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.
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.
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 »).
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).
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.
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.
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.
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.
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.
| Nom de bande | Plage de fréquences | Longueurs d’onde | Commentaires |
|---|---|---|---|
| HF | 3-30 MHz | 10-100 m | Pour high frequency (haute fréquence) utilisé pour radars côtiers et radars “au-delà de l’horizon”, |
| P | < 300 MHz | 1 m+ | Pour precedent: appliqué à posteriori aux radars primitifs |
| VHF | 50-330 MHz | 0.9-6 m | Pour very high frequency (très haute fréquence) utilisé par les radars à très longue portée et pour ceux à pénétration de sol. |
| UHF | 300-1000 MHz | 0.3-1 m | Pour ultra high frequency (extrême haute fréquence) : radar à très longue portée(ex. détection de missiles balistiques), pénétration de sol et de feuillage |
| L | 1-2 GHz | 15-30 cm | Pour long et utilisé pour contrôle aérien de longue portée et surveillance aérienne. |
| S | 2-4 GHz | 7.5-15 cm | Pour short (court) utilisé pour les radars de trafic aérien local, radar météorologique et naval |
| C | 4-8 GHz | 3.75-7.5 cm | Compromis entre les bandes S et X pour les transpondeurs satellitaires et radars météorologiques |
| X | 8-12 GHz | 2.5-3.75 cm | Pour radar météorologique, autodirecteur de missiles, radar de navigation, radar à résolution moyenne de cartographie, surveillance au sol des aéroports |
| Ku | 12-18 GHz | 1.67-2.5 cm | Fréquence juste sous K (indice 'u' pour under en anglais) pour radar de cartographie à haute résolution, altimétrie satellitaire; |
| K | 18-27 GHz | 1.11-1.67 cm | De 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. |
| Ka | 27-40 GHz | 0.75-1.11 cm | Fréquence juste au-dessus de K (indice 'a') pour cartographie, courte portée, surveillance au sol d’aéroport, radars routiers (34.300 ± 0.100 GHz) automatisés. |
| mm | 40-300 GHz | 1 - 7.5 mm | bande millimétrique subdivisée en: |
| V | 40-75 GHz | 4.0 - 7.5 mm | |
| W | 75-110 GHz | 2.7 - 4.0 mm | Utilisé comme radar anti-collision automobile et pour observation météorologique à haute résolution et courte portée |
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.
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.
Les radars ont aujourd'hui une très grande variété d'applications dans de nombreux domaines :
Acronyme | Astronautique | Radar | Instrument de navigation
Радар | Radar | Radiolokátor | Radar | Radar | Radar | Radar | رادار | Tutka | Radar | מכ"ם | Radar | Radar | Radar | レーダー | Radar | Radar | Radar | Radar | Radar | Радиолокационная станция | Radar | Radar | RADAR | Радар | Radar | Radar | Radar | 雷达