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Equation des radars
L’émetteur fournit une puissance 7 à l’antenne, qui la rayonne dans l’espace en la concentrant dans une ou plusieurs directions privilégiées, effet qui est représenté par le gain de l’antenne < . Ladensité de puissance décroît proportionnellement à 1 4JD + ⁄ , où D est la distance à l’antenne.Une partie du signal atteint la cible, qui la réfléchit partiellement dans ladirection de l’antenne. Lacible est représentée par sa surface réfléchissante effective Y . Ladensité de puissance réfléchie décroît à son tour inversement au carré de la distance. L’antennecapte une partie du signal réfléchi. Elle est représentée par sa surface de captation 3# , ellemême liée au gain par le rapport 3# o <P+⁄4J , où P est la longueur d’onde Le rapport entre la puissancereçue 7 et la puissance 7 fournie à l’antenne est donné par l’équation des radars [15]:
Mesure de distance
Les radars les plus couramment employés pour la mesure de distance font usage de brèves impulsions de durée ] de signal hyperfréquence qui sont émises avec une fréquence de répétition . Cette méthode permet d’obtenir un signal hyperfréquences de haute puissance en utilisant une puissance moyenne raisonnable. L’onde émise parcourt la distance D qui sépare l’émetteur de l’obstacle, puis revient vers le radar après un temps ,. Comme il s’agit d’une onde électromagnétique se déplaçant à la vitesse de la lumière , on trouve la distance D par la relation :
Composantes d’un système radar
Un radar est formé de différentes composantes :
L’émetteur : qui génère l’onde radio
Le duplexeur : Un commutateur électronique, dirige l’onde vers l’antenne lors del’émission ou le signal de retour depuis l’antenne vers le récepteur lors de la réception quand onutilise un radar monostatique. Il permet donc d’utiliser la même antenne pour les deux fonctions [16]. 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.
L’antenne Radar : Un conducteur parcouru par un courant électrique alternatif produit un champ électromagnétique qui rayonne dans l’espace environnant. Ainsi, un ensemble deconducteurs élémentaires, traversé par des courants variables puissants, forme une antenneradio éditrice. Selon l’alignement de ses conducteurs élémentaires, une antenne peut être plus ou moins directive [17]. L’antenne radar exploite les propriétés des ouvertures planesrectangulaires et diffuse l’onde électromagnétique vers la cible avec le minimum de perte. Savitesse de déplacement, rotation et/ou balancement, ainsi que sa position, en élévation comme en azimut, sont asservies, soit mécaniquement, mais parfois aussi électroniquement.
Le récepteur : Il reçoit le signal incident (cible – antenne – guide d’ondes – duplexeur), le fait émerger des bruits radios parasites, l’amplifie, le traite
Un étage de traitement de signal : Il permet 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 [13], programmé selon un logiciel de sondage. Les données obtenues sont alors affichées aux utilisateurs.
Classification des systèmes radar
Radar primaire
Un radar primaire émet des signaux hyperfréquences qui sont réfléchis par les cibles [18]. Les échos ainsi crées sont reçus et étudiés. Les radars primaires peuvent être de type deux dimensions (2D) donnant des mesures de distance et d’azimut ou trois dimensions (3D), une mesure complémentaire en angle de site (angle d’élévation dans le plan vertical) est alors disponible. Pour les radars 2D, l’absence de toute mesure d’angle de site ne permet pas de discrimination en altitude. Ainsi, un avion comme un écho au sol ou un obstacle au sol dans le même azimut et à la même distance seront vus sans distinction. Sa fréquence varie entre 2.7 GHz et 3 GHz.
On distingue deux types de radar primaire :
Radars à impulsions
Ils émettent des impulsions de signal hyperfréquence à forte puissance, chaque impulsion est suivie d’un temps de silence plus long que l’impulsion elle-même, temps durant lequel les échos de cette impulsion peuvent être reçus avant qu’une nouvelle impulsion ne soit émise. Direction, distance et parfois, si cela est nécessaire, hauteur ou altitude de la cible, peuvent être déterminées à partir des mesures de la position de l’antenne et du temps de propagation de l’impulsion émise.
Radars à onde continue
Ils génèrent un signal hyperfréquence continu. Le signal réfléchi est reçu et traité, mais le récepteur (qui dispose de sa propre antenne) n’est pas tenu d’être au même emplacement que l’émetteur. Tout émetteur de station radio civile peut être simultanément utilisé comme un émetteur radar, pour peu qu’un récepteur relié à distance puisse comparer les temps de propagation du signal direct et du signal réfléchi.
Des essais ont montré que la localisation d’un avion était possible par la comparaison et le traitement des signaux provenant de trois différentes stations émettrices de télévision.
Radar secondaire
Avec ces radars, l’avion doit être équipé d’un transpondeur (transmetteur répondeur) quirépond à l’interrogation du radar en générant un signal codé. Cette réponse peut contenirbeaucoup plus d’informations que celles qu’un radar primaire peut collecter (par exemple l’altitude, un code d’identification, ou encore un rapport de problème à bord comme une panne totale des radiocommunications).
Radar Doppler (mesure de vitesse)
Quand un radar illumine un objet en mouvement, la fréquence du signal réfléchi est décalée par rapport à celle du signal incident d’une valeur proportionnelle à la vitesse radiale de l’objet: c’est ce qu’on appelle l’effet Doppler.
Pour des mesures précises de vitesse, il est indispensable que la fréquence fournie par legénérateur soit très stable dans le temps. Il faut de plus que l’antenne de l’émetteur soitrigoureusement immobile. Si l’antenne vibre, sa propre fréquence de vibration est interprétée par le système comme une fréquence Doppler. Le radar voit alors tous les objets fixes comme s’ils étaient en mouvement, ce qui peut donner des résultats surprenants.
Radars bistatiques
Un radar bistatique se compose de deux installations considérablement éloignée l’une de l’autre. L’un des sites abrite les équipements consacrés à l’émission, l’autre est consacré à la réception (un tel radar utilise donc également deux antennes, une sur chaque site).
Radar astronomie
Un radar à impulsions de grande puissance a été employé pour mesurer des distances planétaires et des vitesses de rotation. C’est ainsi qu’on a constaté que, contrairement à ce qu’avaient laissé croire les observations astronomiques, la planète Mercure ne présente pas toujours la même face au Soleil.
Radar imageur
Un radar imageur permet de présenter une image de l’objet (ou de la zone) observé. Les radars imageurs sont utilisés pour cartographier la terre, les autres planètes, les astéroïdes et les autres objets célestes. Ils offrent aux systèmes militaires une capacité de classification des cibles.
Lidar ou radar optique
Définitions
Par définition, un lidar ou radar optique [5] est un radar dont l’émission se situe dans le domaine optique : il émet un faisceau optique (généralement a partir d’un laser), en direction del’objet à localiser, et collecte une fraction du flux diffusé par ce dernier, à partir de laquelle sontreconstitués les informations recherchées (distance, vitesse, densité).
Le LIDAR est similaire au RADAR. Un LIDAR transmet et reçoit des radiationsélectromagnétiques mais à une fréquence plus élevée qu’un RADAR. Les LIDARs fonctionnentdans le spectre de lumière allant de l’ultraviolet à l’infrarouge, en passant par la lumière visible.
Principe de LIDAR
Un LIDAR est schématiquement constitué par trois éléments : le premier occupel’émission de la lumière (laser), le deuxième collecte la lumière rétrodiffusée venant del’atmosphère par l’intermédiaire d’un télescope et le troisième détecte le faisceau rétrodiffusée (photomultiplicateur). Les molécules et les aérosols rediffusent vers le télescope une partie delalumière qu’ils reçoivent. L’intervalle de temps entre une émission et une détection multipliépar la vitesse de la lumière est égal à deux fois la distance parcourue.Différentes sortes de lasers sont utilisées, en fonction de la puissance et de la longueurd’onde requise. Les lasers peuvent êtres à émission continue ou pulsée. Leur milieumultiplicateur peut être soit un gaz (par exemple HeNe), soit un liquide, soit encore un cristal(par exemple Nd:YAG).
Les télescopes utilisés comme récepteurs peuvent être de différents types, selonl’optique (forme géométrique, miroirs ou lentilles) et les matériaux (solides ou liquides) utilisés,ainsi que selon leur taille. Plus un télescope a un grand diamètre, plus il peut collecter de lalumière, ce qui est important pour détecter les processus physiques qui ont une très faiblesection efficace. L’inconvénient d’un grand diamètre peut être la détection de plus de lumière provenant du reste de l’atmosphère, mais il est possible de limiter cela par l’utilisation de filtres interférométriques par exemple.
La détection se fait en 2 modes ; soit en détection directe soit en détection hétérodyne.
Détection Directe
La détection directe consiste à analyser le contenu spectral du signal rétrodiffusé « directement » dans le domaine optique, à l’aide de filtres fréquentiels. Ce mode d’analyse est communément appelé détection directe. Dans ce type de détection, le choix de la longueur d’onde est beaucoup moins critique, en matière de technologie employée, qu’en détection longueur d’onde. [20]
La puissance optique 7 sur le détecteur est la puissance du signal rétrodiffusé et peut s‘écrire:
Intérêts et avantages du lidar
Le premier avantage du lidar est lié à la cohérence spatiale des lasers c’est-à-dire la faible divergence et la brillance de ces sources permettent un sondage dans toutes les directions avec une excellente résolution spatiale. Les mesures en plein jour ou dans de mauvaises conditions atmosphériques peuvent effectuer au moins pour des portées de l’ordre de 1 km. Les techniques de mesure de temps de vol de l’impulsion laser conduisent à des mesures de distances très précises. Il est donc possible d’obtenir une cartographie 3D de paramètres atmosphériques « en temps réel » grâce à un seul instrument lidar bien équipé de moyens informatiques de traitement, stockage et présentation des données.
Le second avantage du lidar concerne la multiplicité des possibilités de mesure offertes par les différentes techniques c’est-à-dire les lidars permettent des mesures atmosphériques de densités, de température, de vitesse de vents, Les qualités spectrales des sources lasers, y compris leur accordabilité, conduisent à des mesures spectroscopiques de haute résolution àdistance et donc à la télédétection de nombreuses substances chimiques, dans l’atmosphèretroposphérique comme stratosphérique. D’où le lidar devient l’instrument important répondant aussi bien à des objectifs scientifiques de connaissance de l’atmosphère qu’à des besoins de mesure et de contrôle de l’environnement. Grâce à l’utilisation multiple du lidar ; desréalisations et de projets de lidars apparaissent comme les lidars au sol portables et mobiles.
Etude atmosphérique
Définition
L’atmosphère est un mélange de gaz qui enveloppe tout corps céleste (la Terre, par exemple) possédant un champ de gravitation suffisamment fort pour empêcher les gaz de s’échapper.
L’atmosphère terrestre est riche en oxygène et qui constitue un écran aux rayonnements solaires dangereux. Des températures modérées, de l’eau en grande quantité et une compositionchimique variée font de la Terre la seule planète du Système solaire à pouvoir entretenir la vie.
L’atmosphère est composée des couches suivantes :
Troposphère : la troposphère est la couche qui est en contact avec le sol; elle s’étendjusqu’à de 0 à 12 km d’altitude et est le siège des phénomènes climatiques.
Stratosphère : la stratosphère s’étend de 10 à 40 km d’altitude; C’est une couchegazeuse qui s’échauffe au voisinage de la terre et se refroidit en fonction de l’altitude. Elle peutcontenir les hydrométéores (par exemple : la grêle et la neige, bruine, brouillard).Ionosphère : l’ionosphère regroupe le mésosphère et le thermosphère qui sont descouches ionisées, elle s’étend de 40 à 1000 km d’altitude; elle est exposée au rayonnementsolaire ainsi qu’aux rayons cosmiques et aux météorites qui provoquent l’ionisation desmolécules, c’est-à-dire l’arrachement des électrons des couches extérieures de la molécule; lesparticules chargées négativement (électrons) et positivement (ions) ont tendance à se concentreren couches ionisées qui vont jouer un rôle très important dans la propagation des ondes, principalement des ondes HF.
Exosphère : L’exosphère s’étend jusqu’à 10 000 km d’altitude, là où s’arrête l’atmosphère et où commence l’espace. C’est dans cette zone que gravitent les satellitesartificiels.
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