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radar

(acronyme de l'anglais RAdio Detection And Ranging, détection et mesure de distances par ondes radioélectriques)

Fonctionnement du radar
Fonctionnement du radar

Appareil de radiorepérage qui permet de déterminer la position et la distance d'un obstacle, d'un aéronef, etc., par l'émission d'ondes radioélectriques et la détection des ondes réfléchies à sa surface.

Introduction

Un radar est un équipement qui sert à détecter l'existence d'objets (appelés « cibles ») et à les localiser plus ou moins complètement. Pour ce faire, il concentre, grâce à une antenne suffisamment grande, une émission d'ondes électromagnétiques dans une zone angulaire réduite (ce qui permet une mesure de la direction des cibles). Les ondes émises se réfléchissent sur les cibles et une (très faible) partie d'entre elles est reçue par l'antenne au retour. Après un tri adéquat des signaux « utiles » reçus par rapport aux signaux parasites présents dans le récepteur radar (bruit de « friture » ou brouillage intentionnel d'un adversaire), on compare signaux réfléchis et signaux émis : le décalage temporel donne la distance de la cible, celui en fréquence des indications sur sa vitesse.

Il existe un très grand nombre de types de radars, mais les deux familles les plus importantes par le chiffre d'affaires sont les radars de surveillance panoramique et les radars de poursuite. Les premiers sont notamment à la base du contrôle du trafic aérien. Leur antenne tourne, le plus souvent, régulièrement autour d'un axe vertical de façon à donner les coordonnées horizontales des cibles (radars 2D) ou même leurs trois coordonnées (radars 3D). Les radars de poursuite comportent une antenne maintenue automatiquement pointée dans la direction d'une cible, soit pour assurer son guidage, soit pour déterminer sa trajectoire avec grande précision, soit pour les deux (tir de lanceur spatial, par exemple), ou encore pour permettre le guidage d'une arme chargée de la détruire.

Dates clés des radars

DATES CLÉS DES RADARS
1886L'Allemand Heinrich Hertz montre l'identité de nature entre la lumière ordinaire et les autres ondes électromagnétiques. Ce qu'on fait avec un phare lumineux peut donc se faire avec des « phares » électromagnétiques, observation qui contient déjà, en germe, l'idée du radar.
1904L'Allemand Christian Hülsmeyer décrit un appareil, le « télémobiloscope », émettant de brefs signaux électromagnétiques « réfléchis par les objets métalliques sur la mer pour informer le capitaine de l'approche d'un bateau et éviter les collisions ».
1922-1935Premières détections radar, aux États-Unis et en France, mais sans mesure directe de la distance des cibles.
1935Le Britannique Robert Watson-Watt met au point des équipements permettant la mesure directe de la distance de cibles grâce à l'émission d'impulsions brèves entrecoupées de longs silences et à la détermination de l'intervalle de temps écoulé entre l'émission d'une impulsion et la réception de l'écho correspondant.
1940La marine des États-Unis désigne officiellement sous le nom de radar (RAdio Detection And Ranging) le système de détection et de mesure de distance à l'aide d'ondes radio.
Premiers radars équipés de magnétrons (tubes d'émission très puissants).
1961Premiers radars opérationnels à compression d'impulsion, aux États-Unis et en France.

 

Les ondes radar

Les ondes électromagnétiques utilisées par les radars sont de même nature que les ondes radio ; elles n'en diffèrent que par leur fréquence, qui est plus grande mais reste toutefois inférieure à celle de la lumière visible. Les ondes « longues » de la radio ont une fréquence d'environ 200 000 hertz (200 kHz), ce qui correspond à une longueur d'onde d'environ 1 500 m. Les ondes radio M.F. ont une fréquence d'environ 100 MHz (100 millions de hertz), soit une longueur d'onde de l'ordre de 3 m.

Les ondes radar ont des fréquences comprises entre 1 GHz et 100 GHz (ou milliards de hertz) [longueur d'onde comprise entre 30 cm et 3 mm], sauf pour les radars dits OTH (Over The Horizon, transhorizon), qui utilisent des ondes courtes (2 à 20 MHz, longueur d'onde de 15 à 150 m) parce qu'elles ont la propriété de se réfléchir sur les couches ionisées qui entourent la Terre à une centaine de kilomètres d'altitude.

La lumière visible a une longueur d'onde beaucoup plus courte, d'environ un demi-millionième de mètre (la fréquence correspondante est de 600 millions de millions de hertz). Les fours à micro-ondes utilisent des ondes analogues à celles des radars.

La compression d'impulsion

Dans les premiers radars, on émettait régulièrement des impulsions brèves et le retard des impulsions reçues donnait la distance de la cible, avec une qualité d'autant meilleure que les impulsions émises étaient plus courtes. Mais, plus les impulsions émises étaient courtes, plus le bruit de friture du récepteur était élevé et plus il fallait émettre des signaux puissants. Cela a changé au début des années 1960, avec l'utilisation de la « compression d'impulsion » (aux États-Unis, en 1961, dans le radar de surveillance maritime et d'alerte lointaine installé sur les avions Grumman des porte-avions type « Enterprise » ; en France, en 1961-1962, dans le radar Conrad installé à l'époque au Centre d'essais en vol de Brétigny-sur-Orge, puis à Rennes). Dans cette technique, les impulsions émises sont longues et peu puissantes mais contiennent une modulation de phase (une mélodie). À la réception, un filtre adapté à cette mélodie comprime temporellement le signal de retour en un signal très bref, tout se passant comme si le signal émis avait été très puissant et très bref.

Comme le volume de l'émetteur (et aussi son prix) augmente avec la puissance émise, et qu'il est d'autant plus facile à détecter qu'un radar émet plus de puissance, on comprend tout l'intérêt de la compression d'impulsion : celle-ci permet de réduire la puissance de pointe émise (ou puissance « crête ») tout en fournissant d'excellentes mesures de distances.

Le traitement Doppler

De la même façon que le son d'une automobile apparaît plus aigu si cette automobile s'approche que si elle s'éloigne, le signal réfléchi par une cible et reçu par le récepteur d'un radar a une fréquence plus élevée si la cible s'approche que si elle s'éloigne : et la mesure de ce décalage, dit décalage Doppler, permet de mesurer la vitesse de la cible.

L'intérêt premier de cette mesure est de trier les échos et d'éliminer tous ceux qui proviennent du sol et n'intéressent pas l'utilisateur. Ce tri, assez simple lorsque l'antenne est fixe ou se déplace lentement par rapport au sol, devient de plus en plus délicat quand celle-ci est très mobile, par exemple si le radar est installé sur un avion. En effet, le sol a une vitesse relative par rapport à l'antenne, positive en avant de celle-ci, nulle latéralement et négative en arrière. Les échos du sol (gênants et que l'on veut éliminer) présentent ainsi une très large gamme de fréquences Doppler. La situation est encore compliquée par le fait que, le signal émis par le radar étant généralement constitué d'impulsion courtes se suivant à une certaine cadence (fréquence) « de répétition », il se produit des effets de stroboscopie (comme au cinéma, où les roues d'un fiacre semblent tourner à l'envers alors qu'elles tournent à l'endroit).

Ces effets sont cause d'erreurs dans l'évaluation de la vitesse des cibles. Pour ces diverses raisons, on a mis au point toute une gamme d'appareils aux propriétés spécifiques : radar à grande cadence de répétition (pas d'effet stroboscopique), radar à faible cadence (bonne mesure de distance), ou à moyenne cadence (compromis entre les deux), radar multimode utilisant différentes cadences en fonction de la situation. Le tri des cibles à partir de l'effet Doppler a longtemps été effectué par un calculateur analogique spécial (dispositif dit de V.C.M. – Visualisation des Cibles Mobiles – ou, en anglais, de MTI – Mobil Targets Indicator – inventé par le Français H. Busignies) utilisant des lignes à retard acoustiques.

Le balayage électronique

La plupart des radars construits jusqu'à la fin des années 1970 utilisaient une antenne ressemblant aux instruments d'optique, l'émetteur (ou le récepteur) étant au « foyer » d'un dispositif constitué d'un ou de plusieurs miroirs. Pour changer la direction de visée, il fallait donc déplacer des pièces métalliques. À cause de leur inertie mécanique, cela demandait un certain délai pendant lequel on émettait un signal inutilement dans des directions sans intérêt (ou un signal trop puissant dans des directions d'examen facile car sans brouillage). De même, une antenne donnée ne pouvait servir qu'à un seul usage (surveillance, poursuite, etc.) car les miroirs étaient indéformables ; il fallait donc, souvent, dans les systèmes une antenne de surveillance et autant d'antennes de poursuite que de cibles à poursuivre au même moment. Le balayage électronique pallie ces défauts. Il permet de changer la forme de l'antenne point par point en un temps négligeable et ainsi, avec le même dispositif, sans déplacement de pièce métallique, de faire varier la direction du rayonnement ou la forme du diagramme de rayonnement, transformant instantanément une antenne de surveillance en antenne de poursuite. L'« épaisseur » de l'antenne est contrôlée (à intervalle d'une demi-longueur d'onde) le plus souvent grâce à des dispositifs appelés « déphaseurs électroniques » (ou « retards électroniques ») commandés par un calculateur numérique, qui modifie donc en fonction des besoins la direction d'examen et la forme du faisceau ainsi rayonné.

Plus récemment, on a commencé d'introduire dans l'épaisseur de l'antenne avec chaque déphaseur des éléments émetteurs et un récepteur élémentaire répartissant la fonction d'émission dans toute l'antenne. Cela permet aussi de disposer, tout le long de l'antenne, de nombreux signaux reçus (un toutes les demi-longueurs d'onde), puis de les combiner entre eux de diverses façons pour obtenir des performances nouvelles (en particulier en matière de protection contre le brouillage).

Une telle antenne est dite « à balayage électronique actif ». Elle présente de nombreux avantages, dont les plus importants sont qu'il n'y a pas d'énergie perdue entre les émetteurs et l'espace et que le très grand nombre d'émetteurs/récepteurs (plusieurs centaines ou milliers) introduit une grande redondance et donc une fiabilité exemplaire.

Applications des radars

Les radars, installés au sol ou à bord de navires, sont les équipements essentiels de la défense aérienne contre de possibles assaillants, avions ou missiles, bien que l'on s'efforce désormais de rendre ceux-ci « furtifs », c'est-à-dire moins repérables par les radars. Les radars devront être plus performants encore, ce que doit permettre l'évolution des semi-conducteurs, en particulier avec le balayage électronique actif et le traitement numérique du signal par des machines programmables assurant un très bon traitement Doppler de la compression d'impulsion et des mesures de distance très précises. La défense aérienne fait aussi appel à de gros radars embarqués sur des avions équipés d'antennes- « rotodomes », sortes de grandes soucoupes, technique qui cède de plus en plus la place à des antennes incorporées dans la surface même (la peau) de l'avion.

Les radars sont également utilisés à bord d'avions de combat pour d'autres missions (chasse, navigation, vol à basse altitude). D'autres radars servent, à partir du sol, à détecter des véhicules terrestres ou des piétons, ou bien aident à l'atterrissage des avions et des hélicoptères. À bord des avions de ligne, le rôle essentiel du radar est de détecter les formations nuageuses dangereuses. À bord des bateaux, il aide à éviter les collisions et à régler la navigation portuaire. Dans les centres météorologiques, il sert à localiser les systèmes nuageux. Chez les particuliers, des radars permettent de détecter les intrus, en concurrence avec des systèmes à infrarouge ou à ultrasons. La police utilise des radars « cinémomètres » pour repérer les véhicules automobiles dépassant les vitesses autorisées.