Como Funciona o Radar nas Estradas (ART2427)

De que modo os policiais podem saber exatamente em que velocidade você estava numa estrada usando ondas de rádio de altíssima frequência? O RADAR, equipamento utilizado para esta finalidade também é encontrado em aplicações muito mais sofisticadas como o controle aéreo ou a detecção de inimigos. Veja neste artigo como funciona este equipamento de grande utilidade.

Obs. O artigo é de 1986, mas o princípio básico dos radares atuais é o mesmo, havendo apenas recursos mais sofisticados que a eletrônica moderna permite usar.

 

Se levarmos em conta a própria natureza, veremos que o Radar não consiste em novidade, fruto apenas da imaginação humana.

Animais bem conhecidos já empregam um sistema semelhante de detecção em proveito próprio, sem necessitarem de circuitos eletrônicos ou dispositivos semelhantes.

Falamos do morcego, que pode voar em escuridão total sem colidir com qualquer obstáculo, detectando sua presença por meio de um sofisticado sistema de orientação cujo princípio de funcionamento é o mesmo que hoje empregamos nos modernos Radares e nos Sonares.

O que o morcego possui, na realidade, é um Sonar, pois se baseia em ondas de som, e não de rádio, mas se entendermos seu funcionamento, será fácil transpor as explicações para os equipamentos de Radar.

Os morcegos podem emitir sons de curta duração e de elevadíssima frequência, acima de 40 kHz, os quais, pelo seu pequeno comprimento de onda, podem refletir com facilidade em objetos que estejam em seu caminho.

O sistema de audição é extremamente sensível a ponto de poder perceber estes fracos ecos devidos aos objetos, e, além disso, determinar sua direção.

O tamanho mínimo do objeto que pode ser detectado pelo eco depende de seu tamanho.

Se o objeto for muito menor que o comprimento da onda emitida, ela o contorna e não há eco para ser percebido. (figura 1)

 

Figura 1 – O sistema de sonar do morcego
Figura 1 – O sistema de sonar do morcego

 

Na prática revela-se que não é possível detectar um objeto se ele for menor que 1/10 do comprimento da onda usada.

 

Figura 2 – Objetos menores que o comprimento de onda não são detectados
Figura 2 – Objetos menores que o comprimento de onda não são detectados

 

Experimentos com morcegos numa jaula contendo diversas grades com barras finas, revelam que eles as contornam com facilidade desde que estas sejam mais grossas que 1/10 do comprimento da onda que emitem.

Se forem mais finas, elas começam a bater com frequência, numa revelação de que seu sistema de sonar não funciona (figura 3).

 

Figura 3 – Experimentando o sonar do morcego
Figura 3 – Experimentando o sonar do morcego

 

Enfim, o Sonar usado pelos morcegos consiste num sistema de orientação que permite a detecção de objetos pelo reflexo de onda sonora.

O próprio morcego se encarrega de emitir esta onda, na forma de gritos ultrassônicos de curta duração.

Seus aguçados ouvidos formam o sistema de "antenas" capaz de receber o eco de objetos, analisando sua natureza e até seu movimento.

Sistema semelhante de Sonar é usado em embarcações, como ilustra a figura 4, para detectar cardumes de peixes e até a profundidade do local.

 

Figura 4 – sonar em embarcações
Figura 4 – sonar em embarcações

 

 

História do Radar

O próprio Heirich Hertz, que havia descoberto as ondas de rádio, no século passado, sugeriu que elas poderiam ser usadas na detecção de objetos à distância.

Em seus experimentos, ele verificou que as ondas curtas produzidas por seu equipamento, numa frequência equivalente a 500 MHz, refletiam em diversos tipos de objetos.

O comprimento correspondente a esta frequência é 60 cm, o que nos dá uma ideia do tamanho mínimo das coisas que poderiam ser detectadas.

Em 1903 um pesquisador dinamarquês, chamado Christian Hueslmeyer, fez experiências com a detecção de ondas de rádio, que eram refletidas por grandes objetos, no caso navios.

Marconi dizia, na mesma época, que as ondas de rádio poderiam ser usadas no auxílio ã navegação, mal suspeitando que algum tempo depois elas seriam indispensáveis!

O principal desenvolvimento que levou ao Radar como o conhecemos foi devido a dois pesquisadores americanos Gregory Briet e Merle Tuve que estavam preocupados em estudar os mistérios da alta atmosfera incluindo a propagação das ondas de rádio e a detecção de tempestades.

Estes cientistas desenvolveram um método de enviar um pulso de curta duração a partir de um transmissor e receber depois um eventual eco.

 

Figura 5 – Estrutura básica de um radar
Figura 5 – Estrutura básica de um radar

 

 

Estudando o eco eles pensavam em determinar a distância em que ocorria na alta atmosfera a reflexão das ondas.

 

Problemas de potência

Produzir um pulso de ondas de rádio e esperar por um eco: eis o princípio básico do Radar.

No entanto, por simples que pareça, as dificuldades técnicas eram muitas e são,para os que pretendem um dia montar um sistema “caseiro".

Obs. Hoje em dia a tecnologia já permite obter sonares pequenos e baratos que são usados em robôs.

O principal problema refere-se à potência do pulso que deve ser produzido ligado ao comprimento da onda.

Conforme já demos a entender, o comprimento da onda deve ser muito pequeno, o que implica numa frequência muito alta, se quisermos detectar objetos de razoáveis dimensões.

Por outro lado, a potência precisa ser alta, para que tenhamos num objeto de pequenas dimensões, ou que esteja muito longe, uma quantidade de energia refletida que possa ser detectada com facilidade.

Em suma, quanto maior a potência, mais eco teremos e mais fácil será a detecção do objeto.

Nas fases iniciais em que se pensava em desenvolver um sistema eficiente de detecção a distância por ondas de radar, não haviam dispositivos capazes de produzir ondas de rádio de altas frequências, como as exigidas,com potências razoáveis.

O primeiro dispositivo prático capaz de produzir oscilações em altas frequências foi a válvula Magnetron, criada em 1921. (figura 6)

 

Figura 6 – A válvula magnetron
Figura 6 – A válvula magnetron

 

Seu nome deve-se ao fato de um feixe de elétrons se espiralar no campo magnético de um imã produzindo assim ondas de curtíssimo comprimento, na faixa de alguns centímetros.

Estas micro-ondas, entretanto não tinham muita potência, alguns miliwatts apenas, mas mesmo assim, os primeiros radares que usavam este tipo de componente podiam detectar um avião a 70 quilômetros de distância!

Até 1935 só existiam três maneiras de se gerar sinais de altas frequências para aplicações no Radar: a válvula magnetron, a válvula osciladora de Barkhausen e o sistema de centelhas.

Os próprios sinais gerados eram conduzidos até a antena por um único sistema: os fios condutores.

Mas, os avanços vieram: já em 1897 Lord Rayleígh havia dito que as ondas de rádio poderiam ser enviadas por "canalizações”.

Entretanto, isso não havia sido feito devido justamente à dificuldade em produzir essas ondas.

Foi entre 1936 e 1940 que o pesquisador Dr. Len Jen Chu, dos Estados Unidos, desenvolveu a teoria da "Guia de Onda" que permitiu a utilização prática deste dispositivo na condução de sinais de rádio.

Nesta mesma época, para ajudar o Dr. Hansen, em Stanford, provou que uma cavidade que ressoasse numa determinada frequência era equivalente a bobinas e capacitores, podendo gerar ou ser sintonizada como um circuito.

 

Figura 7 – as guias de onda
Figura 7 – as guias de onda

 

 

Mas, foi em 1937 que surgiu o dispositivo que daria maior avanço ao Radar: a válvula Klystron.

Este tipo de válvula podia produzir uma potência de 1 watts num comprimento de onda de 10 centímetros.

A aproximação da segunda guerra viria trazer novos avanços neste importante sistema de defesa.

Já nesta época,os Alemães aperfeiçoavam seu sistema, tendo inventado o tubo de raios catódicos, se bem que naquele país ainda não se conseguia ainda produzir sinais de micro-ondas de intensidade suficiente para detectar objetos a distância.

Os Nazistas, naquela época, já trabalhavam na ideia de um detector de objetos por ondas de rádio (Radar), baseados nas informações obtidas de espiões no Japão, Estados Unidos e Inglaterra, mas não avançaram muito neste campo (felizmente).

 

Figura 8 – Um radar
Figura 8 – Um radar

 

O avanço final veio com o desenvolvimento do Magnetron de Cavidade Ressonante.

Um grupo de cientistas ingleses dirigidos por M.L.H. Oliphant pegou o magnetron tradicional, e acrescentou uma série de cavidades ressonantes, descoberta recente então, conseguindo assim fazer com que esta válvula gerasse micro-ondas numa potência muito mais alta.

De fato, o primeiro Magnetron de Cavidade Ressonante já foi capaz de produzir 10 000 watts de potência num comprimento de onda de 10 cm!

Se bem que as aplicações de tais Radares em pouco tempo se voltassem totalmente para finalidades militares (detecção de aviões e navios), os experimentos iniciais foram feitos na detecção de veículos em movimentos, com a observação de que "um dia seriam usados nas rodovias como eficiente ajuda aos policiais!".

A partir daí o desenvolvimento mais importante em componentes para radares foi o Diodo Gunn.

Este semicondutor pode tanto gerar sinais de frequências altíssimas (micro-ondas) como detectá-los com muita facilidade.

Detectores de Radar, como o da figura 9 são comuns (e permitidos em alguns estados americanos) sendo instalados junto ao espelho retrovisor do carro.

 

Figura 9 – Detector de radar
Figura 9 – Detector de radar

 

Quando o sinal do radar da polícia atinge seu sensor, um alerta é disparado, dando tempo ao motorista para reduzir sua velocidade antes de entrar em seu campo de ação!

 

O Radar finalmente

Pelo que vimos,um sistema de Radar simplificado consiste num emissor de ondas de rádio e num receptor capaz de captar ecos de um possível obstáculo que entre em seu campo de ação.

O tipo mais simples de radar é o que emite impulsos de curta duração. (figura 10)

 

Figura 10 – Radar de pulsos
Figura 10 – Radar de pulsos

 

A mesma antena emissora pode ser usada para receber os ecos, já que o transmissor só fica ligado durante o curto intervalo em que ocorre a emissão.

Num display, como mostra a figura 11, podemos detectar exatamente a distância e posição de um objeto, pela posição da antena e tempo de retorno do sinal.

 

Figura 11 – A aparência do sinal no display
Figura 11 – A aparência do sinal no display

 

Outro tipo de radar é o de onda contínua (CW), em que o transmissor opera continuamente, e o receptor, que é ligado a outra antena, capta o eco.

Este tipo de radar, numa versão doméstica, pode ser usado para detectar intrusos. (figura 12)

 

Figura 12 – Radar detector de intrusos
Figura 12 – Radar detector de intrusos

 

As frequências utilizadas nos sistemas de Radar são separadas em Bandas, conforme mostra a tabela.

 


 

 

Veja que estas frequências são elevadíssimas, principalmente as que encontramos nos sistemas utilizados pela polícia rodoviária que estão na banda S e banda X de 8 200 MHz a 12 400 MHz ou de1700 a 2 400 MHz.

Por que uma frequência tão alta?

A necessidade de se detectar objetos em movimento e determinar sua velocidade é responsável pelo uso destas frequências.

A diferença de velocidade- entre a onda de rádio e o veículo em movimento é tão grande que exige que isso seja feito.

O Radar utilizado pela polícia consiste num tipo especial denominado Doppler, porque pode também acusar a velocidade do objeto detectado.

Vejamos como isso é feito.

 

O efeito Doppler e o Radar da Polícia

Imagine um veículo que se desloca em velocidade constante tocando sua buzina (que possui uma frequência fixa).

Quando o veículo se aproxima de uma pessoa, as ondas emitidas "se contraem" na direção do movimento, chegando em maior quantidade até seu ouvido. Nestas condições o som ouvido é mais agudo que o normal

Quando o veículo se afasta as ondas são "esticadas" chegando portanto em menor quantidade. O som ouvido é mais grave que o normal (figura 14)

 

Figura 14 – O efeito Doppler
Figura 14 – O efeito Doppler

 

Veja que a alteração é percebida instantaneamente quando o veículo passa diante da pessoa.

O importante é que esta alteração não se deve ao fato do som emitido sofrer modificações em si, pois o motorista do veículo não a percebe, mas sim devido ao fato da fonte que o emite estar em movimento.

Conhecendo a frequência do som alterado e do som original mais ainda, a velocidade do som, podemos facilmente calcular a velocidade do veículo.

Este efeito, denominado Doppler em homenagem ao seu descobridor, também se aplica às ondas de rádio e mesmo à luz.

No caso das ondas de rádio se emitirmos um sinal e ele se refletir num objeto em movimento, o eco tem a frequência alterada. (figura 15)

 

Figura 15 – Alteração da frequência pela velocidade
Figura 15 – Alteração da frequência pela velocidade

 

 

 

Esta frequência será aumentada se o objeto se aproximar da fonte emissora e diminuída se o objeto se afastar.

Neste caso também, se conhecermos a velocidade de propagação das ondas de rádio e a frequência da emissão, pela frequência do eco podemos determinar a velocidade do objeto.

Numa montagem sofisticada, o próprio equipamento já pode ser graduado para converter a frequência do sinal refletido diretamente em termos de velocidade e indo mais além, disparar um alarme, se ela superar um valor pré-determinado.

O radar de polícia opera justamente segundo este princípio.

Numa posição estratégica da estrada, o sistema é montado, emitindo seus sinais de modo que peguem o veículo de frente, pois o efeito exige isso para que a velocidade medida seja a real.

Se o sinal refletir numa trajetória oblíqua, teremos a medida de um componente da velocidade que depende do ângulo considerado, conforme sugere a figura 16.

 

Figura 16 – Trajetória oblíqua
Figura 16 – Trajetória oblíqua

 

O sinal refletido pelo veículo tem então sua frequência medida e comparada com a frequência do sinal emitido. Por este valor, tem-se a velocidade de deslocamento do veículo.

Um sistema automático pode avisar diretamente uma viatura,colocada a uma certa distância,que o veículo que passou estava em excesso de velocidade, sendo então parado.

Veja que, existem fatores que podem afetar a leitura de um sistema de radar deste tipo.

A presença de um objeto oscilante na estrutura do veículo, como por exemplo uma lâmina ou uma hélice, pode introduzir reflexões que têm sua frequência alterada por uma velocidade virtual.

Não seria exagero dizer que um velho "calhambeque" que carregue um ventilador em sua carroceria, a não mais de 40 quilômetros por hora, pelo movimento da hélice, pode levar o radar da polícia, para surpresa geral, registrar uns 180 quilômetros por hora ou mais!

E, aí para convencer o guarda que o Efeito Doppler também vale para objetos com velocidade virtual não será fácil.

 

No Brasil

No Brasil o uso do radar é bastante difundido nas principais rodovias, controlando o excesso de velocidade. No entanto, além da proibição dos detectores, também existe a dificuldade de sua montagem, poís há algum tempo, quando os radares foram introduzidos, houve uma tentativa de se industrializar kits e aparelhos montados. (1986)

Houve um impedimento com a proibição dos componentes básicos, os diodos Gunn, que infelizmente também afetou o hobista, o estudante e mesmo os pesquisadores, já que sem o componente, tiveram muitos outros projetos interessantes cortados.

 


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