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le Radar est un système qui utilise les ondes radio pour détecter et déterminer la distance ou la vitesse d'objets tels que les avions, bateaux, ou encore la pluie. La vitesse est mesurée à partir du nombre de changements de fréquence de l'Effet Doppler du signal renvoyé. Un émetteur envoie des ondes radio, qui sont réfléchies par la cible et détectées par un récepteur, souvent situé au même endroit que l'émetteur. Bien que le signal radio renvoyé soit souvent très faible, ces signaux peuvent facilement être amplifiés, afin que les radars puissent détecter des objets dans des gammes où les autres ondes, telles que le son ou la lumière visible, sont trop faibles pour être détectées. Le radar est utilisé dans de nombreux contextes, par exemple en météorologie, contrôle du trafic aérien, ou encore pour la surveillance du traffic routier, et par les militaires.

Plusieurs inventeurs, scientifiques, et ingénieurs ont contribué au développement du radar. L'utilisation d'ondes radio pour détecter "la présence d'objets métalliques distants via les ondes radio" a été réalisée pour la première fois par Christian Hülsmeyer, qui a démontré la possibilité de détecter la présence de bateaux dans un brouillard très dense et a déposé un brevet pour le radar (Reichspatent Nr. 165546). Hungarian Zoltán Bay a produit un autre des premiers modèles opérationnels en 1936 dans le laboratoire de Tungsram.

Le mot radar est un néologisme provenant de l'acronyme anglais : RAdio Detection And Ranging, que l'on peut traduire par « détection et estimation de la distance par ondes radio » ou plus simplement «radiorepérage». Cet acronyme d'origine américaine a remplacé l'acronyme Anglais précédemment utilisé : "RDF" ("Radio Direction Finding"). Depuis, le mot "radar" est entré dans la langue anglaise comme un mot usuel, perdant donc son écriture en lettres majuscules.

Histoire


  • Début :
    • Développement de la radio et de la TSF (par Marconi, entre autres), donc des antennes
    • Les fondements théoriques du radar datent du début du avec, en 1904, le dépôt du brevet du « Telemobiloskop » par l'Allemand Christian Hülsmeyer.
    • Dans les années 1920 : expériences de détection avec des antennes. Il faut résoudre des problèmes de longueur d’onde et de puissance.

  • En 1934, des essais sur des systèmes de détection par radio sont menés par des intérêts français (16 et 80 cm de longueur d'onde) et en 1935, un tel système utilisant des antennes paraboliques, est monté sur le paquebot Normandie (16 cm) :

  • En 1935, premier réseau de radars commandé par les Britanniques selon un brevet de Robert Watson-Watt (l’inventeur « officiel » du radar)

  • Durant la Seconde Guerre mondiale, nombreux développements tant du point de vue technique, tels radars aéroportés, mais également expérimentations sur la polarisation et découvertes d'artéfacts. Par exemple, les opérateurs des radars micro-ondes des armées alliées remarquèrent du bruit dans les images. Ces bruits s'avérèrent être des échos venant de précipitations (pluie, neige, etc.), ce qui a mené au développement des radars météorologiques après la fin des combats.

Paternité contestée de l'invention

L’extraordinaire mutation technique que provoqua le radar dans l’électronique s’est bien entendu accompagnée d’une abondante floraison de mémoires, dont la légende et le nationalisme technique n’ont malheureusement pas toujours été absents. Le principe fondamental du radar appartient au patrimoine commun des physiciens : ce qui demeure en fin de compte au crédit réel des techniciens se mesure à la réalisation effective de matériels operationels. (Maurice Ponte)

La création des radars a été revendiquée par des Anglais qui ont réussi à répandre cette idée en Amérique, ce qui leur fut facilité par les circonstances de la guerre et de l’occupation de la France par l’ennemi. Cependant la vérité est autre. (Emile Girardeau)

Généralités


Description générale

Un radar émet de puissantes impulsions d’ondes radio et se met à l’écoute d’un écho. En analysant le signal réfléchi, il est possible de localiser et parfois d’identifier l’objet responsable de la réflexion. Bien que les ondes radio puissent être facilement émises à n’importe quelle puissance, l’amplitude du signal renvoyé est souvent très petite. Néanmoins, les signaux radio sont facilement détectables et peuvent être amplifiés de nombreuses fois. Ainsi le radar peut détecter des objets dans une large gamme, alors que les autres types de signaux, tels que le son ou la lumière visible, seraient trop faibles pour être détectés. Les ondes radios peuvent se propager avec une atténuation beaucoup plus faible que la lumière dans la plupart des cas, par exemple à travers les nuages, le brouillard ou la fumée, ce qui rend possible la détection et le pistage dans des conditions qui paralysent les autres technologies.

Réflexion

Les ondes électromagnétiques reflètent tous les changements significatifs des constantes diélectriques ou diamagnétiques. Cela signifie qu’un objet solide dans l’air ou le vide, ou tout autre changement significatif de la densité atomique entre l’objet et ce qui l’entoure, disperse les ondes radar. C’est particulièrement vrai pour les matériaux conducteurs d’électricité, tels que les métaux et la fibre de carbone, ce qui rend les radars très adaptés à la détection d’avions et bateaux. Des matériaux absorbant les ondes des radars, contenant des substances résistantes ou/et magnétiques, sont utilisés sur les véhicules militaires afin de réduire la réflexion de l’onde. C’est en quelque sorte équivalent à peindre quelque chose dans une couleur sombre.

Les ondes radar se dispersent de différentes façons suivant la taille (longueur d'onde) de l’onde radio et la forme de la cible. Si la longueur d’onde est beaucoup plus petite que la taille de la cible, l’onde rebondira de la même manière que la lumière sur un miroir. Si la longueur d’onde est beaucoup plus grande que la taille de la cible, celle-ci est polarisée (les charges négatives et positives sont séparées), de la même manière qu’une antenne dipolaire. Ceci est décrit par le modèle de la diffusion Rayleigh, qui est aussi responsable de la couleur bleue du ciel ou du rouge d’un coucher de soleil. Quand les deux longueurs sont comparables, il peut se produire des résonnances. Les premiers radars utilisaient des longueurs d’onde beaucoup plus importantes que la taille des cibles et recevaient un signal vague, tandis que certains radars modernes utilisent des longueurs d’onde plus courtes (quelques centimètres, voire moins) qui peuvent voir des objets plus petit qu’une baguette de pain.

Les ondes radio courtes sont réfléchies depuis des courbes et des coins d’une manière semblable au reflet d’un morceau de verre arrondi. Les cibles les plus réfléchissantes pour de courtes longueurs d’ondes ont des angles de 90° entre les surfaces réfléchissantes. Une structure composée de trois surfaces planes se rejoignant en un seul coin (par exemple le coin d’une boite), réfléchira toujours les ondes entrantes directement vers la source. Ces types de réflexion sont couramment utilisés comme réflecteurs radar afin de détecter plus facilement des objets difficilement décelables autrement, et sont souvent présents sur des bateaux afin d’améliorer leur détection en cas de sauvetage et de réduire les risques de collision. Pour les même raisons, les objets voulant éviter d’être détectés vont orienter leurs surfaces afin d’éliminer les coins intérieurs et éviter les surfaces et arêtes perpendiculaires aux directions de détection courantes. Cela conduit à des avions furtifs aux formes particulières. Ces précautions n’éliminent pas complètement les réflexions à cause du phénomène de diffraction, particulièrement pour les grandes longueurs d’onde. Des câbles ayant pour longueur la moitié de la longueur d’onde ou des bandes de matériau conducteur (comme le radar chaff, que l’on peut traduire par « paillettes radar ») sont très réfléchissants mais ne renvoient pas l’onde vers sa source. La manière dont un objet réfléchit ou disperse les ondes radio est appelée sa RCS (« radar cross section »).

Equation du radar

Voir equation du radar

D’autres développements mathématiques incluent des analyses basées à la fois sur le temps et la fréquence (par exemple Weyl Heisenberg ou la théorie des ondelettes), telles que la transformée de Chirplet qui utilise le fait que les cibles en mouvement des radars sont typiquement « chantantes » (c'est-à-dire qu’elles changent leur fréquence en fonction du temps, comme le chant d’un oiseau ou les chauves-souris).

Polarisation

Dans le signal émit par le radar, le champ électrique est perpendiculaire à la direction de propagation, et la direction de ce champ électrique est la polarisation de l’onde. Les radars utilisent une polarisation verticale, horizontale et circulaire pour détecter différents types de réflexions. Par exemple, la polarisation circulaire est utilisée pour minimiser les interférences causées par la pluie. Une polarisation linéaire indique généralement des surfaces métalliques, et aide un radar de recherche à ignorer la pluie. Une polarisation aléatoire indique généralement une surface fractale, telle du roc ou de la terre, et est utilisée par les radars de navigation.

Interférences

Les radars doivent surmonter des sources nombreuses et variées de signaux malvenus afin de se focaliser uniquement sur les cibles intéressantes. Ces signaux malvenus peuvent avoir des origines internes et externe, passives et actives. La capacité d’un radar à surmonter ces nuisances définit son rapport signal sur bruit (SNR) : plus le SNR est grand, plus le radar peut isoler efficacement une cible des signaux parasites alentours.

Bruit

Le bruit du signal est une source interne de variations aléatoires du signal, que tous les composants électroniques génèrent de façon inhérente à différents degrés. Le bruit apparaît typiquement comme des variations aléatoires superposées au signal d’écho voulu reçu par le radar. Plus la puissance du signal désiré est faible, plus il est difficile de le discerner du bruit (tenter d’entendre un murmure près d’une route encombrée est similaire). Ainsi, les sources de bruit les plus importantes apparaissent au niveau du récepteur et beaucoup d’efforts sont fait pour minimiser ces facteurs. La figure de bruit est une mesure du bruit produit par un récepteur comparé à un récepteur idéal, et ce ratio doit être minimal. Le bruit est aussi généré par des sources extérieures, principalement par les radiations thermiques naturelles de l’environnement entourant la cible du radar. Dans le cas des radars modernes, grâce aux hautes performances de leurs récepteurs, le bruit interne est environ égal ou inférieur au bruit de l’environnement extérieur. Excepté si le radar est pointé vers un ciel dégagé, auquel cas l’environnement est si froid qu’il génère très peu de bruit thermique.

Désordre

Le désordre se réfère aux fréquences radio envoyées par des cibles qui sont par definition inintéressantes pour les opérateurs radar en general. Ces cibles sont généralement des objets naturels tels que le sol, la mer, les précipitations (telles que la pluie, la neige ou la grêle), les tempêtes de sable, les animaux (particulièrement les oiseaux), les turbulences atmosphériques, et d’autres effets atmosphériques (par exemple les chûtes de météores ou les réflexions sur l’ionosphère). Le désordre peut aussi être dû à des objets fabriqués par l’homme tels que les immeubles, et, intentionnellement, les contremesures comme chaff.

Le désordre peut aussi être causé par une grande structure guidant les ondes entre le transcepteur du radar et l’antenne. Dans un radar PPI type avec une antenne rotative, ce désordre sera vu généralement comme un « éclat de soleil » dans le centre de l’affichage lorsque le récepteur répond aux échos dus à des particules de poussière ou à des fréquences radio parasites. Pour réduire cet effet sans diminuer la portée, il est nécessaire d’ajuster le timing entre le moment où l’émetteur envoie une pulsation et le moment où le récepteur est activé, car la plupart de ces effets sont causés par des ondes émises qui sont réfléchies avant de quitter l’antenne.

Bien que certaines sources de désordres puissent être indésirables pour certaines applications du radar (comme les nuages orageux pour des radars de défense aérienne), ils peuvent être souhaité pour d’autres (radars météorologiques par exemple). Le désordre est considéré comme une source d’interférences passives, puisqu’il apparaît en réponse à des signaux émis par le radar. Il existe plusieurs manières de détecter et neutraliser le désordre. Plusieurs de ces méthodes reposent sur le fait que le désordre tend à apparaître constant entre les balayages du radar. Ainsi, en comparant des passages du radar successifs, la cible désirée sera mobile et tous les échos stationnaires pourront être éliminés. Le désordre dû à la mer peut être réduit en utilisant une polarisation horizontale, tandis que la pluie est réduite avec une polarisation circulaire (notez que les radars météorologiques souhaitent obtenir l’effet inverse, utilisant donc une polarisation linéaire afin de détecter des précipitations). Les autres méthodes visent à augmenter le rapport signal sur désordre.

La méthode CFAR (« Constant False-Alarm Rate », parfois appelée AGC pour « Automatic Gain Control ») repose sur le fait que les échos dus au désordre sont beaucoup plus nombreux que ceux dus à la cible. Le gain du récepteur est automatiquement ajusté afin de maintenir un niveau constant de désordre visible. Cela n’aide pas à détecter des cibles masquées par un désordre environnant plus fort, mais cela aide à distinguer les cibles ayant un rayonnement important. Par le passé, le CFAR était contrôlé électroniquement et affectait le gain de tout le récepteur. Au fur et à mesure de l’évolution des radars, le CFAR est devenu contrôlé par ordinateur et affecte le gain avec une meilleure précision, sur des cellules de détection précises.

Le désordre peut aussi avoir pour origine les échos dus au phénomène de trajets multiples d’une cible à cause des réflexions au sol, de la conductivité atmosphérique ou des réflexions/réfractions ionosphériques. Ce type de désordre est particulièrement contraignant, puisqu’il est en mouvement et se comporte de la même manière que les cibles voulues, créant ainsi un fantôme. Prenons un cas typique : un avion voit son écho réfléchi à cause des trajets multiples causés par le sol, apparaissant sur le récepteur comme une cible identique située sous la cible correcte. Le radar risque de tenter d’unir les deux cibles, de signaler la cible à une hauteur incorrecte ou – pire – de l’éliminer en le considérant comme un jitter ou une impossibilité physique. Ces problèmes peuvent être surmontés en incorporant une carte du sol des environs du radar et en éliminant tous les échos ayant une origine située sous le niveau du sol ou au dessus d’une certaine hauteur.

Brouillage

Le brouillage radar se réfère aux fréquences radios originaires de sources extérieures au radar, émettant à la fréquence du radar et masquant donc les cibles intéressantes. Le brouillage peut être intentionnel (un dispositif antiradars dans le cas d’une guerre électronique) ou non voulu (par exemple dans le cas de forces alliées utilisant du matériel qui émet dans la même gamme de fréquences). Le brouillage est considéré comme une source d’interférences active, puisqu’il est causé par des éléments extérieurs au radar et généralement sans lien avec les signaux du radar. Le brouillage pose des problèmes aux radars puisque les signaux de brouillage n’ont besoin de parcourir qu’un aller (du brouilleur au récepteur du radar) alors que les échos du radar parcourent un aller-retour (radar-cible-radar) et sont donc beaucoup moins puissants une fois de retour au récepteur. Les brouilleurs ont donc beaucoup moins besoin d’être puissants que les radars afin de masquer efficacement les sources le long du champ de vision depuis le brouilleur vers le radar (brouillage du lobe principal). Les brouilleurs ont un effet supplémentaire sur les radars situés le long d’autres champs de visions, à cause des lobes latéraux du récepteur du radar (brouillage des lobes latéraux).

Le brouillage du lobe principal peut généralement seulement être réduit en réduisant son angle solide, et ne peuvent jamais être complètement éliminés si le brouilleur est situé directement face au radar et s’il utilise la même fréquence et polarisation que le radar. Le brouillage des lobes latéraux peut être surmonté en réduisant les lobes de réception latéraux dans la conception de l’antenne du radar et en utilisant une antenne unidirectionnelle afin de détecter et ignorer tous les signaux non destinés au lobe principal. On peut citer d’autres techniques antibrouillages : le Frequence hopping et la polarisation par exemple. Se référer aux contre-contre-mesures électroniques pour plus de détails.

Les interférences sont récemment devenues un problème pour les radars météorologiques C-band (5,66 Ghz) à cause de la prolifération des équipements WiFi à 5,4 Ghz.

Plages de fréquences

Le nom des plages de fréquences utilisées dans le monde des radars provient de la Seconde Guerre Mondiale. En effet, pour garder secret le développement de ce système, les militaires ont décidé de donner des noms de codes qui sont demeurés en usage depuis ce temps. Ils ont été adoptés aux États-Unis par le Institute of electrical and electronics engineers (IEEE) et internationalement par l’Union Internationale des Télécommunications. La plupart des pays ont en plus défini quelles parties de chaque bande peuvent être disponibles aux secteurs militaires et civils. Cependant, certains utilisateurs des bandes radios, comme les télédiffuseurs et l’industrie des contre-mesures militaires, ont remplacé les vocables traditionnels par leur propre identification.

Plages de fréquences radar
Nom de bandePlage de fréquencesLongueurs d’ondeCommentaires
HF3-30 MHz10-100 mPour high frequency (haute fréquence) utilisé pour radars côtiers et radars “au-delà de l’horizon”,
P< 300 MHz1 m+Pour precedent: appliqué à posteriori aux radars primitifs
VHF50-330 MHz0.9-6 mPour very high frequency (très haute fréquence) utilisé par les radars à très longue portée et pour ceux à pénétration de sol.
UHF300-1000 MHz0.3-1 mPour ultra high frequency (extrême haute fréquence) : radar à très longue portée(ex. détection de missiles balistiques), pénétration de sol et de feuillage
L1-2 GHz15-30 cmPour long et utilisé pour contrôle aérien de longue portée et surveillance aérienne.
S2-4 GHz7.5-15 cmPour short (court) utilisé pour les radars de trafic aérien local, radar météorologique et naval
C4-8 GHz3.75-7.5 cmCompromis entre les bandes S et X pour les transpondeurs satellitaires et radars météorologiques
X8-12 GHz2.5-3.75 cmPour radar météorologique, autodirecteur de missiles, radar de navigation, radar à résolution moyenne de cartographie, surveillance au sol des aéroports
Ku12-18 GHz1.67-2.5 cmFréquence juste sous K (indice 'u' pour under en anglais) pour radar de cartographie à haute résolution, altimétrie satellitaire;
K18-27 GHz1.11-1.67 cmDe l’allemand kurz(court); très absorbé par la vapeur d’eau, Ku et Ka sont utilisés pour la détection des gouttelettes de nuages en météorologie et dans les radars routiers (24.150 ± 0.100 GHz) manuels.
Ka27-40 GHz0.75-1.11 cmFréquence juste au-dessus de K (indice 'a') pour cartographie, courte portée, surveillance au sol d’aéroport, radars routiers (34.300 ± 0.100 GHz) automatisés.
mm40-300 GHz1 - 7.5 mmbande millimétrique subdivisée en:
V40-75 GHz4.0 - 7.5 mm  
W75-110 GHz2.7 - 4.0 mmUtilisé comme radar anti-collision automobile et pour observation météorologique à haute résolution et courte portée

Mesure de distance

La façon la plus simple de mesurer la distance à un objet est d'émettre une courte impulsion de signal radio, et ensuite de mesurer le temps que prend l'onde pour revenir après avoir été réfléchie. La distance est la moitié du trajet total (car le signal doit aller à la cible puis revenir) divisée par la vitesse du signal, qui est proche de la vitesse de la lumière dans le vide si le milieu traversé est l'atmosphère.

Quand l'antenne est à la fois émettrice et réceptrice (ce qui est le cas le plus courant), l'antenne ne peut pas détecter l'onde réfléchie (aussi appelée retour) pendant que le signal est émis - on ne peut pas savoir si le signal mesuré est l'original ou le retour. Cela signifie qu'un radar a une portée minimale, qui est la moitié de la durée de l'impulsion multipliée par la vitesse de la lumière. Pour détecter des cibles plus proches, il faut utiliser une durée d'impulsion plus courte.

Un effet similaire impose de la même manière une portée maximale. Si le retour arrive quand l'impulsion suivante est émise, une fois encore le récepteur ne peut pas faire la différence.

Principe de fonctionnement du radar à impulsions


Le principe technique de base du radar à impulsions consiste à envoyer des paquets d'onde électromagnétique à intervalles réguliers (à une fréquence de répétition appelée en anglais PRF, pour Pulse Repetition Frequency). Différents émetteurs sont utilisés dont le magnétron, le klystron et les oscillateurs à état solide. L'onde est émise par une antenne bipolaire, parabolique ou à commande de phase

Lorsque l'onde émise intercepte un objet, une partie de son énergie est renvoyée vers l'antenne du radar : on dit qu'elle est rétrodiffusée. Grossièrement, la mesure du temps écoulé entre l'émission de l'onde et sa réception permet de localiser la cible : cette dernière se trouve à une distance du radar égale à la moitié de la vitesse de la lumière multipliée par cet intervalle de temps.

La mesure de l'amplitude du signal (réflectivité) reçu permet de caractériser de façon plus ou moins précise la nature de la cible (une cible parfaitement réfléchissante renvoie plus d'énergie qu'une cible peu réfléchissante). Enfin, la mesure de la différence de phase entre le signal émis et le signal reçu permet d'évaluer le décalage en fréquence dû au déplacement de la cible selon l'axe de visée, et ainsi de déduire la vitesse radiale de cette cible par l'effet Doppler-Fizeau.

La portée maximale théorique du radar est égale à la moitié de la vitesse de la lumière divisée par la fréquence de répétition.

Applications


Les premières utilisations opérationnelles du radar eurent lieu pendant la Seconde Guerre mondiale afin de détecter depuis la côte l'approche de formations aériennes, et de navires, tant par le Royaume-Uni que par les forces allemandes.

Les radars ont aujourd'hui une très grande variété d'applications dans de nombreux domaines :

  • militaire : radars de détection et de surveillance aérienne au sol ou embarqués (sur chasseurs pour le combat aérien et Système de Détection et de Commandement Aéroporté sur avions de guêt (Airborne Warning And Control System (AWACS) en anglais); radars de veille surface sur navire de guerre ; radars d'appontage ; identification radar (IFF) ; autodirecteurs de missiles ; radars de détection terrestre ; radar d'artillerie ; brouilleurs radars ; satellites radar d'observation de la terre ;
  • aéronautique : contrôle du trafic aérien ; guidage d'approche d'aéroport ; radars d'altimétrie ; radars de navigation ;
  • maritime : radar de navigation ; radars anti-collision ; balises radars ; transpondeur radar
  • météorologie : détection de précipitations (pluie, neige, grésil, grêle, etc.) et de formations nuageuses. Les radars les plus récents utilisent l'effet Doppler et sont donc capables d'évaluer la vitesse de ces particules.Certains radars utilisent les polarisations verticale et horizontale pour donner une idée du mélange de formes des particules sondées ce qui, associé à leur intensité, peut indiquer le type de précipitation.
  • circulation et sécurité routière : contrôle de la vitesse des automobiles (voir cinémomètre), le modèle classique sur les routes de France est le Miradop (mini radar doppler) utilisé par les brigades de gendarmerie. Ils sont placés sur les autoroutes, dans les zones où les véhicules roulent à une vitesse supérieure à la vitesse maximale autorisée. Radars de recul sur automobiles ;
  • scientifique : embarqués sur satellite pour connaissance de la Terre, niveaux des océans ...

Pour approfondir


Voir aussi


Articles connexes

Liens externes

Notes


Bibliographie


  • Yves Blanchard, Le Radar, 1904-2004. Histoire d'un siècle d'innovations techniques et opérationnelles, éditions Ellipses. ISBN 2729818022.
  • François Le Chevalier, Principes de traitement des signaux radar et sonar, éditions Masson, 1989. ISBN 2-225-81423-6. Edition revue et corrigée, en anglais : Principles of Radar and Sonar signal processing, Artech House, Boston, London, 2002. ISBN 1-58053-338-8.

Acronyme | Astronautique | Radar | Instrument de navigation

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