instalado em aeródromos para orientar o pouso de aeronaves, especialmente em condições de má visibilidade. Os Radares de Aproximação têm curto alcance e buscam apenas em um setor. São particularmente úteis para guiar a aterragem de aeronaves em porta-aviões em condições de má visibilidade .
Radar de navegação, cujas principais finalidades são a obtenção de linhas de posição (LDP) para determinar a posição do navio, na execução da navegação e na deteção e medição de distâncias e marcações para outras embarcações, a fim de evitar colisões no mar.
Radar de alerta, (RWR) sistema destinado a identificar a iluminação por radar inimigo e alertar para a sua presença. De operação passiva é um importante meio defensivo, principalmente para aeronaves.
Além destes, os navios e aeronaves militares, podem dispor de outros tipos de radar, tal como o radar de alerta aéreo antecipado, instalado em aeronaves AEW (“Airborne Early Warning”). As aeronaves AEW mais novas utilizam um único radar 3–D para executar tanto a busca, como a determinação de altitude de alvos. Os intercetores normalmente utilizam um único equipamento de radar, que combina a busca e direção de tiro, permitindo detetar aeronaves inimigas e possibilitar sua interceção e destruição.
Os navios mercantes e demais embarcações normalmente dispõem apenas de equipamentos radar destinados à navegação e ao acompanhamento de outros navios, de modo a evitar riscos de colisão. Nos navios de guerra menores, de classe abaixo de contratorpedeiro, muitas vezes um único radao de busca de superfície desempenha também as funções de radar de navegação.
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IMAGENS DE RADAR
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Para produzir uma imagem de radar, é necessário um tipo especial de sistema de radar. Uma imagem de radar é o resultado de uma interação entre a energia do sinal de radar e o objeto alvo na superfície da terra. A sua aparência depende quer da forma quer da textura do objeto existindo muitas diferenças entre a imagem obtida por radar e a imagem do mesmo objeto obtida por qualquer dispositivo ótico.
Os radares de imagem compreendem os radares de visão lateral de abertura real SLAR (Side-Looking Airborne Radar e os radares de visão lateral de abertura sintética SAR ( Synthetic Aperture Radar), uma forma avançada do radar aerotransportado de visão lateral (SLAR).
O SLAR possui uma antena que “ilumina” lateralmente os alvos com um feixe que é amplo verticalmente e estreito horizontalmente. A varredura de geração da imagem é produzida pelo próprio movimento da aeronave durante a passagem sobre a área a ser coberta. Este radar apresenta o inconveniente de possuir a resolução azimutal diretamente proporcional à distância entre a antena e o alvo, e inversamente proporcional ao comprimento de onda da antena utilizada no varrimento. Desta forma, para se obter uma melhor resolução azimutal, ou se diminuía a distância entre o radar e o alvo, ou se aumentava o comprimento da antena.
O Radar de Abertura Sintética (SAR), desenvolvido na década de 50, resolve os problemas do SLAR, uma vez que a resolução azimutal deste sistema independe da distância entre o radar e o alvo. O SAR fornece uma resolução espacial mais fina do que é possível com radares de feixe de varredura convencionais e normalmente é montado sobre uma plataforma em movimento como uma aeronave ou satélite. A sua utilização para uso civil iniciou-se na década de 1970, quando alguns programas foram realizados, utilizando-se imagens de radar obtidas a bordo de aeronaves.
A utilização de radar a nível orbital iniciou-se com o lançamento do SEASAT em 1978, e com base nos seus dados , a NASA iniciou o Programa SIR ("Shuttle Imaging Radar"), que consistiria numa série de voos de curta duração. Dentro deste programa foram lançados o SIR-A e o SIR-B em 1981 e 1984 e o SIR-C em 1994. Missões mais longas iniciaram-se com o lançamento do ALMAZ-1 em 1981, ALMAZ-2 em 1991, ERS-1 em 1991 e JERS-1 em 1992, ERS-2 em 1995 e o RADARSAT em 1995.
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OBTENÇÃO DE IMAGEM POR RADAR
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Os radares de imagem são geralmente instalados numa plataforma em movimento, aeronave ou satélite que se deslocam numa dada rota. Os sensores do radar transmitem micro-ondas em direção à área alvo e alguma desta energia transmitida é refletida novamente para os sensores onde é recebida como um eco do sinal original.
Os radares providenciam a sua própria fonte de energia para transmissão, são por isso conhecidos como um sistema ativo, podendo obter imagens de dia e de noite pois não depende da energia do sol para iluminar o alvo. Adicionalmente, a energia transmitida consegue penetrar nas nuvens, fumo e dependendo da frequência usada pelo radar a energia transmitida pode ser mais ou menos atenuada pela chuva.
Os radares foram desenvolvidos segundo quatro princípios tecnológicos:
- A possibilidade de uma antena transmitir um curto impulso eletromagnético numa direção precisa.
- A possibilidade de detetar também com grande precisão o eco fortemente atenuado proveniente do alvo.
- A capacidade de medir o tempo entre a transmissão e a receção e como tal a distância entre o alvo e o sensor.
- A capacidade de detetar vários alvos numa grande área com um feixe direcional.
- Um quinto princípio, a análise espectral de sinais de fase precisamente controlada, permite progressos fantásticos na aplicação dos quatro princípios físicos.
O espectro eletromagnético contém toda a gama de comprimentos de onda ou frequências. Os sensores óticos tradicionais detetam no espectro eletromagnético a radiação de luz visível e infravermelhos que foram refletidas num alvo. Os sensores de radar usam frequências mais baixas (maior comprimento de onda), frequências essas que se situam na região das micro-ondas (0.3GHz ate 300GHz).
As micro-ondas e as ondas óticas são sensíveis a diferentes características da superfície do alvo. As frequências óticas interagem com os materiais a um nível molecular e como tal tem uma resposta consoante as propriedades químicas do material de que é constituído o alvo. As frequências de radar interagem com o mesmo alvo a um nível estrutural macroscópico e respondem consoante as propriedades elétricas do alvo numa escala perto do comprimento de onda do radar. A informação contida numa imagem de radar vai ser então bem diferente daquela contida numa imagem ótica. E um pouco como estarmos a ver uma imagem de um som ou até ouvir uma imagem.
O radar forma a imagem ao enviar para cada ponto da imagem do alvo um impulso, guardando os ecos recebidos no tempo, para gerar uma linha de informação na direção de range.
Cada linha de informação é gerada em diferentes posições de azimute na direção de voo resultando num mapa em azimute e range da energia recebida pelo radar durante o tempo de aquisição.
A imagem de radar é por isso uma imagem em tons de cinzentos proporcionais à área efetiva do eco (backscater). Alvos que produzem grande atenuação irão aparecer como cinzento-escuro, enquanto alvos que produzem pouca atenuação aparecerão como cinzento mais claro.
A imagem gerada vai depender, entre muitas outras coisas, do alvo ser mais ou menos acidentado. As imagens de radar são constituídas por pixels que representam o coeficiente do alvo onde zonas mais escuras representam um baixo coeficiente, enquanto que zonas mais claras estão associadas a um coeficiente maior. A figura dá uma boa ideia dos diferentes tipos de imagem que se podem obter consoante o tipo de terreno observado. Superfícies planas dão origem a um baixo coeficiente, logo imagens mais escuras. Se o terreno for bastante acidentado o coeficiente é maior e então teremos uma imagem mais clara.
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APLICAÇÕES CIVIS, CIENTIFICAS E AMBIENTAIS
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Geologia:
- Análise de estruturas geológicas (fraturas, falhas, dobras e foliações); litotipos, geomorfologia (relevo e solos) e hidrografia para pesquisa de recursos minerais;
- Avaliação do potencial dos recursos hídricos superficiais e subterrâneos;
- Identificação de áreas para prospeção mineral.
Agricultura:
- Planeamento e monitorização agrícola;
- Identificação, mapeamento e fiscalização de culturas agrícolas;
- Determinação relativa da humidade de solos; eficiência de sistemas de irrigação.
Cartografia:
- Levantamento planimétrico (escalas 1:20.000 a 1:50.000);
- Levantamento altimétrico (interferometria).
Florestas:
- Gerenciamento e planeamento de florestas;
- Determinação de grandes classes de florestas;
- Identificação da ação de determinadas doenças;
- Mapeamento de desflorestamento;
- Identificação de áreas de corte seletivo;
- Estimativa de biomassa.
Gelo e neve:
- Mapeamento/classificação de gelo;
- Monitoramento de degelo-inundações.
Hidrologia:
- Gerenciamento e planeamento dos recursos hídricos;
- Deteção de umidade do solo;
- Interpretação de parâmetros hidrológicos: transmissividade, direção de fluxo, permeabilidade, vazão, etc;
Meio Ambiente:
- Planeamento e monitorização ambiental;
- Identificação, avaliação e monitorização de recursos hídricos e dos processos físicos do meio ambiente (assoreamentos, erosão, escorregamentos, etc);
- Identificação e análise da degradação causadas por mineração, deposição de resíduos, ação antrópica etc;
- Identificação, análise e monitorização de riscos ambientais.
Oceanografia:
- Monitorização do estado do mar, correntes, frentes de vento;
- Espectro de ondas para modelos numéricos de previsão
- Mapeamento de topografia submarina (condições específicas)
- Poluição marinha causada por derrames de óleo e filmes
- Detecção de barcos - pesca ilegal;
- Apoio para estabelecimento de rotas marítimas.
Uso da Terra:
- Planeamento do uso da terra;
- Classificação de solos;
- Classificação do uso da terra;
- Inventário, monitorização e planeamento;
- Padrões de irrigação/deficit hídrico;
- Salinização de solos.
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NOTAS
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O espectro eletromagnético é o intervalo completo de todas as possíveis frequências da radiação eletromagnética, que se estende desde frequências abaixo das frequências de baixa frequência até a radiação gama.
As ondas eletromagnéticas são normalmente descritas por qualquer uma das seguintes propriedades físicas: frequência (ƒ), comprimento de onda (λ), ou por energia (E). O comprimento de onda é inversamente proporcional à frequência da onda, a qual representa o números de períodos existentes por unidade de tempo. Desta forma, raios gama tem ondas de comprimentos do tamanho de frações do tamanho de um átomo, enquanto o comprimento de ondas no extremo oposto do espectro podem ser tão grandes quanto o universo. A energia é diretamente proporcional à frequência de onda, portanto os raios gama possuem a maior energia, enquanto ondas de rádio possuem energias extremamente baixas.
O espectro eletromagnético é objeto de estudo nas ciências como a Física e a Química (através da espectroscopia atraves da qual é possível estudar e caracterizar materiais) e o seu conhecimento gerou inúmeras aplicações que fazem parte do nosso quotidiano.
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FONTES
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- www.dpi.inpe.br
- Manuel João Bacelar Coimbra, “Radar de abertura sintética”
- www.operacoesmilitaresguia.blogspot.pt
- www.ESA.int
- www.radartutorial.eu
