jueves, 24 de abril de 2008

Cartografía


“La cartografía (del griego chartis = mapa y graphein = escrito) es la más científica de las artes y sin dudas la más artística de las ciencias” .La humanidad ha podido inventado tres grandes formas de comunicación que son: el idioma, la música y los mapas. Pero de todas estas la más antigua de las tres es la cartografía.

La cartografía es la ciencia que trata de la representación del planeta Tierra sobre un plano al cual se le llama mapa. Al tener la Tierra una forma esférica ha de valerse de un sistema de proyecciones para poder pasar de la esfera a un plano.

El problema es aún mayor, porque en realidad la forma de la Tierra no es lo que se puede decir una forma totalmente esférica, su forma es más achatada en los polos que en toda la zona ecuatorial a esta figura se le ha denominado una forma geoide.

Pero además de representar todos y cada uno de los contornos de las cosas, las superficies y los ángulos también se ocupa de representar la información que aparece sobre el mapa, según se considere qué es lo relevante y lo que no. Esto, normalmente, depende de lo que se quiera representar en el mapa y de la escala que se quiera definir.

Como surge la cartografía

La Ciudad de Buenos Aires es una de las precursoras de este tipo de herramientas como la cartografía de información geográfica, y actualmente cuenta con un sitio de dominio público en donde se brinda dicho programa en una forma simplificada para realizar consultas desde un ordenador. La Mapoteca Virtual del Ministerio de Relaciones Exteriores del Perú, pionera en su género en América Latina, muestra una gran magnífica colección de los más representativos mapas históricos del Perú y de América del Sur, además muchas de las imágenes pueden ser vistas a una gran resolución a través de un visualizador muy sencillo de utilizar.

El saber geográfico, como en la cartografía seguramente es igual de antiguo como la vida reflexiva del hombre. Este siempre se ha demostrado dispuesto para recordar, calificar, nominar y, también, representar gráficamente los lugares que visita.

La difusión de la literatura geográfica en la cartografía, especialmente la de viajes, indica, por otra parte, el arraigado interés que en todos los tiempos ha existido por el conocimiento directo de la tierra, en particular por el de los paisajes lejanos, de sus peculiaridades y de sus rarezas.

La geografía, como saber organizar sobre una superficie terrestre, se ha nutrido en ese interés y lo ha completado en amplitud. El estudio geográfico comprende tanto el medio físico como la relación de los mismos seres humanos con ese medio físico.

Esto quiere decir que los rasgos propiamente geográficos como el clima, suelos, relieve y agua, formaciones vegetales y junto con los elementos que estudia la cartografía humana como las cantidades de población, las diferentes culturas, y otras modificaciones realizadas por el hombre en el entorno físico. Se trata de una ciencia interdisciplinaria que utiliza información propia de otras ciencias como la economía, historia, biología, geología y matemáticas entre otras ciencias.

Fundamentos

Mapa de España y Portugal perteneciente a la Enciclopedia La Torre (1885-90).

Al ser la Tierra esférica ha de valerse de un sistema de proyecciones para pasar de la esfera al plano. El problema es aún mayor, pues en realidad la forma de la Tierra no es exactamente esférica, su forma es más achatada en los polos, que en la zona ecuatorial. A esta figura se le denomina geoide.

Pero además de representar los contornos de las cosas, las superficies y los ángulos, se ocupa también de representar la información que aparece sobre el mapa, según se considere qué es relevante y qué no. Esto, normalmente, depende de lo que se quiera representar en el mapa y de la escala.

Actualmente estas representaciones cartográficas se pueden realizar con programas de informática llamados SIG., en los que tiene georreferencia desde un árbol y su ubicación, hasta una ciudad entera incluyendo sus edificios, calles, plazas, puentes, jurisdicciones, etc.

Amberes fue el centro de la cartografía en la segunda mitad del siglo XVI, cuando la ciudad era el principal puerto del imperio español con acceso al Mar del Norte; con el declive del imperio español durante el reinado de Felipe III, y la política ejercida por los gobernadores españoles sobre los flamencos protestantes, gran parte de éstos dejaron los Países Bajos españoles (la actual Bélgica) y pasaron a trabajar en los Países Bajos rebeldes: la "República de las Provincias Unidas de los Países Bajos", determinando así que en la primera mitad del siglo XVII fuese Ámsterdam la principal fuente de cartografía moderna, luego el impulso pasaría a Francia, hasta mediados del siglo XVIII, y de allí en adelante a Gran Bretaña, así como a los Estados Unidos a partir del siglo XIX.

Historia

El saber geográfico, nació con las primeras manifestaciones de la vida reflexiva del hombre; esta protocolizado en los poemas homéricos manifestados en los libros sagrados, en el Corán y la sabiduría árabe, que según la cual la geografía es ciencia agradable a Dios un termino que se entendía en esos tiempos.

La afirmación que el hombre prehistórico tenía por objeto representar mímicamente accidentes de la superficie terrestre, se considera decir que eran mapas rupestres. Hasta el siglo XIX se escribieron una infinidad de obras de geografía que eran accesibles a cualquier tipo de lector, con un lenguaje corriente, y sin algunos conceptos científicos especializados. Los mapas en la cartografía solo marcaban las costas y los ríos, las ciudades y los caminos, con innumerables acotaciones sobre episodios de leyendas. El relieve del suelo no se representaba. La geografía no conocía más que la dimensión superficial; no se conocía nada del interior de la corteza o de la profundidad del mar, ni mucho menos de la altura de la atmósfera.

Buache geodesta y cartógrafo había introducido en su mapa una idea de las divisiones regionales generadas por las cuencas geográficas que fueron tomando una gran importancia para resolver los conflictos de limites entre países. Escribió una notable memoria donde contaba sobre los nuevos aspectos del estudio físico de la tierra, una geografía basada en la división natural del planeta tierra.

Cabe destacar que no podría comprenderse en su real significado el nacimiento de la nueva cartografía sin dejar de mencionar el papel que en ello ocupo al auge de las ciencias que estudian aspectos particulares sistemáticos de la tierra, las que se suelen llamar "auxiliares de la geografía" cada una de ellas considera un sistema de objetos homogéneos los cuales componen la complejidad del espacio terrestre: Geodesia, Geología, Hidrografía, Zoología, Botánica, etc. A ellas debe agregarse, la Astronomía que estudia la tierra como un astro.

Satélites Artificiales.

Los satélites artificiales son objetos de fabricación humana que se colocan en órbita alrededor de un cuerpo celeste como un planeta o un satélite natural. El primer satélite artificial fue el Sputnik I lanzado por la Unión Soviética el 4 de octubre de 1957. Desde entonces se han colocado en órbita miles de satélites artificiales muchos de los cuales aún continúan en órbita alrededor de la Tierra.

Los rusos habían logrado lo que parecía un milagro de la tecnología. Los expertos estadounidenses en cohetes habían intentado, en vano, lanzar su propio satélite. Estados Unidos fue sorprendido con el acontecimiento y no podía creer que un país, considerado inferior en tecnología, le había tomado la delantera.

Utilizando un cohete con mucha potencia, los rusos situaron en órbita, alrededor de la Tierra, una esfera metálica de 58 centímetros de diámetro, 83.5 kilogramos de peso y equipada con instrumentos para captar y transmitir datos atmosféricos.

El cohete de lanzamiento, integrado por varias secciones, alcanzó una altitud de 945 kilómetros antes de desplazarse paralelamente a nuestro planeta, a una velocidad de casi 29 mil kilómetros por hora; el satélite se separó entonces de su consumido cohete y estableció su propia órbita, a unos 900 kilómetros sobre la Tierra.

El Sputnik 1 circundaba el globo cada 96.2 minutos y, debido a la rotación terrestre, sobrevolaba todos los continentes y casi todas las zonas habitadas.

La preocupación de Estados Unidos aumentó cuando los soviéticos colocaron en órbita el Sputnik 2, en noviembre de 1957. Éste transportó a Laika, una perra que se convirtió en el primer animal en estar en el espacio.

Para tratar de igualar a la Unión Soviética, Estados Unidos envió con éxito su primer satélite, el Explorer 1, en enero de 1958. Sus instrumentos científicos descubrieron los cinturones de Van Allen, zonas de radiación alrededor de la Tierra.

Antes de lograr esto, un cohete que llevaba un satélite explotó al poco tiempo de ser lanzado.

Desde 1957, los satélites lanzados por la Unión Soviética y Estados Unidos han logrado mejorar nuestro conocimiento sobre la forma de la Tierra; transmitir fotografías de nuestro planeta y del cielo por televisión; trazar el campo magnético de la Tierra; circunnavegar la Luna y fotografiar su cara oculta; facilitar las transmisiones televisivas y telefónicas; servir de estaciones meteorológicas y detectar explosiones nucleares.

El 20 de noviembre de 1998 fue lanzado el primer modulo de la estación orbital internacional por Rusia (Zarya), y el 3 de diciembre de 1998 los Estados Unidos enviaron el trasbordador espacial Endeavour para acoplarle otro módulo, siendo este el proyecto espacial internacional más importante en la actualidad con un costo de 60 mil millones de dólares. Esta estación también se puede observar a simple vista y su posición para los siguientes 10 días a partir del 9 de enero de 1999 para Morelia obtenido también de la página del Centro Operaciones Espaciales de Alemania.

Antecedentes históricos

La primera representación ficticia conocida de un satélite artificial lanzado a una órbita alrededor de la Tierra es un cuento de Edward Everett Hale, The Brick Moon (La luna de ladrillos). El cuento, publicado por entregas en Atlantic Monthly, se inició en 1869.[] []El objeto del título se trataba de una ayuda para la navegación pero que por accidente fue lanzado con personas en su interior. La idea reaparece de nuevo en Los quinientos millones de la begún de Julio Verne de 1879. En este libro, sin embargo, se trata de un resultado inintencionado del villano al construir un pieza de artillería gigante para destruir a sus enemigos, comunicando al proyectil una velocidad superior a la pretendida.

Historia de los satélites artificiales

Los satelites artificiales nacieron durante la guerra fría, entre los Estados Unidos y La Union Sovietica, que pretendian ambos llegar a la luna y a su vez lanzar un satelite a la órbita espacial. En mayo de 1946, el Proyecto RAND presentó el informe Preliminary Design of an Experimental World-Circling Spaceship (Diseño preliminar de una nave espacial experimental en órbita), en el cual se decía que "Un vehículo satélite con instrumentación apropiada puede ser una de las herramientas científicas más poderosa del siglo XX. La realización de una nave satélite produciría repercusiones comparables con la explosión de la bomba atómica..."

La era espacial comenzó en 1946, cuando los científicos empezaron a utilizar los cohetes capturados V-2 alemanes para realizar mediciones de la atmósfera Antes de ese momento, los científicos utilizaban globos que llegaban a los 30 km de altitud y ondas de radio para estudiar la ionosfera. Desde 1946 a 1952 se utilizó los cohetes V-2 y Aerobee para la investigación de la parte superior de la atmósfera, lo que permitía realizar mediciones de la presión, densidad y temperatura hasta una altitud de 200 km.

Estados Unidos había considerado lanzar satélites orbitales desde 1945 bajo la Oficina de Aeronáutica de la Armada. El Proyecto RAND de la USAF presentó su informe pero no se creía que el satélite fuese una potencial arma militar, sino más bien una herramienta científica, política y de propaganda. En 1954, el Secretario de Defensa afirmó "No conozco ningún programa de satélites estadounidense".

Tras la presión de la Sociedad Americana del Cohete (ARS), la Fundación Nacional de la Ciencia (NSF) y el Año Geofísico Internacional, el interés militar aumentó y a comienzos de 1955 la Fuerza Aérea y la Armada estaban trabajando en el Proyecto Orbiter, que evolucionaría para utilizar un cohete Jupiter-C en el lanzamiento de un satélite denominado Explorer 1 el 31 de enero de 1958.

El 29 de julio de 1955, la Casa Blanca anunció que los Estados Unidos intentarían lanzar satélites a partir de la primavera de 1958. Esto se convirtió en el Proyecto Vanguard. El 31 de julio, los soviéticos anunciaron que tenían intención de lanzar un satélite en el otoño de 1957.

Tipos de Satélites artificiales

Los satélites se pueden clasificar de acuerdo a su tamaño que van desde microsatélites con pesos menores de 50 Kg. (como ejemplo el UNAMSAT que pesa 10 Kg.) a satélites grandes de varias toneladas como la Estación espacial MIR.

También se pueden clasificar por el tipo de órbita, pero lo más común es clasificarlos por el uso que se les da. De acuerdo con esto pueden ser:

  • De comunicación (como los Morelos y los Solidaridad de México)

  • De navegación (Como los IRIDIUM y los GPS)

  • Meteorológicos como, los GOES

  • De estudio de recursos terrestres y marítimos como el LANDSAT, SPOT, SEASAT

  • Militares y de espionaje

  • Científicos

Tipos por misión

Armas antisatélite, también denominados como satélites asesinos, son satélites diseñados para destruir satélites enemigos, otras armas orbitales y objetivos. Algunos están armados con proyectiles cinéticos, mientras que otros usan armas de energía o partículas para destruir satélites, misiles balísticos o MIRV.

Satélites astronómicos, son satélites utilizados para la observación de planetas, galaxias y otros objetos astronómicos.

Biosatélites, diseñados para llevar organismos vivos, generalmente con propósitos de experimentos científicos.

Satélites de comunicaciones, son los empleados para realizar telecomunicación. Suelen utilizar órbitas geosíncronas, órbitas de Molniya u órbitas bajas terrestres.

Satélites miniaturizados, también denominados como minisatélites, microsatélites, nanosatélites o picosatélites, son característicos por sus dimensiones y pesos reducidos.

Satélites de navegación, utilizan señales para conocer la posición exacta del receptor en la tierra.

Satélites de reconocimiento, denominados popularmente como satélites espías, son satélites de observación o comunicaciones utilizados por militares u organizaciones de inteligencia. La mayoría de los gobiernos mantienen la información de sus satélites como secreta.

Satélites de observación terrestre, son utilizados para la observación del medio ambiente, meteorología, cartografía sin fines militares.

Satélites de energía solar, son una propuesta para satélites en órbita excéntrica que envíen la energía solar recogida hasta antenas en la Tierra como una fuente de alimentación.

Estaciones espaciales, son estructuras diseñadas para que los seres humanos puedan vivir en el espacio exterior. Una estación espacial se distingue de otras naves espaciales tripuladas en que no dispone de propulsión o capacidad de aterrizar, utilizando otros vehículos como transporte hacia y desde la estación.

Satélites meteorológicos, son satélites utilizados principalmente para registrar el tiempo atmosférico y el clima de la Tierra.

Tipos por órbita

Clasificación por centro

* Órbita galactocéntrica: una órbita con centro en una galaxia. El Sol sigue este tipo de órbita en su movimiento alrededor de la Vía Láctea.

* Órbita heliocéntrica: una órbita alrededor del Sol. En el Sistema Solar, los planetas, cometas y asteroides siguen esa órbita, además de satélites artificiales y basura espacial.

* Órbita geocéntrica: una órbita alrededor de la Tierra. Existen aproximadamente 2.465 satélites artificiales orbitando alrededor de la Tierra.

* Órbita aerocéntrica: una órbita alrededor de Marte.

Clasificación por altitud

* Órbita baja terrestre (LEO): una órbita geocéntrica a una altitud de 0 a 2.000 km.

* Órbita media terrestre (MEO): una órbita geocéntrica con una altitud entre 2.000 km y hasta el límite de la órbita geosíncrona de 35.786 km. También se la conoce como órbita circular intermedia.

* Órbita alta terrestre (HEO): una órbita geocéntrica por encima de la órbita geosíncrona de 35.768 km. También conocida como órbita muy excéntrica u órbita muy elíptica.

Clasificación por inclinación

* Órbita inclinada: una órbita cuya inclinación orbital no es cero.

* Órbita polar: una órbita que pasa por encima de los polos del planeta. Por tanto, tiene una inclinación de 90º o aproximada.

* Órbita polar heliosíncrona: una órbita casi polar que pasa por el ecuador terrestre a la misma hora local en cada pasada.

Clasificación por excentricidad

* Órbita circular: una órbita cuya excentricidad es cero y su trayectoria es un círculo.

* Órbita de transferencia de Hohmann: una maniobra orbital que traslada a una nave desde una órbita circular a otra.

* Órbita elíptica: una órbita cuya excentricidad es mayor que cero pero menor que uno y su trayectoria tiene forma de elipse.

* Órbita de transferencia geosíncrona: una órbita elíptica cuyo perigeo es la altitud de una órbita baja terrestre y su apogeo es la de una órbita geosíncrona.

* Órbita de transferencia geoestacionaria: una órbita elíptica cuyo perigeo es la altitud de una órbita baja terrestre y su apogeo es la de una órbita geoestacionaria.

* Órbita de Molniya: una órbita muy excéntrica con una inclinación de 63,4º y un período orbital igual a la mitad de un día sideral (unas doce horas).

* Órbita tundra: una órbita muy excéntrica con una inclinación de 63,4º y un período orbital igual a un día sideral (unas 24 horas).

* Órbita hiperbólica: una órbita cuya excentricidad es mayor que uno. En tales órbitas, la nave escapa de la atracción gravitacional y continua su vuelo indefinidamente.

* Órbita parabólica: una órbita cuya excentricidad es igual a uno. En estas órbitas, la velocidad es igual a la velocidad de escape.

* Órbita de escape: una órbita parabólica de velocidad alta donde el objeto se aleja del planeta.

* Órbita de captura: una órbita parabólica de velocidad alta donde el objeto se acerca del planeta.

Clasificación por sincronía

* Órbita síncrona: una órbita donde el satélite tiene un periodo orbital igual al periodo de rotación del objeto principal y en la misma dirección. Desde el suelo, un satélite trazaría una analema en el cielo.

* Órbita semisíncrona: una órbita a una altitud de 12.544 km aproximadamente y un periodo orbital de unas 12 horas.

* Órbita geosíncrona: una órbita a una altitud de 35.768 km. Estos satélites trazarían una analema en el cielo.

* Órbita geoestacionaria: una órbita geosíncrona con inclinación cero. Para un observador en el suelo, el satélite parecería un punto fijo en el cielo.

* Órbita cementerio: una órbita a unos cientos de kilómetros por encima de la geosíncrona donde se trasladan los satélites cuando acaba su vida útil.

* Órbita aerosíncrona: una órbita síncrona alrededor del planeta Marte con un periodo orbital igual al día sideral de Marte, 24,6229 horas.

* Órbita aeroestacionaria: una órbita aerosíncrona circular sobre el plano ecuatorial a unos 17.000 km de altitud. Similar a la órbita geoestacionaria pero en Marte.

* Órbita heliosíncrona: una órbita heliocéntrica sobre el Sol donde el periodo orbital del satélite es igual al periodo de rotación del Sol. Se situa a aproximadamente 0,1628 UA.

Otras órbitas

* Órbita de herradura: una órbita en la que un observador parecer ver que órbita sobre un planeta pero en realidad coorbita con el planeta. Un ejemplo es el asteroide (3753) Cruithne.

* Punto de Lagrange: los satélites también pueden orbitar sobre estas posiciones.

Cómo observar los satélites artificiales

Si después de la puesta del Sol esperamos que anochezca y estamos en un sitio que permita ver el cielo estrellado perfectamente, tenemos muchas probabilidades de ver alguna luz como de una estrella que se desplaza en el cielo a gran velocidad y sin provocar destellos ni ruido alguno. Estaremos viendo con toda seguridad uno de los miles de satélites artificiales que orbitan la Tierra.

Los satélites no llevan ningún tipo de luz, lo que en realidad vemos es la luz del Sol reflejada por el satélite. Para poderlos ver por tanto se deben cumplir dos condiciones:

  • Que desde donde observamos sea de noche.
  • Que al satélite "le de el Sol".
Estas condiciones se cumplen después de la puesta del Sol, y antes de la salida del Sol. Se puede tomar como referencia el que podemos observarlos hasta 2 horas después de la puesta o 2 horas antes de la salida. Depende de la órbita del satélite especialmente de su altura el que se pueda ver hasta más o menos tarde.

Radar

El término Radar deriva del acrónimo inglés Radio Detection and Ranging (detección y medición de distancias por radio). Es un sistema que usa ondas electromagnéticas para medir distancias, altitudes, direcciones y velocidades de objetos estáticos o móviles como aeronaves, barcos, vehículos motorizados, formaciones meteorológicas y el propio terreno. Su funcionamiento se basa en emitir un impulso de radio, que se refleja en el objetivo y se recibe típicamente en la misma posición del emisor. A partir de este "eco" se puede extraer gran cantidad de información. El uso de ondas electromagnéticas permite detectar objetos más allá del rango de otro tipo de emisiones (luz visible, sonido, etc.)Entre sus ámbitos de aplicación se incluyen la meteorología, el control del tráfico aéreo y terrestre y gran variedad de usos militares.

Historia

El radar fue creado en 1935 y desarrollado principalmente en Inglaterra durante la Segunda Guerra Mundial (se debe el invento a su mayor impulsor, el físico Robert Watson-Watt). Supuso una notable ventaja táctica para la Royal Air Force en la Batalla de Inglaterra, cuando aún era denominado RDF (Radio Direction Finding). Aunque fue desarrollado con fines bélicos en el 2007 es una de las principales ayudas a la navegación con que cuenta el control de tráfico civil para poder tener una imagen del tráfico aéreo.
En los momentos anteriores a la II Guerra Mundial, Robert Watson-Watt, físico y director del Laboratorio de Investigación de Radio y su ayudante, el físico Arnold Wilkins, estuvieron a cargo de la invención de un “rayo de la muerte” que sería utilizado en esa guerra. La idea de Watson-Watt era elevar la temperatura del piloto atacante a 41° C aproximadamente para que, al provocarle fiebre, quedara incapacitado.
Como lo escribió el propio Wilkins:
Mi cálculo mostró que, como era de esperarse, se necesitaba generar una potencia enorme a cualquier frecuencia de radio para producir fiebre en el cuerpo de un piloto de avión, aun en el improbable caso de que su cuerpo no estuviera protegido por el metal del fuselaje [...]. Como nada cercano a dicha potencia se podía producir, estaba claro que no era factible un rayo de la muerte por medio de la radio. Le dije esto a Watson-Watt al darle mi cálculo y me respondió: "Bien, si un rayo de la muerte no es posible, ¿cómo podemos entonces ayudarles? Yo contesté que los ingenieros de la Oficina de Correos se habían dado cuenta de perturbaciones en la recepción de muy altas frecuencias cuando algún avión volaba en la vecindad de sus receptores y que este fenómeno podría ser útil para detectar aviones enemigos"
Esta observación, hecha en enero de 1935, dio lugar una serie de hechos que culminaron con la invención del radar. Los hechos a los que Wilkins se refirió habían sido observados en muchos lugares y en todos se consideró esta perturbación como un estorbo que mucha gente había tratado de eliminar. De hecho, en 1932, la Oficina Postal Británica publicó un informe en el que sus científicos documentaron fenómenos naturales que afectaban la intensidad de la señal electromagnética recibida: tormentas eléctricas, vientos, lluvia y el paso de un aeroplano en la vecindad del laboratorio. Wilkins conoció este informe de manera accidental, conversando con la gente de la Oficina Postal, que se quejaba por la interferencia.
Cuando Wilkins sugirió la posibilidad de utilizar el fenómeno de interferencia de ondas de radio para detectar aviones enemigos, Watson-Watt lo comisionó inmediatamente para trabajar en el cálculo de los aspectos cuantitativos.
Al terminar sus cálculos, a Wilkins le pareció increíble que el efecto deseado pudiera detectarse; revisó sus cálculos, no encontró ningún error y se los dio a Watson-Watt, quien los vio fantásticos y verificó los cálculos matemáticos. Al no encontrar error, envió los resultados. El hecho de que un rayo de la muerte no fuera factible no sorprendió, sin embargo atrajo la idea de poder detectar un avión.

Principios

Reflexión

Las ondas electromagnéticas se dispersan cuando hay cambios significativos en las constantes dieléctricas o diamagnéticas. Esto significa que un objeto sólido en el aire o en el vacío (es decir, un cambio en la densidad atómica entre el objeto y su entorno) producirá dispersión de las ondas de radio, como las del radar. Esto ocurre particularmente en el caso de los materiales conductores como el metal y la fibra de carbono, lo que hace que el radar sea especialmente indicado para la detección de aeronaves. En ocasiones los aviones militares utilizan materiales con sustancias resistivas y magnéticas que absorben las ondas del radar, reduciendo así el nivel de reflexión. Estableciendo una analogía entre las ondas del radar y el espectro visible, estos materiales equivaldrían a pintar algo con un color oscuro.
La reflexión de las ondas del radar varía en función de su longitud de onda y de la forma del blanco. Si la longitud de onda es mucho menor que el tamaño del blanco, la onda rebotará del mismo modo que la luz contra un espejo. Si por el contrario es mucho más grande que el tamaño del blanco, lo que ocurre es que este se polariza (separación física de las cargas positivas y negativas) como en un dipolo (véase: Dispersión de Rayleigh). Cuando las dos escalas son similares pueden darse efectos de resonancia. Los primeros radares utilizaban longitudes de onda muy elevadas, mayores que los objetivos; las señales que recibían eran tenues. Los radares actuales emplean longitudes de onda más pequeñas (de pocos centímetros o inferiores) que permiten detectar objetos del tamaño de una barra de pan.
Las señales de radio de onda corta (3 kHz-30MHz) se reflejan en las curvas y aristas, del mismo modo que la luz produce destellos en un trozo de cristal curvo. Para estas longitudes de onda los objetos que más reflejan son aquellos con ángulos de 90º entre las superficies reflectivas. Una estructura que conste de tres superficies que se juntan en una esquina (como la de una caja) siempre reflejará hacia el emisor aquellas ondas que entren por su abertura.
Este tipo de reflectores, denominados reflectores de esquina (corner reflectors, ver imagen a la derecha), se suelen usar para hacer "visibles" al radar objetos que en otras circunstancias no lo serían (se suelen instalar en barcos para mejorar su detectabilidad y evitar choques). Siguiendo el mismo razonamiento, si se desea que una nave no sea detectada, en su diseño se procurará eliminar estas esquinas interiores, así como superficies y bordes perpendiculares a las posibles direcciones de detección. De ahí el aspecto extraño de los aviones "stealth". Todas estas medidas no eliminan por completo la reflexión debido a la difracción, especialmente para longitudes de onda grandes. Otra contramedida habitual es arrojar cables y tiras metálicas cuyo largo es media longitud de onda (chaffs) con la idea de cegar al radar; son efectivas, si bien la dirección hacia la que se reflejan las ondas es aleatoria cuando lo óptimo sería dirigir la reflexión hacia el radar que se quiere evitar. El factor que da la medida de cuánto refleja un objeto las ondas de radio se llama "sección radar cruzada" (σ).

Ecuación radar

La potencia Pr reflejada a la antena de recepción está dada por la ecuación radar:

Donde
Pt = potencia transmitida
Gt = ganancia de la antena de transmisión
Ar = apertura efectiva (área) de la antena de recepción
σ = sección transversal del radar, o coeficiente de decaimiento del objetivo
F = factor de propagación del patrón
Rt = distancia del transmisor al objetivo
Rr = distancia del objetivo al receptor.
En el caso común donde el transmisor y el receptor están en el mismo lugar, Rt = Rr y el término Rt² Rr² puede ser reemplazado por R4, donde R es la distancia. Esto resulta en:

Esto dice que la potencia en el receptor se reduce proporcionalmente a la cuarta potencia de la distancia, lo que significa que la potencia reflejada desde el objetivo distante es muy, muy pequeña.
La ecuación anterior con F = 1 es una simplificación para el vacío sin interferencia. El factor de propagación engloba los efectos de la propagación multicamino y del shadowing, y depende del entorno en el que se estén propagando las ondas. En una situación real los efectos de atenuación en el recorrido deben ser considerados.
Otros desarrollos matemáticos en procesamiento de señales de radar incluyen análisis de tiempo-frecuencia (Weyl Heisenberg o wavelet), así como la transformada chirplet que se basa en el hecho de que los ecos devueltos por blancos móviles varían su frecuencia en función del tiempo, como lo hace el sonido de un ave o un murciélago.

Polarización

El campo eléctrico de la señal que emite un radar es perpendicular a la dirección de propagación. La dirección de dicho campo determina la polarización de la onda. Los radares usan polarizaciones horizontales, verticales, lineales o circulares, en función de la aplicación. Por ejemplo, la polarización circular es adecuada para minimizar la interferencia causada por la lluvia (pero debe evitarse para radares meteorológicos que lo que buscan es cuantificar las precipitaciones). La lineal permite detectar superficies de metal. La polarización aleatoria es adecuada para detectar superficies irregulares como rocas y se usa en radares de navegación.

Interferencias

Los sistemas radar deben hacer frente a la presencia de diferentes tipos de señales indeseadas y conseguir centrarse en el blanco que realmente interesa. Dichas señales espurias pueden tener su origen en fuentes tanto internas como externas y pueden ser de naturaleza pasiva o activa. La capacidad del sistema radar de sobreponerse a la presencia de estas señales define su relación señal/ruido (SNR). Cuanto mayor sea la SNR del sistema, tanto mejor podrá aislar los objetivos reales de las señales de ruido del entorno.

Ruido

El ruido es una fuente interna de variaciones aleatorias de la señal, generado en mayor o menor medida por todos los componentes electrónicos. Típicamente se manifiesta en variaciones aleatorias superpuestas a la señal de eco recibida en el radar. Cuanta menor sea la potencia con que llega la señal de interés, más difícil será diferenciarla del fondo de ruido. Por tanto, la más importante fuente de ruido aparece en el receptor, por lo que debe dedicarse un gran esfuerzo a tratar de minimizar estos factores. La figura de ruido es una medida del ruido producido por el receptor en comparación con un receptor ideal y debe ser minimizada.
El ruido también puede estar causado por fuentes externas al sistema, siendo sobre todo de gran impacto la radiación térmica natural del entorno que rodea al blanco que se desea detectar. En sistemas radar modernos, debido al gran rendimiento de sus receptores, el ruido interno es típicamente igual o menor que el externo. Una excepción es el caso en el que el radar está dirigido al cielo abierto; en este caso apenas se produce ruido térmico.

Clutter

El término clutter hace referencia a todos aquellos ecos (señales de RF) recibidos por el radar que son, por definición, no deseados. Pueden estar causados por objetos del entorno, el mar, precipitaciones (lluvia, nieve o granizo), tormentas de arena, animales (especialmente pájaros), turbulencias atmosféricas y otros efectos atmosféricos como reflexiones ionosféricas y estelas de meteoritos. También puede haber clutter debido a objetos fabricados por el hombre, sin intención de engañar al radar (edificios) o con ella ("chaffs").
Algunas veces el clutter está causado por una longitud excesiva de la guía de onda que conecta el transceptor del radar y la antena. En un radar de tipo PPI (representación de distancia en función del azimut) con antena giratoria, este clutter se verá como un destello en el centro de la pantalla. En este caso el receptor estaría interpretando ecos de partículas de polvo y señales de RF indeseadas que vagan por la guiaonda. Este tipo de clutter se reduce reajustando el lapso entre el envío del pulso por parte del transmisor y el instante en que se activa la etapa de recepción. La explicación para esto es que la mayor parte de estos brillos está causada por el propio pulso transmitido antes de abandonar la antena.
Se puede dar la circunstancia de que una determinada fuente de clutter sea indeseable para una aplicación radar (ej: nubarrones en un radar de defensa aérea) pero positiva para otra (meteorológica). El clutter es considerado una fuente pasiva de interferencias, ya que sólo aparece como respuesta a los pulsos enviados por el radar.
Hay bastantes métodos para detectar y neutralizar el clutter. Muchos de ellos se fundamentan en el principio de que el clutter apenas varía entre diferentes barridos del radar. Por tanto, al comparar barridos consecutivos se comprobará que el blanco real se mueve, mientras que los ecos de clutter son estacionarios. El clutter marítimo se puede reducir empleando polarización horizontal, mientras que el de la lluvia se reduce con polarizaciones circulares (nótese que los radares meteorológicos utilizan polarización lineal porque lo que les interesa es precisamente detectar la lluvia). Otros métodos se centran en reducir la relación señal/clutter.
El método CFAR es otra técnica basada en el hecho de que los ecos debidos al clutter son mucho más numerosos que los ecos producidos por objetivos de interés. Este método permite mantener un valor constante de la probabilidad de falsa alarma haciendo un promediado adaptativo del nivel real de ruido y ajustando automáticamente la ganancia del receptor. Si bien esto no ayuda cuando el blanco está rodeado por clutter muy fuerte, puede permitir identificar objetivos más o menos claros. En radares actuales este proceso está controlado por software. Es beneficioso en sistemas en los que sea crítico mantener una determinada probabilidad de falsa alarma.
Finalmente, también hay clutter originado por la multitrayectoria de la señal de eco de un objetivo válido. Los factores que pueden causar estos caminos múltiples son la reflexión terrestre y las refracciones atmosféricas e ionosféricas. Este clutter es especialmente molesto, ya que parece moverse y se comporta como si fuera un blanco de interés real, de modo que el radar detecta un objetivo "fantasma" que en realidad no existe. En un escenario típico, un blanco fantasma causado por reflexión terrestre sería interpretado por el radar como un objetivo idéntico al real situado justo por debajo de este. El radar puede intentar unificar los objetivos considerando que el blanco fantasma está a una altura incorrecta o directamente eliminarlo por considerar que está causado por jitter o que su ubicación es físicamente imposible. Una buena opción para minimizar el impacto de este efecto es incorporar al radar un mapa topográfico de los alrededores que ayude a eliminar aquellos ecos que se detecten a alturas imposibles (por debajo del nivel del suelo o por encima de una determinada altura). En radares de control de tráfico aéreo actuales se emplean algoritmos para identificar blancos falsos comparando los ecos recibidos con otros adyacentes y calculando la probabilidad de que sea real en base a datos de altura, distancia y tiempo.

Jamming

Se conoce como jamming a aquellas señales externas al sistema radar emitidas en las frecuencias de funcionamiento del mismo y que por tanto enmascaran los objetivos de interés. Puede ser intencionado para funcionar como contramedida electrónica o fortuita (por ejemplo, fuerzas amigas cuyos sistemas de comunicaciones usan la misma banda). El jamming está considerado como una fuente activa de interferencias, ya que está originado fuera del sistema radar y en general se trata de señales sin relación alguna con este.
El jamming es muy problemático para los radares, pues suele tratarse de señales de mayor potencia que los ecos de interés (hay que tener en cuenta que la señal de interés recorre un camino de ida y vuelta radar-objetivo-radar, mientras que la señal interferente realiza solo un camino de ida). Las fuentes de jamming intencionado pueden por tanto ser efectivas emitiendo con mucha menos potencia que los radares que quieren confundir. La interferencia puede llegar al radar a través de la línea de visión directa ("Mainlobe Jamming" o "jamming de lóbulo principal") o por otros caminos ("Sidelobe Jamming" o "jamming de lóbulos secundarios o laterales").
La única manera de reducir el jamming de lóbulo principal es disminuir el ángulo sólido de dicho lóbulo (estrechar el "pincel"). Un jamming de lóbulo principal a la misma frecuencia y con la misma polarización que el radar no se puede eliminar completamente. El efecto del jamming de lóbulo lateral se puede atenuar reduciendo los lóbulos laterales del diagrama de radiación de la antena durante la fase de diseño de la misma. Una manera de conseguir esto es emplear arrays de tipo thinned o sparse. El uso de antenas omnidireccionales puede ayudar a identificar e ignorar señales que entran por los lóbulos secundarios. Otras técnicas anti-jamming son el frequency hopping o el uso de una determinada polarización, ya que si la polarización del jamming es diferente a la de la antena su efecto se ve muy reducido.
La reciente proliferación de sistemas WiFi que operan en banda C (en torno a 5,66 GHz) se ha convertido en un problema para radares meteorológicos, que sufren interferencias.
Procesado de señal en un sistema radar

Medida de distancias

Tiempo de tránsito

Una forma de medir la distancia entre el radar y un objeto es transmitir un pequeño pulso electromagnético y medir el tiempo que tarda el eco en volver. La distancia será la mitad del tiempo de tránsito multiplicado por la velocidad del pulso (300.000 km/s):

r = distancia estimada
c = velocidad de la luz
t = tiempo de tránsito
Una estimación precisa de la distancia exige una electrónica de elevado rendimiento. La mayor parte los radares usan la misma antena para enviar y recibir, separando la circuitería de transmisión y recepción mediante un circulador o duplexor. Por ello, mientras se está transmitiendo el pulso no se puede recibir ningún eco. Esto determina la llamada "distancia ciega" del radar, por debajo de la cual éste es inútil. Esta distancia viene dada por:

rBLIND = distancia ciega
c = velocidad de la luz
τ = tiempo que se tarda en transmitir un pulso
Si se quiere detectar objetos más cercanos hay transmitir pulsos más cortos. Del mismo modo, hay un rango de detección máximo (llamado "distancia máxima sin ambigüedad"): si el eco llega cuando se está mandando el siguiente pulso, el receptor no podrá distinguirlo. Para maximizar el rango hay que aumentar el tiempo entre pulsos (T):

rUNAMB = Distancia máxima sin ambigüedad
c = Velocidad de la luz
T = Tiempo entre dos pulsos
Hay un compromiso entre estos dos factores, siendo difícil combinar detección a corta y a larga distancia: para detectar a corta distancia hay que hacer los pulsos más cortos, lo que implica menor potencia, lo que implica ecos más débiles y por tanto menor alcance. Se puede aumentar la probabilidad de detección mandando pulsos con mayor frecuencia, pero nuevamente, esto acorta la distancia máxima sin ambigüedad. La combinación de T y τ que se elija se llama "patrón de pulsos" del radar. En la actualidad los radares pueden muchas veces cambiar su patrón de pulsos de forma electrónica, ajustando dinámicamente su rango de funcionamiento. Los más modernos funcionan disparando en el mismo ciclo dos pulsos diferentes, uno para detección a larga distancia y otro para distancias cortas.
La resolución en distancia y las características de la señal recibida en comparación con el ruido dependen también de la forma del pulso. A menudo este se modula para mejorar su rendimiento gracias a una técnica conocida como "compresión de pulsos".

Modulación en frecuencia

Otra forma de estimar distancias en un radar se basa en la modulación en frecuencia. La comparación de la frecuencia de señales es por norma más precisa y sencilla que la comparación de tiempos. Por eso, lo que se hace es emitir una señal (una sinusoide o un diente de sierra) a una frecuencia que va variando de forma constante en el tiempo, de modo que cuando llega el eco, su frecuencia será diferente de la de la señal original; comparándolas se puede saber cuánto tiempo ha transcurrido y por tanto cuánta distancia hay hasta el blanco. A mayor desvío en frecuencia mayor distancia.
Esta técnica puede emplearse en radares de onda continua (CW, en lugar de a pulsos se transmite todo el tiempo) y a menudo se encuentra en altímetros a bordo de aviones. La comparación en frecuencias es similar que la que se usa para medir velocidades (ver subapartado siguiente). Algunos sistemas que usan esta técnica son el AZUSA, el MISTRAM y el UDOP.

Medida de velocidades

La velocidad es el cambio de distancia de un objeto respecto al tiempo. Por tanto, para que un sistema radar pueda medir velocidades no hace falta más que añadirle memoria para guardar constancia de dónde estuvo el objetivo por última vez. En los primeros radares, el operador hacía marcas con un lápiz de cera en la pantalla del radar, y medía la velocidad con una regla de cálculo. Hoy día, este proceso se hace de forma más rápida y precisa usando ordenadores.
Sin embargo, si la salida del transmisor es coherente (sincronizada en fase), hay otro efecto que puede usarse para medir velocidades de forma casi instantánea sin necesidad de dotar al sistema de memoria: el efecto Doppler. Estos radares aprovechan que la señal de retorno de un blanco en movimiento está desplazada en frecuencia. Con ello, son capaces de medir la velocidad relativa del objeto con respecto al radar. Las componentes de la velocidad perpendiculares a la línea de visión del radar no pueden ser estimadas sólo con el efecto Doppler y para calcularlas sí haría falta memoria, haciendo un seguimiento de la evolución de la posición en azimut del objetivo.
También es posible utilizar radares no pulsados (CW) que funcionen a una frecuencia muy pura para medición de velocidades, como hacen los de tráfico. Son adecuados para determinar la componente radial de la velocidad de un objetivo, pero no pueden determinar distancias.
Reducción del efecto de interferencias
Los sistemas radar usan procesado de señal para reducir los efectos de las interferencias. Estas técnicas incluyen la indicación de objetivo móvil (MTI), radares doppler pulsados, procesadores de detección de objetivos móviles (MTD), correlación con blancos de radares secundarios (SSR) y procesado adaptativo espacio-temporal (STAP). En entornos con fuerte presencia de clutter se usan técnicas CFAR y DTM.
Diseño de radares
Un radar consta de los siguientes bloques lógicos:
Un transmisor que genera las señales de radio por medio de un oscilador controlado por un modulador.
Un receptor en el que los ecos recibidos se llevan a una frecuencia intermedia con un mezclador. No debe añadir ruido adicional.
Un duplexor que permite usar la antena para transmitir o recibir.
Hardware de control y de procesado de señal.
Interfaz de usuario.
Diseño del transmisor
Oscilador

El núcleo del transmisor lo forma un dispositivo oscilador. La elección de este se realiza en virtud de las características que se requieren del sistema radar (coste, vida útil, potencia de pico, longitud de los pulsos, frecuencia...) Los osciladores más utilizados son:
Magnetrón: es el más utilizado a pesar de que se trata de una tecnología algo vieja. Son pequeños y ligeros. Pueden funcionar a frecuencias de entre 30 MHz y 100 GHz y proporcionan buena potencia de salida.
Klistrón: algo más grandes que los anteriores, llegan a funcionar solamente hasta los 10 GHz. La potencia de salida que proporcionan puede quedarse corta en algunos casos.
TWT (Tubo de ondas progresivas): para radares de 30 MHz a 15 GHz, buena potencia de salida.

Modulador

El modulador o pulsador es el elemento encargado de proporcionar pequeños pulsos de potencia al magnetrón. Esta tecnología recibe el nombre de "potencia pulsada". Gracias al modulador, los pulsos de RF que emite el oscilador están limitados a una duración fija. Estos dispositivos están formados por una fuente de alimentación de alto voltaje, una red de formación de pulsos (PFN) y un conmutador de alto voltaje (como un tiratrón).
Si en lugar de magnetrón se usa un tubo klistrón, este puede actuar como amplificador, así que la salida del modulador puede ser de baja potencia.
Diseño de la antena
Las señales de radio difundidas (broadcast) por una sola antena se propagan en todas las direcciones y, del mismo modo, una antena recibirá señales desde cualquier dirección. Esto hace que el radar se encuentre con el problema de saber dónde se ubica el blanco.
Los primeros sistemas solían utilizar antenas omnidireccionales, con antenas receptoras directivas apuntando en distintas direcciones. Por ejemplo, el primer sistema que se instaló (Chain Home) utilizaba dos antenas receptoras cuyas direcciones de observación formaban un ángulo recto, cada una asociada a una pantalla diferente. El mayor nivel de eco se obtenía cuando la dirección de observación de la antena y la línea radar-blanco formaban ángulo recto y, por el contrario, era mínimo cuando la antena apuntaba directamente hacia el objetivo. El operador podía determinar la dirección de un blanco rotando la antena de modo que una pantalla mostrase un máximo y otra un mínimo.
Una importante limitación de este tipo de solución era que el pulso se transmitía en todas las direcciones, de modo que la cantidad de energía en la dirección que se examinaba era solo una pequeña parte de la transmitida. Para que llegue una potencia razonable al blanco se requieren antenas direccionales.

Reflector parabólico

Los sistemas más modernos usan reflectores parabólicos dirigibles para estrechar el haz en el que se emite en broadcast el pulso. Generalmente el mismo reflector se utiliza también como receptor. En estos sistemas, a menudo se usan dos frecuencias radar en la misma antena para permitir control automático ("radar lock").

Guiaonda ranurada

La guía de onda ranurada se mueve mecánicamente para hacer el barrido y es adecuada para sistemas de búsqueda (no de seguimiento). Las guiaondas ranuradas son muy direccionales en el plano de la antena pero, al contrario que las parabólicas, no son capaces de distinguir en el plano vertical. Suelen usarse en detrimento de las parabólicas en cubiertas de barcos y exteriores de aeropuertos y puertos, por motivos de coste y resistencia al viento.

Phased arrays

Otro tipo de antenas que se suele usar para radares son los phased arrays. Un phased array consiste en una matriz (array) de elementos radiantes. La fase de la señal que alimenta cada uno de estos está controlada de tal manera que la radiación del conjunto sea muy directiva. Es decir, se juega con las fases de las señales para que se cancelen en las direcciones no deseadas y se interfieran constructivamente en las direcciones de interés.
Si todos los elementos del array están contenidos en el mismo plano y la señal con que se alimentan es de la misma fase, entonces se estará reforzando la dirección perpendicular a ese plano. Si se altera la fase relativa de las señales se podrá "mover" el haz (en realidad lo que se está haciendo es cambiar la dirección en la cual las interferencias son constructivas). Se consigue de este modo hacer barridos sin necesidad de movimiento físico, con la ventaja añadida de que se pueden escanear ángulos del orden de miles de grados por segundo. Esto permite utilizar la antena para compaginar simultáneamente funciones de detección y de seguimiento muchos blancos individuales. Apagando y encendiendo algunos de los elementos radiantes se puede variar el haz de radiación, ensanchándolo para mejorar las funciones de búsqueda o estrechándolo para hacer un seguimiento preciso de un objetivo. El punto débil de los phased arrays es la imposibilidad de dirigirlo correctamente en ángulos cercanos al plano en el que están los elementos radiantes. Para hacer una cobertura de 360º se suelen disponer 3 arrays en las paredes de una superficie piramidal.
El uso de los phased arrays se remonta a la Segunda Guerra Mundial, pero las limitaciones de la electrónica hacían que fueran poco precisos. Su aplicación original era la defensa anti-misiles. En la actualidad son parte imprescindible del sistema AEGIS y el sistema balístico MIM-104 Patriot. Su uso se va extendiendo debido a la fiabilidad derivada del hecho de que no tienen partes móviles. Casi todos los radares militares modernos se basan en phased arrays, relegando los sistemas basados en antenas rotatorias a aplicaciones donde el costo es un factor determinante (tráfico aéreo, meteorología,...) Su uso está también extendido en aeronaves militares debido a su capacidad de seguir múltiples objetivos. El primer avión en usar uno fue el B-1B Lancer. El primer caza, el MiG-31 ruso. El sistema radar de dicho avión está considerado como el más potente de entre todos los cazas.
En radioastronomía también se emplean los phased arrays para, por medio de técnicas de apertura sintética, obtener haces de radiación muy estrechos. La apertura sintética se usa también en radares de aviones.
Clasificación de los sistemas de radar
Se puede hacer una clasificación general de los radares en función de una serie de aspectos básicos:
Según el número de antenas
Monoestático: una sola antena transmite y recibe.
Biestático: una antena transmite y otra recibe, en unos mismos o diferentes emplazamientos.
Multiestático: combina la información recibida por varias antenas.
Según el blanco
Radar primario: funciona con independencia del blanco, dependiendo solamente de la RCS del mismo.
Radar secundario. el radar interroga al blanco, que responde, normalmente con una serie de datos (altura del avión, etc). En el caso de vehículos militares, se incluye el identificador amigo-enemigo.
Según la forma de onda
Radar de onda continua (CW): transmite ininterrumpidamente. El radar de la policía suele ser de onda continua y detecta velocidades gracias al efecto Doppler.
Radar de onda continúa con modulación (CW-FM, CW-PM): se le añade a la señal modulación de fase o frecuencia con objeto de determinar cuando se transmitió la señal correspondiente a un eco (permite estimar distancias).
Radar de onda pulsada: es el funcionamiento habitual. Se transmite periódicamente un pulso, que puede estar modulado o no. Si aparecen ecos de pulsos anteriores al último transmitido, se interpretarán como pertenecientes a este último, de modo que aparecerán trazas de blancos inexistentes.
Según su finalidad
Radar de seguimiento: es capaz de seguir el movimiento de un blanco. Por ejemplo el radar de guía de misiles.
Radar de búsqueda: explora todo el espacio, o un sector de él, mostrando todos los blancos que aparecen. Existen radares con capacidad de funcionar en ambos modos.

Sonar

El sonar (del inglés SONAR, acrónimo de Sound Navigation And Ranging, ‘navegación y alcance por sonido’) es una técnica que usa la propagación del sonido bajo el agua (principalmente) para navegar, comunicarse o detectar otros buques.

El sonar puede usarse como medio de localización acústica, funcionando de forma similar al radar, con la diferencia de que en lugar de emitir señales de radiofrecuencia se emplean impulsos sonoros. De hecho, la localización acústica se usó en aire antes que el radar, siendo aún de aplicación el SODAR (la exploración vertical aérea con sonar) para la investigación atmosférica.

El término «sonar» se usa también para aludir al equipo empleado para generar y recibir el sonido. Las frecuencias usadas en los sistemas de sonar van desde las infrasónicas a las ultrasónicas.

Historia

Aunque algunos animales (como delfines y murciélagos) han usado probablemente el sonido para la detección de objetos durante millones de años, el uso por parte de humanos fue registrado por vez primera por Leonardo Da Vinci en 1490. Se decía que se usaba un tubo metido en el agua para detectar barcos, poniendo un oído en su extremo. En el siglo XIX se usaron campanas subacuáticas como complemento a los faros para avisar del peligro a los marineros.

El uso de sonido para la «ecolocalización» submarina parece haber sido impulsado por el desastre del Titanic en 1912. La primera patente del mundo sobre un dispositivo de este tipo fue concedida por la Oficina Británica de Patentes al meteorólogo inglés Lewis Richardson un mes después del hundimiento del Titanic, y el físico alemán Alexander Behm obtuvo otra por un resonador en 1913. El canadiense Reginald Fessenden construyó un sistema experimental en 1914 que podía detectar un iceberg a dos millas de distancia, si bien era incapaz de determinar en qué dirección se hallaba.

Durante la Primera Guerra Mundial, y debido a la necesidad de detectar submarinos, se realizaron más investigaciones sobre el uso del sonido. Los británicos emplearon pronto micrófonos subacuáticos, mientras el físico francés Paul Langevin, junto con el ingeniero eléctrico ruso emigrado Constantin Chilowski, trabajó en el desarrollo de dispositivos activos de sonido para detectar submarinos en 1915. Aunque los transductores piezoeléctricos y magnetostrictivos superaron más tarde a los electrostáticos que usaron, este trabajo influyó sobre el futuro de los diseños detectores. Si bien los transductores modernos suelen usar un material compuesto como parte activa entre la cabeza ligera y la cola pesada, se han desarrollado muchos otros diseños. Por ejemplo, se han usado películas plásticas ligeras sensibles al sonido y fibra óptica en hidrófonos (transductores acústico-eléctricos para uso acuático), mientras se han desarrollado el Terfenol-D y el PMN para los proyectores. Los materiales compuestos piezoeléctricos son fabricados por varias empresas, incluyendo Morgan Electro Ceramics.

En 1916, bajo el patrocinio del Consejo Británico de Invenciones e Investigaciones, el físico canadiense Robert Boyle se encargó del proyecto del sonar activo con Albert Beaumont Wood, construyendo un prototipo para pruebas a mediados de 1917. Este trabajo, para la División Antisubmarina, fue realizado en el más absoluto secreto, y usaba cristales de cuarzo piezoeléctricos para producir el primero aparato de detección subacuática de sonido activo factible del mundo.

Para 1918 tanto Estados Unidos como el Reino Unido habían construido sistemas activos, si bien los británicos estaban considerablemente más avanzados. Probaron su ASDIC (Allied Submarine Detection Investigation Committee, así eran conocidos los equipos de detección activa) en el HMS Antrim en 1920 y empezaron la producción de unidades en 1922. La 6ª Flotilla Destructora tuvo buques equipados con ASDIC en 1923. Un buque-escuela antisubmarino, los HMS Osprey, y una flotilla de entrenamiento compuesta por cuatro buques se establecieron en Isla de Pórtland en 1924. El Sonar QB estadounidense no llegó hasta 1931.

Con el inicio de la Segunda Guerra Mundial, la Marina Real Británica tenía cinco equipos para diferentes clases de buques de superficie y otros para submarinos, incorporados en un sistema de ataque antisubmarino completo. La efectividad de los primeros ASDIC estaba limitada por el uso de las cargas de profundidad como arma antisubmarina. Esto exigía que el buque atacante pasase sobre el contacto sumergido antes de lanzar las cargas, lo que hacía perder el contacto sonar en los momentos previos al ataque. El ataque exigía, pues, disparar a ciegas, periodo en el que el comandante del submarino podía adoptar con éxito medidas evasivas. Esta situación se remediaba usando varios buques cooperando juntos y con la adopción de «armas de lanzamiento delantero», como el Hedgehog y más tarde el Squid, que lanzaban las cargas a un blanco situado delante del atacante y por tanto aún en contacto ASDIC. Los desarrollos durante la guerra desembocaron en unos equipos ASDIC que usaban diferentes formas de onda, permitiendo que los puntos ciegos fueran cubiertos continuamente. Más tarde se emplearon torpedos acústicos.

Al inicio de la Segunda Guerra Mundial la tecnología británica de sonar fue transferida a los Estados Unidos. La investigación sobre el sonar y el sonido submarino se ampliaron enormemente, particularmente en este país. Se desarrollaron muchos nuevos tipos de sonar militar, entre ellos las sonoboyas, el sonar sumergible y el de detección de minas. Este trabajo formó la base de los desarrollos de posguerra destinados a contrarrestar los submarinos nucleares. El sonar siguió desarrollándose en muchos países para usos tanto militares como civiles. En los últimos años la mayoría de los desarrollos militares han estado centrados en los sistemas activos de baja frecuencia.

En la Segunda Guerra Mundial Estados Unidos usó el término SONAR para sus sistemas, acrónimo acuñado como equivalente de RADAR. En 1948, con la formación de la OTAN, la estandarización de señales llevó al abandono del término ASDIC en favor de SONAR. También puede utilizarse como RADAR.

Factores de rendimiento del sonar

El rendimiento de la detección, clasificación y localización de un sonar depende del entorno y del equipo receptor, además del equipo emisor en un sonar activo o del ruido radiado por el blanco en un sonar pasivo.

Propagación del sonido

El funcionamiento del sonar se ve afectado por las variaciones en la velocidad del sonido, especialmente en el plano vertical. El sonido viaja más lentamente en el agua dulce que en la salada. En cualquier agua la velocidad del sonido viene dada por el módulo de elasticidad y la densidad de masa. El módulo de elasticidad se ve afectado por la temperatura, las impurezas disuelta (normalmente la salinidad) y la presión, siendo menor el efecto de la densidad. Según Mackenzie, la velocidad del sonido c (en m/s) en el agua del mar es aproximadamente igual a:

c = 1448,96 + 4,591T - 5,304\cdot10^{-2}T^2 + 2,374\cdot10^{-4}T^3 + 1,430(S-35) + 1,630\cdot10^{-2}D + 1,675\cdot10^{-7}D^2 - 1,025\cdot10^{-2}T(S-35) - 7,139\cdot10^{-13}TD^3

Donde T es la temperatura (en grados Celsius, para valores entre 2 y 30°C), S la salinidad (en partes por millón, para valores de 25 a 40) y D la profundidad en m (para valores entre 0 y 8.000 m). Esta ecuación empírica es razonablemente precisa para los rangos indicados. La temperatura del océano cambia con la profundidad, pero entre 30 y 100 m hay un cambio a menudo notable, llamado termoclino, que divide el agua superficial más cálida de las profundas más frías que constituyen el grueso del océano. Esto puede dificultar la acción del sonar, pues un sonido que se origine en un lado del termoclino tiende a curvarse o refractarse al cruzarlo. El termoclino puede estar presente en aguas costeras menos profundas, donde sin embargo la acción de las olas mezcla a menudo la columna de agua, eliminándolo. La presión del agua también afecta la propagación del sonido, aumentando su velocidad a presiones mayores, lo que hacen que las ondas sonoras se refracten alejándose desde la zona de mayor velocidad. El modelo matemático de refracción se denomina Ley de Snell.

Las ondas sonoras que se radian hacia el fondo del océano se curvan de vuelta a la superficie en grandes arcos debido a la presión creciente (y por tanto mayor velocidad del sonido) con la profundidad. El océano debe tener al menos 1.850 m de profundidad para que las ondas sonoras devuelvan el eco del fondo en lugar de refractarse de vuelta a la superficie, reduciendo la pérdida del fondo el rendimiento. En las condiciones adecuadas estas ondas sonoras se concentrarán cerca de la superficie y serán reflejadas de vuelta al fondo repitiendo otro arco. Cada foco en la superficie se denomina zona de convergencia, formando un anillo en el sonar. La distancia y anchura de la zona de convergencia depende de la temperatura y salinidad del agua. Por ejemplo, en el Atlántico Norte las zonas de convergencia se encuentran aproximadamente cada 33 millas náuticas (61 km), dependiendo de la época del año. Los sonidos que pueden oírse desde sólo unas pocas millas en línea directa pueden pues ser también detectados cientos de millas más lejos. Con sonares potentes la primera, segunda y tercera zonas de convergencia son bastante útiles; más allá de ellas la señal es demasiado débil y las condiciones térmicas demasiado inestables, reduciendo la fiabilidad de las señales. La señal se atenúa naturalmente con la distancia, pero los sistemas de sonar modernos son muy sensibles, pudiendo detectar blancos a pesar de las bajas relaciones señal-ruido.

Si la fuente de sonido es profunda y las condiciones adecuadas, la propagación puede ocurrir en el «canal de sonido profundo». Este proporciona una pérdida de propagación extremadamente baja para un receptor en el canal, lo que se debe a que el sonido atrapado en el canal no tiene pérdidas en los límites. Propagaciones parecidas pueden ocurrir en la «cinta de superficie» en condiciones buenas. Sin embargo en este caso hay pérdidas por reflejo en la superficie.

En aguas poco profundas la propagación es generalmente por reflejos repetidos en la superficie y el fondo, pudiéndose producir pérdidas considerables.

La propagación del sonido también se ve afectada por la absorción del agua así como de la superficie y el fondo. Esta absorción cambia con la frecuencia, debiéndose a diferentes mecanismos en el agua marina. Por esto el sonar que necesita funcionar en distancias largas tiende a usar frecuencias bajas, de forma que se minimicen los efectos de la absorción.

El mar contiene muchas fuentes de ruido que interfieren con el eco o firma del blanco deseado. Las principales fuentes de ruido se deben a las olas y la navegación. El movimiento del receptor por el agua también puede producir ruido de baja frecuencia, en función de su velocidad.

Reverberación

Cuando se usa un sonar activo, se produce dispersión por los pequeños objetos del mar así como por el fondo y la superficie. Esto puede ser una fuente importante de interferencia que no ocurre en el sonar pasivo. Este efecto de dispersión es diferente del que sucede en la reverberación de una habitación, que es un fenómeno reflexivo. Una analogía es la dispersión de las luces de un coche en la niebla: un rayo de luz de una linterna potente puede penetrar la niebla, pero los faros son menos direccionales y producen un «borrón» en el que la reverberación devuelta domina. De forma similar, para superar la reverberación en el agua, un sonar activo necesita emitir una onda estrecha.

Características del blanco

El blanco de un sonar, como un submarino, tiene dos características principales que influyen sobre el rendimiento del equipo. Para el sonar activo son sus características reflectoras, conocidas como «fuerza» del blanco. Para el sonar pasivo, la naturaleza del ruido radiado por el blanco. En general el espectro radiado consistirá en un ruido continuo con líneas espectrales, usadas para clasificarlo.

También se obtienen ecos de otros objetos marinos tales como ballenas, estelas, bancos de peces y rocas.

Contramedidas

Los submarinos atacados pueden lanzar contramedidas activas para aumentar el nivel de ruido y crear un gran blanco falso. Las contramedidas pasivas incluyen el aislamiento de los dispositivos ruidosos y el recubrimiento del casco de los submarinos. EL sonar también se puede utilizar el los barcos.

Sonar activo

Esquema del principio básico del sonar activo.


El sonar activo usa un emisor de sonido y un receptor. Cuando los dos están en el mismo lugar se habla de funcionamiento monoestático. Cuando el emisor y el recepto están separados, de funcionamiento biestático. Cuando se usan más emisores o receptores espacialmente separados, de funcionamiento multiestático. La mayoría de los equipos de sonar son monoestáticos, usándose la misma matriz para emisión y recepción, aunque cuando la plataforma está en movimiento puede ser necesario considerar que esta disposición funciona biestáticamente. Los campos de sonoboyas activas pueden funcionar multiestáticamente.

El sonar activo crea un pulso de sonido, llamado a menudo un «ping», y entonces oye la reflexión (eco) del mismo. Este pulso de sonido suele crearse electrónicamente usando un proyecto sonar formando por un generador de señal, un amplificador de potencia y un transductor o matriz electroacústica, posiblemente un conformador de haces. Sin embargo, puede crearse por otros medios, como por ejemplo químicamente, usando explosivos, o térmicamente mediante fuentes de calor.

Para calcular la distancia a un objeto se mide el tiempo desde la emisión del pulso a la recepción de su eco y se convierte a una longitud conociendo la velocidad del sonido. Para medir el rumbo se usan varios hidrófonos, midiendo el conjunto el tiempo de llegada relativo a cada uno, o bien una matriz de hidrófonos, midiendo la amplitud relativa de los haces formados mediante un proceso llamado conformación de haz. El uso de una matriz reduce la respuesta espacial de forma que para lograr una amplia cobertura se emplean sistemas multihaces. La señal del blanco (si existe) junto con el ruido se somete entonces a un procesado de señal, que para los equipos simples puede ser sólo una medida de la potencia. Se presenta entonces el resultado a algún tipo de dispositivo de decisión que califica la salida como señal o ruido. Este dispositivo puede ser un operador con auriculares o una pantalla, en los equipos más sofisticado un software específico. Pueden realizarse operaciones adicionales para clasificar el blanco y localizarlo, así como para medir su velocidad.

El pulso puede ser de frecuencia constante o un pulso de frecuencia modulada (chirp) para permitir la compresión de pulso en la recepción. Los equipos simples suelen usar el primero con un filtro lo suficientemente ancho como para cubrir posibles cambios Doppler debidos al movimiento del blanco, mientras los más complejos suelen usar la segunda técnica. Actualmente la compresión de pulso suele lograrse usando técnicas de correlación digital. Los equipos militares suelen tener múltiples haces para lograr una cobertura completa mientras los más simples sólo cubren un arco estrecho. Originalmente se usaba un único haz realizando el escaneo perimetral mecánicamente, pero esto era un proceso lento.

Especialmente cuando se usan transmisiones de una sola frecuencia, el efecto Doppler puede usarse para medir la velocidad radial del blanco. La diferencia de frecuencia entre la señal emitida y la recibida se mide y se traduce a velocidad. Dado que los desplazamientos Doppler pueden deberse al movimiento del receptor o del blanco, debe tenerse la primera en cuenta para lograr un valor preciso.

El sonar activo se usa también para medir la distancia en el agua entre dos transductores (emisores-receptores) de sonar o una combinación de hidrófono y proyector. Cuando un equipo recibe una señal de interrogación, emite a su vez una señal de respuesta. Para medir la distancia, un equipo emite una señal de interrogación y mide el tiempo entre esta transmisión y la recepción de la respuesta. La diferencia de tiempo permite calcular la distancia entre dos equipos. Esta técnica, usada con múltiples equipos, puede calcular las posiciones relativas de objetos estáticos o en movimiento.

En época de guerra, la emisión de un pulso activo era tan comprometida para el camuflaje de un submarino que se consideraba una brecha severa de las operaciones.

Efectos adversos en la fauna marina

Los emisores de sonar de alta potencia pueden afectar a la fauna marina, si bien no se sabe exactamente cómo. Algunos animales marinos como ballenas y delfines usan sistemas de ecolocalización parecidos a los del sonar activos para detectar a predadores y presas. Se teme que los emisores de sonar puedan confundir a estos animales.

Se ha sugerido que el sonar militar infunde pánico a las ballenas, haciéndoles emerger tan rápidamente como para sufrir algún tipo de síndrome de descompresión. Esta hipótesis fue planteada por ver primera en un ensayo publicado en la revista Nature en 2003, que informaba de lesiones agudas por burbujas de gas (indicativas de síndrome de descompresión) en ballenas encalladas poco después del inicio de maniobras militares junto a las Islas Canarias en septiembre de 2002.

En 2000 en la Bahamas un ensayo de la Armada de Estados Unidos de transmisiones sonar en el rango de frecuencias de 3 a 8 kHz a una potencia de 223 a 235 decibelios por μPa (a la distancia de 1 m) provocó el encallamiento de diecisiete ballenas, siete de las cuales fueron halladas muertas. La Armada asumió su responsabilidad en un informe que halló que las ballenas muertas habían sufrido hemorragias inducidas acústicamente en los oídos. La desorientación resultante probablemente llevó al encallamiento.

Un tipo de sonar de media frecuencia ha sido relacionado con muertes masivas de cetáceos en todo el mundo, y culpado por los ecologistas de dichas muertes. El 20 de octubre de 2005 se presentó una demanda en Santa Mónica (California) contra la Armada de Estados Unidos por violar en las prácticas de sonar varias leyes medioambientales, incluyendo la National Environmental Policy Act, la Marine Mammal Protection Act y la Endangered Species Act.

Sonar pasivo

El sonar pasivo detecta sin emitir. Se usa a menudo en instalaciones militares, si bien también tienes aplicaciones científicas, como detectar la ausencia o presencia de peces en diversos entornos acuáticos.

Identificación de fuentes sonoras

El sonar pasivo cuenta con una amplia variedad de técnicas para identificar la fuente de un sonido detectado. Por ejemplos, los buques estadounidenses suelen contar con motores de corriente alterna de 60 Hz. Si los transformadores o generador se montan sin el debido aislamiento de la vibración respecto al casco o se inundan, el sonido de 60 Hz del motor puede ser emitido por el buque, lo que puede ayudar a identificar su nacionalidad, pues la mayoría de submarinos europeos cuentan con sistemas a 50 Hz. Las fuentes de sonido intermitentes (como la caída de una llave inglesa) también pueden detectarse con equipos de sonar pasivo. Hasta recientemente, la identificación de una señal era realizada por un operador según su experiencia y entrenamiento, pero actualmente se usan ordenadores para este cometido.

Los sistemas de sonar pasivo pueden contar con una gran base de datos sónica, si bien la clasificación final suele ser realizada manualmente por el operador de sonar. Un sistema informático usa a menudo esta base de datos para identificar clases de barcos, acciones (por ejemplo, la velocidad de un buque, o el tipo de arma disparada), e incluso barcos particulares. La Oficina de Inteligencia Naval estadounidense publica y actualiza constantemente clasificaciones de sonidos.

Limitaciones por ruido

El sonar pasivo suele tener severas limitaciones por culpa del ruido generado por los motores y la hélice. Por este motivo muchos submarinos son impulsados por reactores nucleares que pueden refrigerarse sin bombas, usando sistemas de convección silenciosos, o por células de combustible o baterías, que también son silenciosas. Los propulsores de los submarinos también se diseñan y construyen de forma que emitan el menor ruido posible. La propulsión a alta velocidad suele crear diminutas burbujas de aire, fenómeno que se conoce como cavitación y tiene un sonido característico.

Los hidrófonos del sonar pueden remolcarse detrás del barco o submarino para reducir el efecto del ruido generado por la propia agua. Las unidades remolcadas también combaten el termoclino, ya que puede ajustarse su altura para evitar quedar en esta zona.

La mayoría de los sonares pasivos usaban una representación bidimensional. La dirección horizontal de la misma era la marcación y la vertical la frecuencia, o a veces el tiempo. Otra técnica de representación era codificar con colores la información frecuencia-tiempo de la marcación. Las pantallas más recientes son generadas por ordenadores e imitan las típicas pantallas indicadoras de posición de los radares.

Aplicaciones militares

La guerra naval hace un uso extensivo del sonar. Se usan los dos tipos descritos anteriormente, desde varias plataformas: buques de superficie, aeronaves e instalaciones fijas. La utilidad de los sonares activos y pasivos depende de las características del ruido radiado por el blanco, generalmente un submarino. Aunque en la Segunda Guerra Mundial se usó principalmente el sonar activo, excepto por parte de los submarinos, con la llegada de los ruidosos submarinos nucleares se prefirió el sonar pasivo para la detección inicial. A medida que los submarinos se hacían más silenciosos se fue usando más el sonar activo.

El sonar activo es extremadamente útil dado que proporciona la posición exacta de un objeto. Su uso es sin embargo algo peligroso, dado que no permite identificar el blanco y cualquier buque cercano a la señal emitida la detectará. Eso permite identificar fácilmente el tipo de sonar (normalmente por su frecuencia) y su posición (por la potencia de la onda sonora). Más aún, el sonar activo permite al usuario detectar objetos dentro en un determinado alcance, pero también permite que otras plataformas detecten el sonar activo desde una distancia mucho mayor.

Debido a que el sonar activo no permite una identificación exacta y es muy ruidoso, este tipo de detección se usa desde plataformas rápidas (aviones y helicópteros) o ruidosas (la mayoría de buques de superficies), pero rara vez desde submarinos. Cuando un sonar activo se usa en superficie, suele activarse muy brevemente en periodos intermitentes, para reducir el riesgo de detección por el sonar pasivo de un enemigo. Así, el sonar activo suele considerarse un apoyo del pasivo. En las aeronaves el sonar activo se usa en sonoboyas desechables que se lanzan sobre la zona a patrullar o cerca de los contactos de un posible enemigo.

El sonar pasivo escucha los ruidos por lo que tiene ventajas evidentes sobre el activo. Generalmente tiene un alcance mucho mayor que el activo y permite la identificación del blanco. Dado que cualquier vehículo a motor hace algo de ruido, terminará siendo detectado, dependiendo sólo de la cantidad de ruido emitido y del presente en la zona, así como la tecnología usada. En un submarino, el sonar pasivo montado a proa detecta en unos 270º respecto al centro del buque, la matriz montada en el casco, unos 160º a cada lado, y la matriz de la torreta en los 360º. Las zonas ciegas se deben a la propia interferencia del buque. Cuando se detecta una señal en cierta dirección (lo que significa que algo hace ruido en dicha dirección, a lo que se llama detección de banda ancha) es posible enfocar y analizar la señal recibir (análisis de banda estrecha). Esto se suele hacer usando una transformada de Fourier para mostrar las diferentes frecuencias que forman el sonido. Dado que cada motor hace un ruido específico, es fácil identificar el objeto.

Otro uso del sonar pasivo es determinar la trayectoria del blanco. Este proceso se llama Análisis del Movimiento del Blanco (TMA, Target Motion Analysis), y permite calcular el alcance, curso y velocidad del blanco. El TMA se realiza marcando desde qué dirección procede el sonido en momentos diferentes, y comparando el movimiento con el del buque del propio operador. Los cambios en el movimiento relativo se analizan usando técnicas geométricas estándar junto con algunas asunciones respecto a los casos límite.

El sonar pasivo es furtivo y muy útil, pero requiere componentes muy sofisticados y caros (filtros de paso de banda, receptores, ordenadores, software de análisis, etcétera). Suele equiparse en barcos caros para mejorar la detección. Los buques de superficie lo usan eficazmente, pero es incluso mejor usado en submarinos y también se emplea en aviones y helicópteros.

Sonar antisubmarino

Hasta hace poco, los sonares en barcos de superficie solían montarse sobre el casco, a los lados o en la proa. Pronto se determinó tras sus primeros usos que se necesitaba un medio de reducir el ruido de la navegación. Primero se usó lienzo montado en un marco, y luego protecciones de acero. Actualmente los domos suelen hacerse de plástico reforzado o goma presurizada. Estos sonares son principalmente activos, como por ejemplo el SQS-56.

Debido a los problemas del ruido de los barcos también se emplean sonares remolcados. Estos también tienen la ventaja de poder situarse a mayor profundidad. Sin embargo, existen limitaciones a su uso en aguas poco profundas. Un problema es que los cabestrantes necesarios para lanzar y recuperar estos sonares son grandes y caros. Un ejemplo de este tipo de sonares es el Sonar 2087 fabricado por Thales Underwater Systems.

Torpedo sonar

Los torpedos modernos suelen incluir un sonar activo/pasivo, que puede usarse para localizar directamente el blanco, pero también para seguir estelas. Un ejemplo pionero de este tipo de torpedos es el Mark 37.

Mina sonar

Las minas pueden incorporar un sonar para detectar, localizar y reconocer su blanco. Un ejemplo es la mina CAPTOR.

Sonar antiminas

El sonar antiminas (MCM, Mine Countermeasure) es un tipo especializado de sonar usado para detectar objetos pequeños. La mayoría de ellos se montan en el casco, siendo un ejemplo el Tipo 2093.

Sonar submarino

Los submarinos confían en el sonar mucho más que los barcos de superficie, que no pueden usarlo a gran profundidad. Estos equipos pueden montarse en el caso o ser remolcados.

Sonar aéreo

Sonar sumergible AN/AQS-13 lanzado desde un H-3 Sea King.

Los helicópteros pueden usarse para la lucha antisubmarina desplegando campos de sonoboyas activas/pasivas o empleado un sonar sumergible, como el AQS-13. Los aviones convencionales también pueden lanzar sonoboyas, teniendo más autonomía y capacidad para ello. El proceso de los datos recogidos por estos equipos puede realizarse en la aeronave en un barco. Los helicópteros también se han usado en misiones de contramedidas frente a las minas, usando sonares remolcados como el AQS-20A.

Contramedidas

Pueden ser remolcadas o independientes. Un ejemplo pionero fue el Sieglinde alemán.

Comunicaciones subacuáticas

Los barcos y submarinos van equipados con sonares especiales para la comunicación submarina. Un estándar OTAN permite que los diferentes tipos interactúen. Un ejemplo de estos equipos es el Sonar 2008.

Vigilancia marina

Durante muchos años los Estados Unidos operó un gran conjunto de matrices de sonar pasivo en varios puntos de los océanos del mundo, llamado colectivamente SOSUS (Sound Surveillance System, ‘sistema de vigilancia sonora’) y más tarde IUSS (Integrated Undersea Surveillance System, ‘sistema integrado de vigilancia submarina’). Se cree que un sistema parecido fue operado por la Unión Soviética. Al ser utilizadas matrices montadas permanentemente en el fondo del océano, se situaban en lugares muy silenciosos para lograr grandes alcances. El procesamiento de señales se realizaba utilizando grandes computadores en tierra. Con el final de la Guerra Fría una matriz SOSUS ha sido destinada a uso científico.

Seguridad submarina

El sonar puede usar para detectar hombres-rana y otros buceadores. Esto puede ser necesario alrededor de barcos o en las entradas de los puertos. El sonar activo también puede usarse como mecanismo disuasorio. Un ejemplo de estos equipos es el Cerberus.

Sonar de interceptación

Este sonar se diseña para detectar y localizar las transmisiones de sonares hostiles. Un ejemplo es el Tipo 2082 equipado en los submarinos de clase Vanguard.

Aplicaciones civiles

Aplicaciones pesqueras

Pantalla de un sonar de localización pesquera

La pesca es una importante industria sujeta a una demanda creciente, pero el volumen de capturas mundial cae como resultado una mayor escasez de recursos. La industria se enfrenta a un futuro de consolidación mundial continua hasta que puede alcanzarse un punto de sostenibilidad. Sin embargo, la consolidación de las flotas pesqueras ha acarreada una creciente demanda de sofisticados equipos electrónicos de localización pesquera tales como sensores, emisores y sonares. Históricamente, los pescadores han usado muchas técnicas diferentes para localizar bancos de peces. Sin embargo, la tecnología acústica ha sido una de las fuerzas más importantes tras el desarrollo de los pesqueros comerciales modernos.

Las ondas sonoras viajan de forma diferente a través de los peces que por aguas limpias debido a que la vejiga natatoria rellena de aire de éstos tiene una densidad diferente a la del agua marina. Esta diferencia de densidad permite la detección de bancos de peces usando el sonido reflejado. Actualmente, los pesqueros comerciales dependen casi completamente en los equipos acústicos para detectar peces.

Compañías como Marport Canada, Wesmar, Furuno, Krupp y Simrad fabrican sonares e instrumentos acústicos para la industria pesquera. Por ejemplo, los sensores de redes toman varias medidas bajo el agua y transmiten la información hasta un receptor a bordo. Cada sensor va equipado con uno o más transductores acústicos dependiendo de su función concreta. Los datos se transmiten usando telemetría acústica y se reciben en un hidrófono montado en el casco. Las señales se procesan y muestran en un monitor de alta resolución.

Cálculo de profundidad

Emitiendo ondas sonoras directamente hacia el fondo y registrando el eco de retorno es posible calcular la profundidad, dado que la velocidad del sonido en el agua es más o menos estable en un rango de profundidades pequeño.

Localización de redes

Se emplean equipos acústicos montados sobre las redes, que transmiten la información registrada por cable o telemetría acústica al buque pesquero. Así se sabe con exactitud la distancia de la red al fondo y la superficie, la cantidad de pescado dentro de la misma, y otros datos relevantes.

Cálculo de la velocidad del buque

Se han desarrollado sonares para medir la velocidad del barco relativa al agua y al fondo marino.

Sonares ROV/UUV

Se han equipado pequeños sonares en ROVs y UUVs para permitir su funcionamiento en condiciones de baja visibilidad. Estos sonares se usan para explorar por delante del vehículo.

Localización de aeronaves

Las aeronaves se equipan con sonares que funcionan como boyas para permitir su localización en caso de un accidente en el mar.

Aplicaciones científicas

Estimación de la biomasa

Pueden usarse sonares para estimar la biomasa presente en una región acuática, en función del reflejo sonoro devuelto por ésta. La principal diferencia con los equipos de localización pesquera es que el análisis hidroacústico cuantitativo requiere que las medidas se realicen con un equipo lo suficientemente sensible y bien calibrado como para obtener medidas fiables.

Los equipos hidroacústicos proveen un método repetible y no invasivo de recoger datos continuos y de alta resolución (por debajo del metro) en secciones tridimensionales, lo que permite medir la abundancia y distribución de los recursos pesqueros.

Etiquetas acústicas

Para seguir los movimientos de peces, ballenas, etcétera puede acoplarse a un animal un dispositivo acústico que emita pulsos a ciertos intervalos, posiblemente codificando, por ejemplo, la profundidad.

Medida de olas

Un transductor acústico vertical montado en el fondo marino o sobre una plataforma puede usarse para realizar medidas de la altura y periodo de las olas. De esto pueden derivarse estadísticas de las condiciones en la superficie de una ubicación dada.

Medida de la velocidad del agua

Se han desarrollado sonares de corto alcance especiales para permitir la medida de la velocidad del agua.

Determinación del tipo de fondo

Se han desarrollado sonares que pueden usarse para caracterizar el fondo marino: fango, arena, grava, limos, etcétera. Esto suele lograrse comparando los retornos directos y reflejados por el fondo.