Notions de base sur les Radars

Le terme RADAR est l’acronyme Radio Detection And Ranging, adopté par la marine américaine en 1945, que l’on peut traduire par : détection et estimation de la distance par ondes radio. Le développement du radar est dû en grande partie à la révélation technologique qui a pris place au 20ème siècle, et durant la deuxième guerre mondiale. Il a connu un progrès rapide et continu. Dans le temps moderne, l’utilisation du radar est plus vaste non seulement dans le domaine militaire mais aussi civil, même aussi spatial. Si on décompose le sens du mot Radar, on peut définir :
– Radio : les radars fonctionnent à des fréquences comprises entre 3 MHz (ondes de surface ou par rétrodiffusion ionosphère) et 100 GHz (courtes portées).
– Détection : des seules cibles utiles, définies par les spécifications de besoin des utilisateurs, donc avec rejet des signaux parasites après identification.
– And : simultanément.
– Ranging : localisation des cibles en quatre dimensions : Site, Gisement, Distance, Vitesse radial).
Les principaux domaines d’utilisations du radar sont :
➤ Émettre un signal hyperfréquences (radio) vers une scène.
➤ Capter le signal rétrodiffusé de la scène.
➤ Enregistrer l’intensité (détection) du signal de retour et le délai entre ce dernier et le signal émis (télémétrie).
Le RADAR est donc un instrument d’alerte (détection) et de mesure (localisation). Dans cette deuxième fonction, deux caractéristiques sont essentielles :
◆ précision, incertitude sur la valeur exacte de chaque paramètre de localisation.
◆ pouvoir séparateur, ou résolution : possibilité de distinguer et de localiser séparément plusieurs cibles.
Détection et localisation doivent être obtenues dans un cadre espace – temps :
◆ le volume surveillé (dans les quatre dimensions).
◆ la cadence à laquelle cette surveillance doit être renouvelée.
Dans ce premier chapitre nous allons aborder le radar sous l’aspect généralités afin de donner un maximum de connaissance au lecteur pour qu’il puisse se mettre dans le sujet et qu’il acquière les outils nécessaires pour pouvoir cadrer le problème.

Principe de fonctionnement 

Description du radar 

La variation de la fréquence du signal sert à déterminer la vitesse relative de l’obstacle par rapport à la source (effet Doppler). La direction dans laquelle se trouve l’obstacle est obtenue en pointant une antenne à faisceau étroit dans la direction donnant le plus grand signal réfléchi.  Les systèmes radar sont très largement traités dans des ouvrages spécialisés. Le radar fait usage de l’écho produit par un obstacle situé sur la trajectoire d’une onde électromagnétique. Dans la majorité des cas, l’émetteur et le récepteur sont connectés à une antenne commune. Le temps qu’il faut à une onde électromagnétique pour aller de l’émetteur à l’obstacle, puis de l’obstacle au récepteur est mesuré et permet de calculer la distance R qui les sépare.

Détection et localisation

Un émetteur rayonne un signal bref et un récepteur recueille l’écho engendré par la cible. Les radars les plus couramment employés pour la mesure de la distance font usage de brèves impulsions de durée de signal hyperfréquence qui sont émises avec une fréquence de répétition Fr .Cette méthode permet d’obtenir un signal hyperfréquences de haute puissance en utilisant une puissance moyenne raisonnable.

Perturbations dues au bruit

Le récepteur génère un bruit propre, évalué par son facteur de bruit. Des sources extérieures sont constituées par les étoiles (radioastronomie) et des émissions, volontaires ou non, de signaux parasites. Le signal correspondant est aléatoire, généralement décrit comme gaussien, centré (valeur moyenne nulle) et blanc (spectre limité). C’est un vecteur dont l’amplitude est distribuée suivant une loi de Rayleigh et dont la phase est équiprobable. Les échos parasites apparaissent de façon aléatoire, mais ne constituent pas toujours un bruit blanc suivant le domaine concerné. L’écho utile s’ajoute au bruit. Pour détecter un écho, il faut éviter de :
– prendre une pointe de bruit pour un écho, ce qui provoque une fausse alarme.
– décider qu’il s’agit d’un bruit seul, alors qu’un écho a été reçu, manque de détection.
Le critère est constitué par le franchissement d’un seuil, fixé pour que la probabilité de dépassement par le bruit seul (probabilité de fausse alarme) soit très faible.

Surface réfléchissante effective 

Un obstacle est caractérisé par sa surface réfléchissante effective σ, définie comme étant le quotient de la puissance réfléchie vers le radar par la densité de puissance incidente. La réflexion produite par l’obstacle peut, en théorie, être calculée au moyen des équations de Maxwell en présence des conditions aux limites de l’obstacle.

Composantes d’un système radar

Un radar est constitué de différentes composantes, à savoir [1]-[4] :
Emetteur : qui génère l’onde radio.
Duplexeur : commutateur électronique qui dirige l’onde vers l’antenne lors de l’émission ou le signal de retour depuis l’antenne vers le récepteur lors de la réception quand on utilise un radar mono-statique. Il permet donc d’utiliser la même antenne pour les deux fonctions : émission et réception. Il est primordial qu’il soit bien synchronisé, puisque la puissance du signal émis est de l’ordre du mégawatt ce qui est trop important pour le récepteur qui, lui, traite des signaux d’une puissance de l’ordre de quelques nano-watts. Au cas où l’impulsion émise serait dirigée vers le récepteur, celui-ci serait instantanément détruit.
Antenne radar : Un conducteur parcouru par un courant électrique alternatif produit un champ électromagnétique qui rayonne dans l’espace environnant. Ainsi, un ensemble de conducteurs élémentaires, traversé par des courants variables puissants, forme une antenne radio éditrice. Selon l’alignement de ses conducteurs élémentaires, une antenne peut être plus ou moins directive. L’antenne radar exploite les propriétés des ouvertures planes rectangulaires et diffuse l’onde électromagnétique vers la cible avec le minimum de perte. Sa vitesse de déplacement, rotation et/ou balancement, ainsi que sa position, en élévation comme en azimut, sont asservies, soit mécaniquement au moyen de moteur, soit électroniquement au moyen de pondération en amplitude et en phase.
Récepteur : Qui reçoit le signal incident (cible-antenne-guide d’ondes-duplexeur), le fait émergé des bruits radios parasites, l’amplifie et le traite.
Etage de traitement de signal : Permettant de traiter le signal brut afin d’en extraire des données utiles à l’opérateur (détection, suivi et identification de cible; extraction de paramètres météorologiques, océanographiques, etc.). Le tout est contrôlé par le système électronique du radar. Les données obtenues sont alors affichées aux utilisateurs.