A Guerra Eletrônica no Espectro Óptico 1. Histórico

Embora o termo “Guerra Eletrônica” simbolize, de acordo com a doutrina aceita mundialmente, a exploração do espectro eletromagnético para fins militares, historicamente seu significado tem sido quase que completamente associado a recursos empregados na faixa de microondas. Tal fato é decorrência natural da absoluta preponderância do emprego do radar como sensor de alarme antecipado, direção de tiro e guiagem de armas desde a Segunda Guerra Mundial, que marcou o início de seu emprego.

Somente a partir da década de 1950, com o desenvolvimento dos primeiros mísseis com guiagem a infravermelho, tais como o Sidewinder [1], e das primeiras aplicações militares do laser, é que as faixas espectrais de comprimentos de onda do ultravioleta, visível e infravermelho passaram a coabitar o universo da Guerra Eletrônica. O apêndice a este capítulo apresenta uma comparação entre a utilização de sensores radar e infravermelho na Guerra Moderna, onde se conclui que estes se complementam em vantagens e desvantagens táticas e tecnológicas, justificando o emprego de ambos em plataformas (navios, carros de combate e aeronaves) militares.

2. Princípios físicos fundamentais

2.1 – Regiões do espectro óptico utilizadas pela Guerra Eletrônica A faixa do espectro eletromagnético que denominamos como “espectro óptico” neste capítulo

abrange os comprimentos de onda de 10 nm (ultravioleta) até 1 mm (correspondente a uma freqüência de 300 GHz), onde se inicia a faixa das ondas milimétricas. Tal denominação baseia-se na necessidade da utilização de elementos ópticos (lentes, prismas e redes de difração, por exemplo) para a geração e captação destas ondas. A tabela I apresenta um detalhamento das regiões desta faixa.

Tabela I - Regiões do espectro óptico

Comprimentos de onda

Nome da Região Aplicações de Guerra Eletrônica

10 a 380 nm Ultravioleta Sistemas de alarme de míssil 380 a 760 nm Visível Câmeras de CCTV e lasers com penetração na água do

mar. 0.76 a 1 µm Infravermelho próximo Intensificadores de imagem para visão noturna; Feixes

para guiagem de mísseis tipo “beam raider”; designadores laser; bombas guiadas a laser.

1 a 3 µm Infravermelho curto Telêmetros laser; armas de energia dirigida; câmeras infravermelho com “gate” de distância para baixa visibilidade.

3 a 5 µm Infravermelho médio Câmeras de imagem térmica; sistemas de alarme de míssil; IRST; cabeças de guiagem de mísseis; bloqueadores infravermelho.

5 a 14 µm Infravermelho longo Câmeras de imagem térmica; IRST; cabeças de guiagem de mísseis.

14 a 1000 µm Infravermelho muito longo

Sem aplicações na G.E. atualmente. Utilizada em radioastronomia.

A aplicação das técnicas de Guerra Eletrônica nestas regiões do espectro óptico é limitada por efeitos

causados pela atmosfera, em especial da sua transmitância. O gráfico da figura 1 [2] mostra a transmitância de um feixe óptico propagando-se horizontalmente na atmosfera, no nível do mar, em um trecho de 1 Km. Observa-se que nas regiões do ultravioleta e do visível, a transmitância é elevada. No infravermelho, no entanto, ocorrem diversas bandas de absorção, devidas à ressonâncias de vibração e rotação de moléculas presentes no ar atmosférico. Nestas bandas, o feixe óptico é absorvido ao incidir na molécula, causando movimentos vibratórios, os quais por sua vez ocasionam a re-emissão do feixe com intensidades menores,gerando a atenuação da sua intensidade.

Figura 1 - Transmitância de um feixe óptico na atmosfera

As principais bandas de absorção são as de vapor d´água e gás carbônico, que ocorrem juntas em 1.3, 1.7 e 2.5 a 2.7 µm, as de gás carbônico em 4.2 e 13 a 16 µm e a de vapor d´água de 5 a 8 µm. Assim, na faixa do infravermelho tem-se algumas janelas de propagação nas regiões não afetadas por absorção severa. É nestas regiões que são empregados os sistemas de Guerra Eletrônica, como será visto adiante.

2.2 – Algumas equações e conceitos importantes A seguir são apresentadas, sem demonstração, algumas equações da física quântica que são

importantes para o entendimento dos princípios funcionais dos sistemas de Guerra Eletrônica no espectro óptico. Em 1900, Planck introduziu a teoria da radiação térmica, segundo a qual todo corpo à uma temperatura acima do Zero Absoluto (0 Kelvin) emite radiação em forma quantizada, sendo estes quanta denominados fótons. A energia de um fóton é dada por:

ν.hE =Onde h é a constante de Planck (6.6x10-34 J.s) e ν é a freqüência da onda eletromagnética

correspondente. Um corpo que irradie a máxima quantidade de energia a uma dada temperatura, ou seja que possua máxima eficiência de irradiação, é denominado corpo negro. Esta denominação advém da Lei de Kirchoff, que relaciona a absorbância (α), a refletividade (ρ) e a transmissividade (τ) de um corpo:

1=++ τραPara os corpos opacos, cuja transmissividade é nula, tem-se α+ρ=1, ou seja, para máxima absorção

(α=1), é necessária uma refletividade nula (ρ=0), ou seja, um corpo negro. Por reciprocidade, o corpo negro possui máxima eficiência tanto na absorção de energia, quanto na sua irradiação.

A energia irradiada por um corpo negro distribui-se ao longo dos comprimentos de onda por ele irradiados de acordo com a Lei de Planck:

1

1.2),( 5

2

−=

kThc

e

hcTLλλ

λ

Onde L é a radiância espectral em W/cm2/sr/µm, λ é o comprimento de onda, T é a temperatura em graus Kelvin, c é a velocidade da luz (3x108 m/s) e k é a constante de Boltzmann (1.38x10-23 J/K). A figura 2 mostra esta distribuição para as temperaturas de 25o C (preto), representativa dos corpos à temperatura ambiente, 400o C (vermelho), representativa da descarga de gases de mísseis e aeronaves, e de 5900o C (azul), temperatura da superfície solar. Derivando-se a equação de Planck em relação à temperatura e anulando-se o resultado, de forma a se encontrar o seu valor máximo, obtém-se a relação conhecida com Lei de Deslocamento de Wien:

)(2898)(

KTmpico =µλ

Esta relação é representada na figura 2 pela reta de cor preta que une os pontos de máximo das três

curvas. Assim, observa-se que quanto maior a temperatura absoluta do corpo negro, menor é o comprimento de onda onde a radiância espectral é máxima. Os objetos à temperatura ambiente irradiam com maior intensidade na região em torno de 10 µm; as descargas de gases de mísseis e aeronaves contém radiação

preponderante na região de 4 µm; e a radiação solar possui máxima radiância em 0.55 µm ou 550 nm, que também é o comprimento de onda de máxima resposta fotópica do olho humano.

Comprimento de onda (µm)

R

adiâ

ncia

esp

ectra

l (W

/cm

2 /m)

0.3 0.5 1 3 5 10 30

10-2

100

102

104

IBoltzman

aabsoluta,converta forma dedispositiv

Ajanelas eespectraisespectro propriedaao corpo um númecorpos em

••

Figura 2 - Radiância espectral de um corpo negro nas temperaturas de 25o C(preto), 400o C (vermelho) e 5900o C (preto).

ntegrando-se a equação de Planck ao longo de todo o espectro, obtemos a equação de Stephan-n,

4.)( TTLπσ

=

qual nos permite observar que a radiância L é proporcional à quarta potência da temperatura sendo σ denominada constante de Stepahn-Boltzmann. Se empregarmos um dispositivo que a radiância em um sinal elétrico, poderemos, então, efetuar o mapeamento térmico de uma cena na sinais elétricos, o que consiste no princípio de funcionamento das câmeras infravermelho. O o em questão é denominado detector. combinação dos comprimentos de onda de máxima radiância mostrados na figura 2, com as

spectrais de propagação atmosférica, mostradas na figura 1, são fatores determinantes das faixas onde são projetados e implementados os sensores e emissores empregados na Guerra Eletrônica no

óptico, os quais são apresentados nos itens de 3 a 6 deste capítulo. Um outro conceito de importante aplicação na Guerra Eletrônica é o de emissividade. Esta é uma de dos materiais que mede o grau de eficiência de irradiação de um determinado corpo, em relação negro, que é, como vimos, o que possui máxima eficiência de irradiação. Assim, a emissividade ε é ro entre 0 e 1, igual à absorbância α, já definida. A emissividade determina uma classificação dos três categorias: O corpo negro, que possui emissividade constante e unitária em todo o espectro; O corpo cinza (greybody), que possui emissividade constante em todo o espectro, cujos

exemplos são [2] o alumínio polido e limpo (ε=0.027), o ouro (ε= 0.028), a fibra de vidro (ε= 0.75) e o grafite (ε= 0.9). Pode-se observar que, conforme a Lei de Kirchoff, emissividades pequenas correspondem a altas refletividades; e

• O radiador seletivo, cuja emissividade varia com o comprimento de onda. Esta característica determina a assinatura espectral destes radiadores, como no caso da descarga de gases de um míssil, cuja assinatura típica é mostrada na figura 3.

Figura 3 – Assinatura espectral típica de um míssil (ref. [3]).

A assinatura espectral mostrada na figura 3 é um dos vários tipos de assinatura que uma plataforma pode apresentar no espectro óptico. Esta assinatura representa a distribuição da energia irradiada ou refletida pela plataforma ao longo das diversas faixas de comprimento de onda. Se integrarmos a assinatura espectral por todo o espectro, obteremos a assinatura radiométrica, um número (normalmente uma radiância) que expressa a quantidade de energia irradiada pela plataforma. Os medidores desta grandeza são os radiômetros, que são muito usados na área científica. Se fizermos um mapeamento da assinatura radiométrica, distribuindo-a por diversos elementos (pixels) de uma imagem, obteremos a assinatura espacial da plataforma, cuja representação é denominada termograma. Conforme mostra a figura 4, o termograma permite avaliar os pontos quentes de emissão, com aplicações militares e não-militares.

Figura 4 – Termograma de um navio de guerra em aspecto de través (lateral) Finalmente, se analisarmos a variação da assinatura radiométrica com o tempo, obteremos a assinatura temporal. Um exemplo deste tipo de assinatura, para um despistador infravermelho (“flare”) é mostrado na figura 5.

Figura 5 – Assinatura temporal de um “flare” (ref. [4]) 3. Armamentos que empregam sensores eletro-ópticos

3.1. Mísseis A guiagem de mísseis no espectro óptico é concentrada principalmente em duas faixas: a do visível, onde

as características distintas de refletividade do alvo em relação ao fundo (cenário) são exploradas, e a infravermelho, que utiliza o contraste térmico. A faixa do ultravioleta é pouco explorada nesta aplicação, uma vez que, conforme demonstra a Lei de Deslocamento de Wien, somente objetos a temperaturas extremamente elevadas irradiam nesta faixa.

No espectro visível, as principais armas utilizam matrizes (arrays) de imagem, normalmente empregando tecnologia CCD (“charge coupled devices”) que constituem minúsculas câmeras de TV cuja imagem é processada pela cabeça de busca (“seeker head”). A guiagem pode ser automática, onde um “software” de reconhecimento de padrões ópticos busca a correlação de formas encontradas nas imagens com referências armazenadas em banco de dados, ou manual, sendo as imagens transmitidas via link de RF ou fibra óptica ao operador, que realiza a guiagem por “joystick”. O AGM-65 Maverick, míssil ar-superfície utilizado pela Força Aérea dos EUA, utiliza este tipo de guiagem [5].

No espectro infravermelho, a tecnologia das cabeças de busca evoluiu a partir dos “spot trackers”, ou rastreadores de ponto, para os rastreadores de imagem. Os rastreadores de ponto foram desenvolvidos a partir dos anos 50, tendo como marco inicial a série AIM-9 – “Sidewinder”, largamente empregado como míssil ar-ar. Estes mísseis procuram por pontos quentes no campo de visão da óptica, ou seja, regiões de pequena extensão espacial que apresentem contraste térmico em relação ao fundo, sem, no entanto, formar imagem do alvo. No Brasil, é fabricado o míssil MAA-1 “Piranha”, mostrado na figura 6.

Figura 6 – Desenho do MAA-1 “Piranha” (www.mectron.com.br)

A cabeça de busca de um míssil com rastreador de ponto (Redeye) é mostrada na figura 7. Um raio com trajetória típica é mostrado na figura, incidindo sobre os espelhos primários (montados sobre os ímãs do giroscópio de estabilização). Em seguida, ocorre a reflexão no espelho secundário, que dirige o feixe na direção do detector. Neste caminho, o feixe passa antes pelo retículo (detalhado a seguir) e por uma lente ou conjunto de lentes de colimação do feixe. Uma rede de gás abastece um mini-resfriador que, por expansão na saída de gás de um capilar diretamente sobre a superfície do detector resfria-o a temperaturas criogênicas (cerca de –200o C).

Figura 7 – Cabeça de busca do míssil superfície/ar “Redeye” (ref. [6]) Do ponto de vista da guerra eletrônica, o retículo é o componente mais importante dos rastreadores de ponto. Consiste num disco contendo um desenho que alterna regiões opacas e transparentes, permitindo ou não a passagem do feixe recebido dos espelhos ao detector. O movimento relativo entre a óptica de entrada e o retículo, que pode ser obtido tanto com a rotação do retículo (mais comum) como com a rotação da óptica, gera uma modulação da luz cuja análise, pelo receptor do míssil, permite o cálculo dos seus comandos de guiagem.

O retículo mais simples consiste num disco com um setor de 180o transparente, e outro opaco. Sua rotação gera a modulação de uma onda quadrada sobre o feixe óptico, e a análise da fase desta onda permitiria a obtenção de informação angular da posição do alvo, conforme mostra a figura 8.

.. A

A tempo

saída do detector

Figura 8 – Identificação da posição angular do alvo pela modulação do sinal do detector

Um retículo um pouco mais elaborado consistiria num conjunto de setores angulares de, por exemplo, 30o, alternando opaco e transparente. A radiação oriunda de um alvo geraria, com este retículo, um sinal de onda quadrada cujo índice de modulação1 seria proporcional à distância do alvo ao centro do campo de visão

1 )(

)(minmax

minmaxVV

VVm +−=

da óptica. Este retículo também é útil para a rejeição de objetos de longa extensão espacial, tais como nuvens, que não causariam uma modulação muito baixa, realçando os alvos pontuais, que apresentariam maior modulação.

O retículo mais utilizado nas primeiras gerações de mísseis guiados a infravermelho é o tipo “sol nascente”, mostrado na figura 9. Sua utilização permite tanto a localização do alvo em relação ao eixo óptico (ângulo e distância), como a rejeição de objetos extensos (“clutter”). O setor angular de 180o possui uma transmitância de 50%, de forma a gerar um nível DC no sinal modulado. O “sol nascente” foi utilizado nas primeiras gerações do míssil Sidewinder, com rotação de 70 ciclos por segundo, o que gerava uma freqüência de modulação de 1200 Hz [1]. Esta técnica de guiagem ainda é a mais empregada em mísseis ar-ar, onde o “clutter” é menos severo.

Figura 9 – Retículo “sol nascente”

Além do retículo, outras técnicas que são empregadas no rastreador são as de modulação por pulso, onde

quatro detectores em formato de cruz giram para gerar a modulação; a de pseudo-imagem, onde um detector executa uma varredura em formato rosácea (“rosette scan”), utilizada no míssil Stinger [6], e a de rastreamento por imagem, que também é utilizada no infravermelho, empregando técnicas de processamento de imagem. Esta é a técnica utilizada pela maioria dos mísseis modernos, como por exemplo o ASRAAM, Sidewinder AIM-9X e o FOG-M, devido à sua maior imunidade à contramedidas, como será visto adiante.

Um outro tipo de míssil com rastreador na faixa óptica é o guiado a feixe laser (“laser beam rider”), no qual um feixe laser na faixa do infravermelho próximo é emitido pelo lançador, que deve iluminar o míssil e o alvo durante todo o tempo de vôo. O míssil possui um receptor no nariz, para detectar o alvo através da reflexão da energia irradiada pelo lançador, e outro receptor na cauda, para receber os sinais de guiagem. Por receber os sinais de guiagem na cauda, é muito imune a contramedidas de bloqueio (“jamming”).

Finalmente, há uma categoria de mísseis que procura um contraste térmico na vertical, encontrado na linha d’ água de navios. O míssil anti-navio norueguês Pingüim é o principal exemplo.

3.2. Bombas guiadas O alto custo por tiro dos mísseis e a relativamente baixa precisão das bombas convencionais fez surgir

uma classe de armas que apresenta um perfil intermediário, com bom balanço custo-desempenho. Estes dispositivos possuem uma limitada capacidade de alterar a sua trajetória, que lhes permite, após um relativamente longo tempo de vôo em regime balístico, ajustar o seu trecho final de forma a obter maior precisão. Para tal, utilizam-se de energia emitida por designadores laser que, uma vez refletida no alvo, é utilizada como sinal de guiagem, após processamento. Os cenários de aplicação mais comuns são mostrados na tabela II:

Tipo de artilharia Posição do designador Posição do armamento Exemplos Anti-carro A partir de terra (portátil)

ou de aeronave Carro de combate ou aeronave de ataque

Paveway e Hellfire (EUA), Krasnapol (Rússia)

Antiaérea Terra Bateria antiaérea Pave Storm (EUA) Anti-navio Navio Navio Projétil guiado

Copperhead calibre 5”/.54Tabela II – Cenários de aplicação das bombas guiadas

A tecnologia de bombas guiadas já atingiu um considerável grau de maturidade, e deverá se espalhar pelos países não-desenvolvidos ou em desenvolvimento nos próximos anos [6]. Possui como vantagens a precisão e a possibilidade de integração com outros sensores, e como desvantagens a degradação pelas condições meteorológicas e a necessidade de manter o feixe laser sobre o alvo durante todo o tempo de vôo. A designação é feita com pulsos laser de alta potência, necessária para produzir uma alta relação sinal/ruído no rastreador da bomba. Geralmente, são utilizados lasers de neodímio YAG (“Ytrium aluminum garnet”) operando no infravermelho próximo (1.064 µm para combate ou 1.54 µm com deslocador de efeito Raman para operação “eye safe” em treinamento). Dados os requisitos legais de operação em forças de coalisão multinacionais, sujeitas a estritas regras de engajamento, o sinal emitido pelo designador recebe uma codificação pulsada que identifica unicamente o alvo. A mesma codificação é programada no rastreador da arma, de forma a assegurar a identificação positiva do alvo antes do engajamento. A arma (bomba) possui um rastreador com detector quadrantal (quatro detectores dispostos em um quadrado) cuja soma e diferença de sinais geram comandos de navegação esquerda/direita e acima/abaixo.

O desempenho das bombas guiadas é diretamente proporcional à quantidade de energia (potência x tempo de exposição) do iluminador que se consegue colocar sobre o alvo, que depende da divergência do feixe (da ordem de microradianos), precisão de apontamento, oscilação da linha de visada, condições atmosféricas e presença de contramedidas como fumaça e obscurantes.

Como exemplo de designador laser atualmente utilizado cita-se o LANTIRN, um “pod” reunindo designador, FLIR e rastreador de laser para instalação em diversos tipos de aeronaves. Um exemplo de bomba guiada é a Paveway III (figura 10), que utiliza navegação proporcional e giroscópio de referência vertical, tendo sido largamente empregada na Guerra do Golfo para ataque a alvos em terra. A versão mais recente possui guiagem dual, utilizando laser ou navegação por GPS/inercial, a segunda utilizada em más condições meteorológicas.

Figura 10 – Bomba guiada a laser GBU-24/B (Paveway III) (www.raytheon.com)

3.3. Armas de energia dirigida Os mesmos fatores de custo que motivaram o desenvolvimento das bombas guiadas também originaram

os projetos de pesquisa de armas cujos vetores são ondas eletromagnéticas ou feixes de elétrons. As armas de energia dirigida em desenvolvimento na atualidade utilizam três tecnologias [7]: feixes laser, feixes de microondas e feixes de partículas, sendo apenas a primeira objeto desta seção.

Os lasers de alta energia (HEL – “High Energy Lasers”) são empregados para ataque a pessoal, instalações ou equipamentos com o propósito de degradar, neutralizar ou destruir aqueles recursos. Neste ponto, os HEL devem ser distinguidos dos lasers para contramedidas, que visam tão somente a proteção da plataforma contra degradação, neutralização ou destruição impostas pelo inimigo. Esses lasers são mostrados no item 5.

O uso bem sucedido de uma arma laser não está apenas relacionado à potência que este pode irradiar. O seu grau de letalidade é determinado pela capacidade de concentrar esta potência sobre o alvo, durante um determinado período. O produto da potência pelo tempo, normalizado por unidade de área do alvo é denominado fluência do laser e é a figura de mérito deste tipo de arma.

A figura 11 mostra o diagrama em blocos típico de uma arma laser [8]. O módulo laser é a fonte emissora de energia luminosa. As tecnologias escolhidas pelo Departamento de Defesa dos EUA para esta aplicação são os lasers químicos, a estado sólido e de elétrons livres. O principal parâmetro de desempenho do laser é o fator de qualidade M2, uma medida de quanto o formato do feixe difere do ideal, gaussiano, que determina por sua vez o seu grau de divergência espacial. O feixe ideal possui M2=1. Enquanto os lasers de baixa potência possuem M2 entre 1,1 e 1,3, para os HEL este valor pode chegar a 4 [9], ocasionando uma maior dificuldade para a concentração de energia sobre o alvo, que deve ser corrigida pela óptica da arma laser, representada pelos dois blocos centrais na fig. 11.

Figura 11 – Diagrama em blocos de uma arma laser [8] O maior desafio tecnológico para a implementação de armas laser são os efeitos da propagação do feixe

na atmosfera. Estes efeitos são bastante diferentes para os casos de feixes de baixa potência e de alta potência, como no caso das armas laser. Em baixa potência, os efeitos são lineares e resumem-se a absorção, espalhamento e turbulência atmosférica. Estes efeitos já são suficientes para espalhar, desfocalizar e até defletir o feixe, mudando a sua direção. Em alta potência, ocorrem também efeitos não lineares, tais como fluorescência térmica, resfriamento cinético, aprisionamento e descoloração do feixe, além da ruptura atmosférica, que determina o limite máximo de intensidade do feixe que pode ser propagada [10].

A severidade desses efeitos no feixe justifica a complexidade da óptica das armas laser. Utiliza-se o conceito de óptica adaptativa, que utiliza espelhos deformáveis que se adaptam às variações atmosféricas para compensar as distorções por elas causadas no feixe. Conforme mostra a figura 11, a óptica adaptativa é implementada por duas malhas de controle: a local e a do alvo. Em cada uma destas malhas, um sensor de frente de onda mede a deformação desta frente, causada pela propagação, na direção do alvo e do fundo. A deformação do feixe do fundo é empregada como referência para a plataforma inercial que controla o feixe irradiado sobre o alvo. O espelho deformável é implementado utilizando-se microespelhos montados sobre sistemas microeletromecânicos (“MEMS – micro-electro-mechanical systems”), que permitem que cada microespelho tenha movimento independente dos demais, de forma a compensar, no feixe irradiado, as deformações previstas da frente de onda, que são calculadas a partir das medições realizadas nos feixes recebidos.

A complexidade da óptica, por sua vez, explica os insucessos e a longa duração dos projetos de desenvolvimento de armas laser. Nos EUA, os projetos em andamento são o “Air Force Airborne Laser” (ABL), da Força Aérea, para defesa contra mísseis balísticos táticos, o “Space Based Laser” (SBL), da Força Aérea em conjunto com a Organização de Defesa contra Mísseis Balísticos, para defesa contra mísseis balísticos intercontinentais e táticos, e o “Tactical High Energy Laser” (THEL), do Exército, para defesa contra foguetes e outras armas táticas. Os alcances envolvidos são da ordem de 5000 Km para o SBL e de 250 Km para o ABL. Os lasers químicos empregados possuem potências da ordem de mega-watts, sendo o custo de cada tiro da ordem de milhares de dólares. Um dos objetivos de projeto do ABL é produzir um feixe com diâmetro máximo de 50 cm, a 250 Km de distância.

4. Sensores eletro-ópticos

4.1. FLIR 4.2. IRST 4.3. MAW 4.4. LADAR (range-gated), ver outros nos anais SPIE/2004.

5. Contramedidas eletro-ópticas - aps SIGE - camuflagem (livro SPIE – Jacobs) 6. Contra-contramedidas eletro-ópticas – aps SIGE, tese

7. Referências: [1]R. Westrum. Sidewinder: Creative missile development at China Lake. Naval Institute Press, Annapolis, 1999. [2] R.D. Hudson. Infrared system engineering. Wiley-Interscience, Nova Iorque, 1969. [3] De onde saiu a figura 3. [4] De onde saiu a figura 5. [5] J. Powers. Electro-Optical and infrared Systems: Technology Review and Update. Naval Postgraduate School, Monterey, 2000. [6] M.A. Richardson - Optical and Infra-Red Counter Measures and Protective Measures – Royal Military College of Science – Universidade de Cranfield, Reino Unido, 1999. [7] FAS [8] Laser review.pdf [9] http://www.mellesgriot.com/glossary/wordlist/glossarydetails.asp?wID=180[10] H. Weichel, Laser Beam Propagation in the Atmosphere. Tutorial Texts in Optical Engineering, vol. TT 3, SPIE Press, Bellingham, EUA, 1990.

Apêndice

O EMPREGO DE SENSORES RADAR E INFRAVERMELHO NA GUERRA MODERNA Conforme mencionado na introdução, o radar e os sensores eletro-ópticos são os mais importantes

para aplicações da defesa, embora o emprego destes últimos seja mais recente. O fato mais óbvio é o de que, para se usar meios de radar, há que se emitir uma onda eletromagnética. Exceção feita ao radar multiestático, que é limitado a circunstâncias operacionais específicas, o uso do radar oferecerá ao oponente informação sobre a marcação e, em alguns casos, da distância da plataforma emissora. Os sensores eletro-ópticos têm a vantagem de explorar a energia que está já disponível da emissão do alvo, ou da reflexão da radiação de outras fontes naturais. O outro aspecto importante é que as técnicas de discrição (“stealth”) radar não podem ser aplicadas sem considerar os impactos na assinatura infravermelho. Em se fazendo a superfície de um alvo menos reflexiva às freqüências de microondas, e se esta refletividade for baixa, possivelmente isto também ocorrerá na faixa do infravermelho, levando este alvo a emitir maiores níveis de radiação, de acordo com a lei de Kirchoff, vista anteriormente.

É também importante considerar, para aplicações de vigilância, o volume em torno da plataforma do sensor que pode acompanhado por unidade de tempo, denominado “volume de vigilância”. Evitando-se considerações detalhadas sobre o tempo de observação (“dwell time”) e da integração de vários pulsos (para radar) ou da radiância medida por pixel (para infravermelho), o feixe do radar, sendo muito mais largo do que o campo de visão instantâneo (IFOV) do sensor eletro-óptico, poderia fazer a varredura de um determinado volume muito mais rapidamente.

Um outro fator ligado ao diagrama de irradiação daqueles sensores é a resolução, muito maior no infravermelho, fazendo-o mais apropriado para a identificação e o imageamento de alvos. Entretanto, as técnicas de radar de abertura sintética (SAR) também estão alcançando resoluções da mesma ordem de grandeza do limite de difração óptica.

O radar tende a ser mais sensível às contramedidas eletrônicas, e o rápido aumento das velocidades de processamento de sinais radar favorece o desenvolvimento de tanto de contramedidas quanto das contra-contramedidas. Por outro lado, os sensores infravermelho são bem mais imunes a tais medidas, o que incentiva o seu uso em ambientes eletronicamente saturados.

Talvez a desvantagem mais significativa dos sensores eletro-ópticos, principalmente para aplicações de sensoriamento remoto, é a sua suscetibilidade às condições do tempo. O fato de que o radar pode "ver através das nuvens" permite a operação em qualquer condição meteorológica, o que pode ser de grande valia em situações do combate. No caso dos sistemas eletro-ópticos, a propagação do feixe é perturbada pelo espalhamento causado por partículas e aerossóis em suspensão na atmosfera, quando seus diâmetros são comparáveis ao comprimento de onda da radiação. A tabela 1 apresenta um sumário comparativo de efeitos da atenuação para vários sensores e características atmosféricas. A absorção molecular é considerada apenas superficialmente. Os dados foram retirados das referências 6 e 7.

Partícula aerossóis Nuvens Chuva Neve

Diâmetro 0.1-10µm 2-100µm 0.5-7mm 0.5-7mm

Visível

(0.4-0.7µm)

Baixa para cenários marítimos, sem fumaça

Alta (opaca) Média

Infravermelho próximo

(0.7-3µm)

Baixa

Alta, independente do comprimento de onda

Infravermelho médio

(3-8µm)

Baixa fora da banda de absorção do CO2 em 4.5µm

Alta, espalhamento tipo Mie

Baixa /média

Alta, aumenta com o comprimento de onda, função da temperatura e umidade

Apêndice

Infravermelho térmico

(8-14 µm)

Baixa

Radar de onda milimétricas (1mm a 1 cm)

Baixa, espalhamento do tipo Rayleigh fora da absorção por oxigênio a 0.5cm

Baixa, dependendo da concentração, caracterizada pela visibilidade óptica

Baixa abaixo de 5 mm com neve seca. Média acima daquele valor ou com neve em fusão

Radar de microondas (1 a 100 cm)

Baixa fora da banda de absorção de vapor d’água a 1.35cm

Média Média a 3 cm e em toda a faixa para taxas de precipitação mais altas

Baixa

Tabela 1 – Efeitos de atenuação por partículas atmosféricas A fim comparar o radar e os sensores infravermelho em relação aos alcances máximos, não podemos

computá-los apenas usando as equações radar, já que o primeiro tem uma propagação em dois sentidos de um pulso ativo ou de uma onda contínua, enquanto no segundo o trajeto é único, vindo do alvo ao detector, e o sinal é estocástico. Em vez disto, devemos olhar os fatores que limitam a sensibilidade em ambos os casos.

Em um sistema de vigilância, o alcance máximo na ausência de “clutter” é determinado pela sensibilidade do receptor, que é dependente da quantidade de ruído. No caso do infravermelho, o nível mínimo discernível do fluxo radiante é, sem nenhum outro ganho de processamento, a potência equivalente do ruído (NEP – “noise equivalent power”). Este é o nível do sinal necessário para gerar uma relação sinal-ruído unitária na entrada do sistema eletro-óptico, e uma medida da quantidade de ruído inerente a este sistema.

A detecção óptica é limitada por vários fatores, descritos na figura 1, uma simples representação de um sistema eletro-óptico:

Figura 1 – Fatores limitadores da sensibilidade de sistemas eletro-ópticos

Fluxo de fótons

Óptica de entrada

Ruído do detector Ruído do pré-

amplificador

“Clutter” de fundo

De maneira a analisar estes fatores, executaremos um exercício de pensamento, em que um alvo

pontual distante deve ser detectado utilizando um sistema hipotético que opera com uma eletrônica altamente ruidosa e de qualidade baixa. O ruído do pré-amplificador será dominante, e o desempenho do sistema seria bastante pobre. Se nós removêssemos esta limitação, usando pré-amplificadores integrados ao detector, de muito baixo ruído, o desempenho seria melhorado, e o ruído do detector passaria então a ser significativo. Agora se refrigerarmos criogenicamente o detector, a cerca de –200o C, e se uma filtragem óptica apropriada fosse empregada, os ruídos do detector seriam insignificantes, e a fonte dominante seria ou o ruído fotônico, que vem da taxa de chegada aleatória de fótons na óptica de entrada do sistema, ou a radiância de fundo (“clutter”). Isto dependeria do projeto do sistema, e da sua aplicação. Como exemplos, em radioastronomia, a radiância de fundo é muito fraca e o sistema é dito ser limitado pelo ruído fotônico. Para

Apêndice

um cenário marítimo, com observação quase horizontal, o sistema será limitado pela radiância de fundo (BLIP- “Background Limited Infrared Photodetector”).

Agora supondo-se que poderia ser possível eliminar ambas as fontes acima mencionadas, nós encontraríamos a limitação final para sistemas óticos de imagem, a saber o limite de difração. Este decorre do tamanho finito da abertura da óptica de entrada, causando um espalhamento da imagem da fonte pontual (alvo) a ser detectado, descrito normalmente pela função da espalhamento de ponto (“Point spread function” - PSF) do sistema. Aparentemente, a PSF impactará somente a resolução, mas o alcance máximo será também reduzido pelo efeito de embaçamento do alvo pontual, misturando-o ao fundo.

Já em relação ao radar, o aumento do alcance com o aumento da potência transmitida está limitado ao horizonte radar, por fatores da propagação. Este limite é também aplicável à faixa do infravermelho, porém o horizonte infravermelho é menor que o radar, para uma mesma altura do sensor.

Uma limitação fundamental ao desempenho em alcance radar é também o ruído gerado no receptor, caracterizado pela sua temperatura de ruído. Para se fazer uma analogia com o infravermelho, com referência à figura 1, o “clutter” de fundo corresponderia à temperatura de ruído da antena, também dependente das temperaturas das fontes radiantes presentes no cenário, que são determinadas por sua vez pela lei da radiação de Planck (vista no item 2); a óptica de entrada seria representada pela antena do sistema radar; o detector seria o misturador de entrada, onde ambos realizam uma conversão de freqüência, o primeiro de uma freqüência óptica para uma freqüência de banda base, o segundo de um sinal de RF para um sinal de freqüência intermediária (FI); e o pré-amplificador seria o amplificador de FI.

Componentes de microondas de muito baixo ruído estão sendo projetados para sensoriamento remoto radar a partir de satélites, alcançando sensibilidades limitadas apenas por “clutter” em aplicações de vigilância de áreas de grande porte.

Finalmente, a restrição mais importante ao alcance do radar é imposta pela situação tática. A clara vantagem de alcance do radar sobre o infravermelho é freqüentemente anulada pela política de controle de emissão (condição de silêncio eletrônico), estabelecida para negar o estabelecimento da posição da plataforma.

Um sumário das comparações feitas nesta seção é apresentado na tabela 2. Característica Radar Infravermelho

Localização da plataforma

emissora

Ativo. A localização é possível

utilizando-se um receptor MAGE.

Passivo. A localização da fonte

não é possível.

Volume de vigilância na unidade

de tempo

Maior. Menor.

Resolução Menor. Maior.

Susceptibilidade a contramedidas Pode ser susceptível sem o uso de

recursos de contra-

contramedidas.

Muito menos susceptível.

Influência de mau tempo Menos influenciado. Desempenho degradado por

nuvens, chuva e neblina.

Alcance máximo Maior, porém pode ser limitado

por razões táticas.

Menor.

Tabela 2 – Sumário de características dos sensores radar e infravermelho

Devido a essas possibilidades e limitações interligadas, reconhece-se atualmente que o radar e os sensores infravermelho têm uma natureza complementar, que originou o desenvolvimento de sensores combinados, seja com duas apresentações distintas, uma para cada sensor, seja empregando técnicas de fusão dos dados e apresentando as informações somente em um “display”. Um outro exemplo são as cabeças de busca de mísseis, que podem carregar sensores infravermelho e de radar de ondas milimétricas, um de cada vez sendo selecionado para gerar o sinal de “homing”, dependendo do ambiente, condições climáticas e contramedidas.