Sensores de microondas: radar, radiómetros y LiDAR, funcionamiento y aplicaciones

Resumen

El documento explica el funcionamiento de los sensores de microondas y ópticos utilizados en teledetección: radar, radiómetros de microondas (pasivos) y LiDAR (activo). Describe los factores que influyen en la imagen radar, las diferencias entre LiDAR y RADAR, los tipos de detección LiDAR y varias aplicaciones de estas tecnologías.

Puntos clave

La imagen radar depende del ángulo de iluminación, la polarización, la constante dieléctrica, la rugosidad de la superficie y la profundidad de penetración.
Las ondas de radar penetran más en materiales con menor constante dieléctrica y se reflejan con mayor intensidad en los de mayor constante dieléctrica.
Los radiómetros de microondas son pasivos: miden la radiación emitida naturalmente, entre 6,8 y 90 GHz, y expresan el resultado como temperatura de brillo.
LiDAR funciona como un RADAR pero emite pulsos de luz polarizados mediante un láser pulsado y opera en óptica, no en RF.
Con el mismo tamaño de lente o antena, LiDAR ofrece haces más estrechos y mejor resolución espacial que el RADAR debido a su mayor frecuencia.
Existen dos tipos de detección LiDAR: incoherente (detección directa) y coherente (heterodina).

Ponte a prueba

Imagen Radar: Factores que Influyen

La imagen radar depende de varios factores:

Ángulo de iluminación: afecta la compresión de las pendientes iluminadas y la extensión de la pendiente sombreada.
Polarización de las ondas:
- Señal TX: la onda electromagnética (E) vibra en dirección horizontal, vertical, o en una combinación circular o elíptica.
- Ecos o señales reflejadas:
  - Paralelo: regresan en la misma dirección del pulso TX.
  - Ortogonal: se despolarizan después de golpear al objetivo.
Constante dieléctrica de los materiales: capacidad del material para retener una carga eléctrica.
- Las ondas de radar penetran más profundamente en materiales con menor constante dieléctrica (ε) y se reflejan con mayor intensidad en materiales con mayor ε.
- Distintos tipos de roca tienen pequeñas variaciones en ε.
Rugosidad de la superficie: irregularidades relacionadas con la textura u objetos de la superficie. La superficie se considerará plana o áspera dependiendo de:
- Altura de la irregularidad.
- Longitud de onda de la señal RADAR.
- Ángulo de incidencia.
- Banda radar.
Profundidad de penetración: aumenta con la longitud de onda (ondas cortas tienen mayor frecuencia, ondas grandes tienen menor frecuencia).

Radiómetros de Microondas (Pasivos)

Proporcionan información sobre la superficie de la Tierra, océanos y atmósfera al medir la radiación emitida por estos medios (debido a fenómenos naturales entre 6,8 y 90 GHz).

Intensidades de radiación relativa: las curvas tienen formas similares. Los objetos radiantes más cálidos producen mayor radiación.
Se mide la temperatura de brillo.
Poca resolución.
Aplicación en datos sobre el hielo en ambas regiones polares.

Sensores LiDAR (Activos)

Funcionan como un RADAR, pero emiten pulsos de luz polarizados. El transmisor es un láser pulsado y el receptor es un telescopio que recibe la señal de eco y la transmite a un fotodetector a través de un filtro óptico.

Puede medir:

Dirección.
Distancia.
Velocidad.
Rotación.
Composición química.
Concentración.

LiDAR vs. RADAR

Tienen fundamentos similares, pero operan en distintas frecuencias: LiDAR en óptica y RADAR en RF y microondas. Con el mismo tamaño de lente/antena, la frecuencia de LiDAR es mayor que la de RADAR, por lo que LiDAR proporciona anchos de haz más estrechos y una resolución espacial mejor que la del RADAR.

Tipos de Sensores

Incoherente (Detección Directa): convierte la señal óptica recibida en una señal eléctrica. El detector es un elemento fotosensible. Se requiere una sensibilidad muy alta y un nivel de ruido bajo.
Coherente (Heterodina): la señal óptica recibida se combina con un oscilador local de láser. Esta señal de frecuencia intermedia (IF) se filtra y se convierte en una señal eléctrica a la frecuencia heterodina.

Aplicaciones de los Sensores

Detección anticamuflaje.
Detección de minas y minas enterradas.
Detección de agentes químicos y otras sustancias atmosféricas (por ejemplo, el bombardero B2 tiene un sistema de alerta al piloto basado en esta tecnología).
Detección de gases tóxicos.
Espectro de absorción.
En el espacio: topografía y análisis de partículas de aire.
Estudios de vegetación: capacidad de penetración entre las copas de los árboles.
Profundidad del agua.
Algunas frecuencias generan fosforescencia en ciertos materiales.

Preguntas frecuentes

¿Qué diferencia hay entre LiDAR y RADAR?

Ambos tienen fundamentos similares, pero LiDAR opera en frecuencias ópticas y RADAR en radiofrecuencia y microondas. Por esa mayor frecuencia, LiDAR proporciona haces más estrechos y mejor resolución espacial con el mismo tamaño de lente o antena.

¿Qué es un radiómetro de microondas?

Es un sensor pasivo que mide la radiación emitida por la superficie terrestre, los océanos y la atmósfera, entre 6,8 y 90 GHz. Se expresa como temperatura de brillo y tiene poca resolución.

¿Qué factores influyen en la imagen radar?

Influyen el ángulo de iluminación, la polarización de las ondas, la constante dieléctrica de los materiales, la rugosidad de la superficie y la profundidad de penetración, que aumenta con la longitud de onda.