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Radar


  Biofísica

Os morcegos, mamíferos voadores cujo sentido da visão é muito atrofiado, se guiam na escuridão da noite com a ajuda de um sistema natural de radar, que lhes permite transpor obstáculos com grande habilidade. Para isso, eles emitem ultra-sons cujo eco, refletido nos objetos, fornece informações precisas sobre as dimensões e distâncias do ambiente que os cerca.
Radar é um dispositivo eletromagnético usado para detectar e localizar objetos a distância e sob condições que impedem o uso de instrumentos ópticos. Ele permite medir com precisão as distâncias a que estão localizados os objetos, suas dimensões, bem como sua velocidade e direção de deslocamento.

Características gerais. O termo radar é formado pelas iniciais da expressão radio detecting and ranging (detecção e localização por meio de ondas de rádio). Um sistema de radar opera transmitindo ondas eletromagnéticas, geralmente na freqüência das microondas, na direção de um objeto, e registrando as ondas por estes refletidas. Embora com pequenas variações, segundo sua finalidade, os equipamentos de radar têm a mesma constituição básica. Um transmissor capaz de produzir microondas é provido de antena direcional para a focalização das ondas na direção desejada; um aparelho receptor utiliza a mesma antena do transmissor.
Cada vez que um sinal é enviado, o transmissor é desligado durante uma fração de segundo, para permitir a percepção dos sinais refletidos pelo objeto. Para essa operação, existe um tipo especial de interruptor, que apaga momentaneamente o transmissor, ligando-o logo em seguida para enviar o sinal seguinte. Esse processo de interrupção repete-se cerca de mil vezes por segundo.
As propriedades das ondas captadas, ou ecos, são amplificadas e analisadas por um processador de sinais. O processador de sinais converte os sinais em informação utilizável por um operador humano ou por um dispositivo controlado pela unidade de radar, como canhões antiaéreos. Geralmente a informação sobre um objeto detectado -- por exemplo, distância, direção ou altitude -- é mostrada na tela de um tubo de raios catódicos, que fornece uma imagem semelhante a um mapa da área varrida pelo feixe do radar.
Os radares podem distinguir entre um tipo de objeto e outro -- como, por exemplo, um pássaro de um avião. Alguns sistemas são até mesmo capazes de distinguir diferentes classes de um mesmo objeto, como um avião comercial de um caça militar. Esse reconhecimento é possibilitado pela medição do tamanho e da velocidade do objeto e pela observação do objeto, em alta resolução, numa ou mais dimensões. Hélices ou motores a jato modificam a onda de radar refletida pela aeronave e podem ajudar no reconhecimento. Além disso, o bater das asas de aves durante o vôo produz uma modulação característica que pode ser usada para detectar a presença do animal e até mesmo para distinguir qual é o tipo de ave.

Tipos de radar. Existem vários tipos de sistemas de radar, diferenciados segundo o método de transmissão de sinais e o uso de propriedades das ondas refletidas. O tipo mais comumente usado é o radar de pulsos, que recebe esse nome porque o transmissor é regulado para enviar descargas ou pulsações eletromagnéticas com um intervalo relativamente longo entre os pulsos. O receptor capta as ondas refletidas pelos objetos mais próximos logo depois da transmissão do pulso, e pelos mais distantes, quase no final do intervalo entre os pulsos. Depois de transcorrido tempo suficiente para a recepção das ondas refletidas pelos objetos mais distantes, o transmissor envia outro pulso eletromagnético, e o ciclo se repete. O intervalo de tempo entre a transmissão de um sinal e a recepção de um eco se deve ao fato de as ondas de rádio viajarem à velocidade extremamente alta -- mas finita -- da luz (300.000km/s).
Outro tipo muito utilizado de radar é o de onda contínua. Nesse modelo, a antena transmite sinais de rádio continuamente. Como o eco contínuo produzido pelos sinais enviados não pode ser associado a uma parte específica da onda transmitida, não é possível obter informações sobre distância do objeto observado com esse tipo de radar.
O dispositivo pode ser usado, porém, para descobrir, com precisão, a velocidade do objeto, por meio da medição do efeito Doppler -- uma deformação da freqüência da onda transmitida, causada pelo movimento do objeto. Um sinal transmitido a uma freqüência específica é enviado por uma antena capaz de transmitir e receber sinais simultaneamente. Quando o sinal transmitido for interrompido por um objeto em movimento, o sinal refletido terá sua freqüência alterada.
Um modelo mais sofisticado de radar é o de freqüência modulada. Nesse dispositivo, marca-se cada porção do sinal de rádio transmitido, de forma a torná-lo reconhecível no momento da recepção. A marcação é feita pela alteração contínua da freqüência da onda transmitida. Quando um eco é captado, sua freqüência difere da freqüência do sinal enviado pelo transmissor no mesmo momento. Se a taxa de mudança de freqüência for conhecida, a diferença de freqüência pode ser interpretada como a distância do radar ao objeto.
Outro tipo de radar é o lidar, ou laser radar, que transmite feixes estreitos de raios laser no lugar das ondas de rádio. O lidar opera em freqüências muito altas, cem mil vezes maiores do que as usadas pelos radares convencionais. A maioria dos sistemas de detecção por ondas de rádio usa freqüências que variam entre alguns megahertz e quarenta gigahertz.

História. O desenvolvimento do radar começou com o trabalho do físico alemão Heinrich Rudolf Hertz. Na década de 1880, Hertz demonstrou que as ondas de rádio se comportam como se fossem ondas de luz, ou seja, podem ser refletidas por objetos, assim como a luz é refletida por um espelho.
O engenheiro alemão Christian Hülsmeyer foi o primeiro a aplicar as descobertas de Hertz. Em 1904, Hülsmeyer patenteou um sistema de navegação que usava os ecos produzidos por ondas de rádio. O aparelho despertou pouco interesse devido a suas grandes limitações. A possibilidade de usar o reflexo de sinais de rádio para detectar objetos só foi considerada depois que o engenheiro italiano Guglielmo Marconi elaborou seus princípios em 1922.
Na década de 1930, vários países, entre eles o Reino Unido, os Estados Unidos, a França, a Alemanha e o Japão, iniciaram pesquisas para produzir sistemas de radar capazes de detectar aviões e navios a grandes distâncias e sob baixas condições de visibilidade. Antes do início da segunda guerra mundial, o Reino Unido já possuía uma rede de estações de radar capaz de perceber a aproximação de aviões inimigos. No final de 1939, uma rede semelhante, chamada Freya, começou a ser implantada na Alemanha. Em poucos anos, os ingleses desenvolveram aparelhos de radar pequenos o bastante para serem instalados em aviões de caça. Ao mesmo tempo, nos Estados Unidos, eram criados equipamentos de radar capazes de controlar o disparo de canhões. Ao longo da segunda guerra mundial, o esforço conjunto de pesquisadores americanos e britânicos produziu equipamentos de radar de microondas de alta potência para uso militar.
Após a década de 1940, o desenvolvimento dos radares prosseguiu com o aperfeiçoamento dos componentes e circuitos, bem como com o uso crescente de dispositivos eletrônicos, como transistores e circuitos integrados. A aplicação de novos métodos de rastreamento e o emprego de computadores de alta velocidade para o processamento dos sinais também contribuíram de forma significativa para a eficiência e a confiabilidade dos equipamentos de radar.

Aplicações. Os avanços tecnológicos deram origem a um vasto campo de novas aplicações para o radar. Na área militar, transmissores de alta potência e receptores de grande sensibilidade possibilitaram a criação de uma rede de radares de alcance extremamente longo para detecção de mísseis balísticos intercontinentais. Nas últimas décadas do século XX, os Estados Unidos e o Canadá operavam em conjunto uma rede de radares conhecida como Spadats (iniciais de space detection and tracking system, que em português quer dizer "sistema de rastreio e detecção espacial"). A rede Spadats detecta e monitora os satélites artificiais postos em órbita ao redor da Terra.
Os radares também apresentam inúmeras aplicações civis. O equipamento tornou-se um importante elemento de segurança para a navegação aérea e marítima. Praticamente todos os grandes aeroportos contam com sistemas de radar de alta precisão para controlar e orientar o movimento de chegada e partida de aviões, de forma a evitar colisões. Com esses sistemas, os controladores de tráfego aéreo podem guiar os pilotos para um pouso seguro, mesmo quando as condições de visibilidade são ruins.
Grande número de embarcações, inclusive lanchas particulares e barcos pesqueiros, são equipados com unidades de radar para navegação costeira. Em muitos portos, sistemas de vigilância por radar foram instalados em terra firme para orientar os navios que se aproximam. O radar também é um instrumento muito útil para pesquisas astronômicas. Ele permite não só efetuar medidas mais exatas das distâncias, em relação aos sistemas ópticos de medição, como também estudar as características das superfícies dos planetas e satélites. Os astrônomos já empregaram radares para mapear a superfície da Lua, de Marte e de Vênus em detalhe.
A meteorologia é outro campo da ciência beneficiado pelo radar. Equipamentos de radar instalados no solo e em aviões ajudam a fazer previsões de tempo a curto prazo. Eles podem localizar e rastrear temporais que se aproximam, a centenas de quilômetros, captando os ecos de sinais de radar produzidos por gotas, cristais de gelo e granizo no interior das nuvens.
A contínua miniaturização dos circuitos e de equipamentos auxiliares permitiu projetar unidades portáteis de radar cada vez menores. Os equipamentos usados pela polícia para detectar veículos em alta velocidade são um exemplo desse tipo de dispositivo. Uma unidade ainda menor foi desenvolvida para ser empregada em bengalas para cegos.


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