PRINCIPES DE BASE

 

 

 

Le RADAR (RAdio Detection And Ranging) est un ensemble comportant un émetteur, une antenne, un récepteur et un système d'exploitation. Il utilise la propriété des ondes électromagnétiques de se réfléchir sur tout obstacle, créant ainsi une onde de retour susceptible d'être décelée par un récepteur adapté à ce signal. Ce signal de retour permet de mesurer la présence, la position, la vitesse, la forme ou la nature d'un objet ou cible.

Le radar fonctionne sur des fréquences d'émission extrêmement élevées (supérieures à 300 MHz). Dans cette bande de fréquences (appelée U.H.F : Ultra Haute Fréquence), les propriétés des ondes radioélectriques sont voisines de celles de la lumière : leur propagation est sensiblement rectiligne et elles peuvent, en particulier, se réfléchir sur des cibles de nature différente.

I )MESURE DE LA DISTANCE

A ces débuts, le radar émettait des ondes continues (émission permanente d'un signal non modulé en fréquence), ce qui rendait la mesure de distance peu commode. Mais par la suite, on utilisa l'émission d' impulsions courtes et espacées (c'est le radar à impulsions), ce qui permettait une mesure directe de la distance (radiale) des objets détectés par la mesure de l'intervalle de temps séparant l'émission de la réception.

Ainsi, si D est la distance du radar à la cible et c la vitesse de propagation de l'onde, le temps de trajet aller et retour de l'onde est :

D T =2D/c

Précision :

le pouvoir discriminateur (pouvoir que l'on a de séparer deux cibles voisines ) en distance DD d'un radar est lié à la durée de l'impulsion émise t, par la relation :

DD=ct/2 (150 m par microseconde)

La mesure de distance est donc d'autant meilleure que l'impulsion émise (et donc l' impulsion reçue) est brève.

Mais plus l'impulsion émise est brève, plus il faut que la puissance utile du signal reçu soit grande et donc, finalement, améliorer la mesure de distance oblige à augmenter les puissances émises (dans le cas du radar à impulsions).

 

Par ailleurs, le signal radar est souvent un signal périodique de période Tr (période de récurrence du radar). Il en résulte que, vu par le récepteur du radar, le signal reçu S(Dt), où Dt est le temps écoulé depuis le début de la récurrence en cours, est identique au signal S(Dt+kTr). Autrement dit, la mesure de Dt est faite avec précision mais avec une ambiguïté de kTr. Mais dans de nombreux cas, Tr est suffisamment grand pour que l'ambiguïté correspondante cTr/2 en distance soit grande devant le domaine radar, ce qui ne pose pas de problème pratique.

La seule mesure de la distance est cependant insuffisante pour localiser les objets. Elle est combinée dans les radars avec une mesure angulaire utilisant la directivité des antennes.

 

 

 

II )MESURE DES ANGLES

La mesure angulaire est obtenue en animant tout ou partie de l'antenne d'un mouvement mécanique de sorte que le faisceau lumineux se déplace de part et d'autres de la cible à détecter, la direction de la cible étant repérée comme la direction regardée lorsque le signal reçu est le plus fort. On peut ainsi distinguer les radars panoramiques, les radars de sitométrie (et les radars de poursuite).

Les radars panoramiques sont constitués d'une antenne plus large que haute tournant régulièrement autour d'un axe vertical. Le faisceau radar fin en gisement (=horizontalement) est beaucoup moins fin en site (=verticalement). La mesure faite est celle de la distance radiale et du gisement. A partir de ces deux mesures, on en déduit les deux coordonnées horizontales des cibles.

Lorsqu' il est nécessaire de connaître l' altitude d' une cible donnée, on utilise un radar de sitométrie dont l'antenne est, cette fois, moins large que haute, de façon que le faisceau obtenu soit fin en site et large en gisement. Cette antenne est tournée jusqu' à regarder dans le gisement de la cible intéressée , et à ce moment le faisceau est balayé de haut en bas, le site de la cible étant repéré par le maximum du signal reçu.

Remarque : Ces procédés de mesure angulaire repèrent la direction des cibles en faisant l'hypothèse que la variation de la puissance du signal reçu provient de la variation de la position du faisceau radar par rapport à la direction de la cible. Si la puissance du signal reçu varie à cause d' une fluctuation naturelle de la réflectivité de la cible, la mesure angulaire peut en être très affectée.

( C' est la raison pour laquelle les mesures angulaires dites monopulses, qui permettent sur une seule impulsion reçue de déterminer la direction de la cible en évitant cet inconvénient, se sont développées (à partir des années 50). Les antennes monopulses utilisent à la réception en permanence plusieurs faisceaux qui correspondent en fait à plusieurs positions successives du faisceau des modèles précédents (l' empilement de ces faisceaux s'appelle stacked-beam antenna ou antenne à faisceaux étagés).)

Erreur commise : l'existence de bruit accompagnant le signal utile fait que la mesure faite par un radar est le plus souvent erronée. A qualité de détection donnée, l'erreur commise sur la mesure angulaire dans un plan est proportionnelle à l/D, D étant l' envergure de l'antenne dans le plan correspondant (l'envergure horizontale, s'il s'agit de la mesure du gisement).

III ) MESURE DE LA VITESSE : effet Doppler

 

Un autre paramètre mesurables par les radars est la vitesse radiale, ou vitesse de rapprochement, des objets détectés. On peut la calculer directement à partir des informations sur la distance ou en mesurant une différence de phase, par application de l' effet Doppler.

L'effet Doppler-Fizeau est l'effet selon lequel le son d'un émetteur se rapprochant d' un observateur est perçu plus aigu que la réalité (et plus grave s'il s'éloigne). Transposé au radar, cela signifie qu' une fréquence d'émission est réfléchie plus élevée par une cible s'approchant du radar.

Soit un mobile situé à l'instant origine à une distance D du radar et s'en rapprochant à la vitesse Vr. Le temps de trajet de l'onde s' écrira alors :

D T =2D/c =(2D/c)-((2Vr t) /c)

Si le signal émis est de la forme :

Se=A.cos(2*p*f *t)

alors le signal reçu aura pour expression :

Sr=A.cos(2*p*f* (t- DT))=A.cos (2*p* [f+ 2Vr / (c/f) ] t +F)

La fréquence du signal reçu a donc augmenté de :

fd =2Vr /(c/f)=2Vr /l

(avec l, la longueur d' onde)

fd s'appelle fréquence Doppler de la cible.

(Ex : pour une cible dont la vitesse de rapprochement est de 100m par seconde, ce décalage sera de 2000 Hz à 10cm de longueur d' onde, 20 Hz à 10m de longueur d'onde...).

Erreur commise : à qualité de détection donnée, l'erreur commise sur la mesure du décalage Doppler est inversement proportionnelle à la durée T du signal utilisé pour la mesure. Comme le décalage Doppler fd est relié à la vitesse radiale Vr et à la longueur d'onde l par fd=2Vr/l, il en résulte que l'erreur sur la mesure de vitesse radiale est proportionnelle à l/T.