¿Cómo funciona un radar? (1)

Ignacio Mártil

Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

Imagen tomada en la estación de radar de Douvres-La-Delivrande, Normandía, Francia. Conserva reconstruida lo que era una estación de radar completa de los años de la Segunda Guerra Mundial. En la imagen, la antena de un radar Würzburg Gigante

Recojo aquí un extracto del contenido del Apéndice A de mi libro "El Radar en la historia del siglo XX. Una de las armas decisivas de la Segunda Guerra Mundial".

En los próximos dos artículos voy a describir en términos muy cualitativo cómo funciona un radar moderno. Pare ello y como paso previo, en este primer texto analizo algunas propiedades de las ondas sonoras, que permitirán entender mejor el funcionamiento de un radar.

1. Propagación de ondas sonoras

El principio de funcionamiento del radar se basa en hacer incidir una onda electromagnética sobre un objeto donde se refleja para volver al emisor y, de ahí, deducir una serie de magnitudes del objeto sobre el que incidieron. Eso es muy similar a lo que ocurre cuando una onda sonora incide y se refleja en un objeto; dado que estas últimas nos resultan más familiares, voy a comenzar por describir qué sucede y cómo se comportan estas ondas.

Si se emite un sonido en dirección a un objeto que lo refleja, como por ejemplo las paredes de un cañón rocoso o una cueva, es posible escuchar el eco, es decir, el retorno al emisor de la onda sonora. Además, conociendo la velocidad del sonido en el aire y el tiempo que tardamos en escuchar el eco, se puede calcular la distancia a la que se encuentra el objeto, mediante una sencilla relación que liga esas magnitudes:

Donde:

v_s: Velocidad del sonido (340 m/s).

t: tiempo transcurrido entre la emisión de la onda y la llegada del eco.

R: distancia entre la fuente emisora y el objeto. En inglés a esta magnitud se la denomina rango. A lo largo del texto, he utilizado indistintamente rango, distancia o alcance para nombrar a este parámetro.

El factor 2 del denominador se debe a que el sonido recorre la distancia de la fuente al objeto dos veces, ida y vuelta. La figura lo ilustra.

Transmisión y reflexión de una onda sonora tras impactar y reflejarse en un objeto. En esencia, describe el principio de funcionamiento de un radar

2. Efecto Doppler

Otro efecto del comportamiento de las ondas sonoras con el que estamos familiarizados –aunque no sepamos ponerle nombre científico– es el denominado efecto Doppler, que debe su nombre al físico austríaco Christian Andreas Doppler. Este efecto ocurre cuando una onda sonora es reflejada en o generada por un objeto en movimiento. Su fundamento se explica recurriendo a un ejemplo familiar, observando el cambio en el tono del sonido de la sirena de una ambulancia cuando esta se acerca o aleja de un observador: cuando se acerca, el tono se hace más agudo; cuando se aleja, más grave. Ese cambio en el tono se debe a un cambio en la frecuencia con la que el observador escucha el tono de la onda sonora en ambos casos, como ilustra la figura.

Ilustración del efecto Doppler: la persona situada enfrente de la ambulancia (a la derecha) escucha un sonido de la sirena agudo, ya que se está acercando a él. La persona situada detrás de la ambulancia (a la izquierda) lo escucha más grave, al estarse alejando

Combinando la medida del tiempo que tarda en llegar el eco y el cambio en la frecuencia debido al efecto Doppler, es posible determinar tanto la distancia a la que se encuentra el objeto que refleja las ondas como su velocidad y si se acerca o aleja de nosotros. En efecto, supongamos que emitimos una onda sonora hacia un vehículo que se acerca o aleja de nosotros; parte de esta se reflejará en el vehículo, de manera que, midiendo el tiempo de retardo según la ecuación (1), determinamos la distancia del vehículo. Además, si el vehículo se acerca, las ondas reflejadas volverán “comprimidas” y su frecuencia será más alta que en el viaje de ida; si se aleja, las ondas volverán “expandidas” y su frecuencia será más baja que a la ida. Este cambio de frecuencia se utiliza para calcular la velocidad del objeto en movimiento. Este cambio de frecuencia se denomina en ocasiones "desplazamiento Doppler".

En los radares modernos, el efecto Doppler se utiliza para determinar la velocidad de un objeto en vuelo acercándose o alejándose del radar, al obtener de manera precisa la diferencia de frecuencia entre las ondas emitida por el radar y la recibida proveniente del objeto iluminado. Obviamente, esto solo es posible cuando el objeto iluminado se acerca o aleja del radar en la dirección perpendicular al plano de la antena emisora. Es un equipo más completo que el radar tradicional, ya que no solo mide distancia, altura y trayectoria del objeto, sino también su velocidad.

En el próximo artículo, entraré de lleno en las peculiaridades del funcionamiento de un radar moderno.