RailSAR

El railSAR , también conocido como radar de apertura sintética de penetración de follaje de banda ultraancha (UWB FOPEN SAR), es un sistema de radar de impulsos de baja frecuencia guiado por riel que puede detectar y discernir objetos objetivo ocultos detrás del follaje. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Fue diseñado y desarrollado por el Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. (ARL) a principios de la década de 1990 para demostrar las capacidades de un SAR aerotransportado para la penetración de follaje y suelo . ^{[ 3 ]} Sin embargo, dado que realizar mediciones precisas y repetibles en una plataforma aerotransportada era a la vez un desafío y costoso, el railSAR se construyó en la azotea de un edificio de cuatro pisos dentro del complejo del Laboratorio de Investigación del Ejército a lo largo de una vía nivelada con láser de 104 metros. ^{[ 1 ] [ 4 ]}

En ese momento, el railSAR pertenecía a la categoría más alta de sistemas de radar UWB  , operando en una banda de 950 MHz de ancho, desde 40  MHz hasta 1  GHz, con una potencia de pulso de 2,5 megavatios. ^{[ 1 ] [ 3 ] [ 4 ]} Proporcionaba datos de radar totalmente polarimétricos y de alta resolución, y poseía un ancho de banda del 185 % en comparación con otros sistemas de radar que tenían menos del 25 % de ancho de banda. ^{[ 1 ] [ 5 ]}

Las aplicaciones de la tecnología railSAR abarcan desde usos militares, como la detección de minas terrestres y objetivos estacionarios ocultos con fines de reconocimiento , hasta usos comerciales, incluyendo la detección de cables y tuberías, mediciones de niveles freáticos de petróleo y agua, y remediación ambiental . ^{[ 6 ]}

El desarrollo del railSAR comenzó en 1988 como parte de un programa de investigación exploratoria que buscaba crear tecnología capaz de detectar objetivos camuflados u ocultos por árboles y vegetación. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Si bien los primeros esfuerzos enfrentaron desafíos considerables, los avances en la tecnología de convertidores analógico-digitales (A/D) , la tecnología de fuentes y la capacidad de procesamiento de señales permitieron a los investigadores del ARL producir un sistema viable y comprender mejor el radar de penetración terrestre y de vegetación. La atención se centró particularmente en analizar la fenomenología básica del radar de impulsos, especialmente los efectos de propagación de los objetivos, el ruido y los objetivos incrustados en el ruido. ^{[ 6 ]}

El railSAR contaba con cuatro antenas de bocina TEM lineales de 200 ohmios y 1,35 m (4,5 pies) de longitud, dos para transmisión y dos para recepción, montadas sobre un marco giratorio no conductor anclado a una placa articulada de estructura alveolar de aluminio y recubierta de espuma anecoica. Las dos antenas transmisoras tenían polarización lineal a ±45 grados, y las dos receptoras disponían de un preamplificador de bajo ruido y un protector de receptor con diodo PIN . El diseño de la antena fue desarrollado originalmente por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) . Una sección adicional de placa paralela con carga resistiva de 0,5 metros en el extremo radiante de las antenas mejoraba la pérdida de retorno a altas frecuencias al absorber parte de la energía en la apertura. Un transmisor de impulsos situado detrás del conjunto de antenas se encargaba de cargar y descargar la antena mediante una cápsula de láminas presurizada con hidrógeno para generar el pulso transmitido. ^{[ 1 ] [ 8 ]}

Un sistema programable basado en una matriz de puertas diseñado por ARL, conocido como circuito de temporización y control (T&C), proporcionaba señales de control a los transmisores y a los protectores de los receptores. También servía para reducir eficazmente la interferencia de otros transmisores, asegurándose al mismo tiempo de minimizar la interferencia a los receptores cercanos. Dos computadoras enviaban comandos GPIB (General Purpose Interface Bus) a los dos osciloscopios digitales Tektronix DSA602A para medir el tiempo entre el disparo y los flancos del reloj A/D y almacenar los datos en discos magnetoópticos regrabables. La computadora maestra controlaba el movimiento del carro sobre el que estaban montadas las antenas. ^{[ 1 ] [ 8 ]}

En 1995, el diseño del railSAR se incorporó al desarrollo del boomSAR con el fin de producir un radar móvil de alta relación señal-ruido . ^{[ 2 ] [ 9 ]} Para 2016, el railSAR se había trasladado de la azotea del edificio a una instalación interior y se le habían realizado varias reducciones de peso y rediseños. ^{[ 10 ]}

En general, los sistemas de radar penetran mejor la vegetación y el suelo con frecuencias más bajas , porque las longitudes de onda más largas pueden penetrar estructuras opacas más profundamente que las longitudes de onda más cortas. ^{[ 11 ] [ 12 ]} Pero a cambio de una mayor capacidad de penetración, las frecuencias más bajas proporcionan una menor resolución de imagen . ^{[ 11 ]}

El radar de banda ultraancha (UWB) puede superar esta limitación de resolución mediante la transmisión de pulsos extremadamente estrechos, de ahí el término "impulso", para obtener un ancho de banda suficientemente amplio. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} Sin embargo, la brevedad del pulso conlleva una reducción de la potencia pico, hasta el punto de que la potencia pico por frecuencia cae por debajo del umbral de los receptores selectivos de frecuencia. ^{[ 16 ]} Si bien la baja potencia dificulta la detección de la señal por parte de intrusos, la desventaja de esta compensación se manifiesta en un aumento significativo del coste de procesamiento. ^{[ 15 ] [ 17 ]} Para recibir de forma fiable una señal UWB con una potencia por frecuencia tan baja, el sistema de radar UWB debe exponerse al ruido mediante el uso de un receptor de alta frecuencia de muestreo , incorporar el promedio de la señal, lo que reduce la tasa de datos, o aumentar la potencia de transmisión de la señal, lo que genera interferencias para otros receptores. ^{[ 16 ]} Además, un ancho de banda mayor puede aumentar la probabilidad de falsas alarmas. ^{[ 15 ]}

Sin embargo, la combinación de baja frecuencia y alta resolución presente en los radares UWB demostró ser extremadamente deseable para la penetración en vegetación y terreno, donde el mayor ancho de banda presentó una clara ventaja sobre sus costos. ^{[ 15 ]} En un esfuerzo por alcanzar las frecuencias necesarias para una penetración adecuada, equilibrando al mismo tiempo los costos de procesamiento asociados con la banda ultraancha, el railSAR fue diseñado para identificar grupos de minas en áreas muy extensas en lugar de detectar cada mina individual oculta en el suelo y la vegetación. ^{[ 9 ]}

El railSAR se construyó inicialmente para apuntar hacia el norte sobre el estacionamiento norte del complejo ARL como su área objetivo, que estaba poblada principalmente por árboles de hoja caduca . ^{[ 1 ]} El sistema de radar requirió aproximadamente 80 horas para recopilar una apertura completa de datos polarimétricos de alta resolución. Su potencia máxima fue de 500  kW con una frecuencia de repetición de pulsos de 40  Hz, y la potencia transmitida promedio fue de aproximadamente 20  mW. La creación de la imagen de radar requirió que el railSAR limitara el procesamiento de Fourier a parches muy pequeños dentro del área de la imagen. ^{[ 4 ]}

A pesar de utilizar señales de baja frecuencia, el railSAR logró una alta resolución al desplazarse a lo largo del riel y transmitir y recibir señales de retorno en la dirección perpendicular a la línea de movimiento a lo largo del riel. ^{[ 6 ]} Durante las pruebas de análisis de rendimiento, el railSAR alcanzó una probabilidad de reconocimiento del 90 por ciento con una tasa de falsas alarmas relativamente baja. Un análisis más detallado reveló que las falsas alarmas individuales generalmente se activaban por objetos en las imágenes en lugar de por ruido aleatorio. ^{[ 4 ]}

• Banda ultraancha
• BoomSAR
• radar SIRE
• radar SAFIRE