STRUCTURE DU RADAR

 

 

I ) L' ANTENNE

1)ROLE

Son rôle est de concentrer l'énergie émise par le radar dans un angle solide déterminé. Ainsi, elle rayonne dans l'espace et capte de l'énergie sous forme de champs électromagnétique à hautes fréquences.

L'antenne assure donc :

-l'adaptation entre le milieu guidé et l'espace libre ; lorsque cette adaptation est parfaite, la transition se fait sans perte, c'est-à-dire que toute l'énergie provenant du milieu guidé est rayonnée dans l'espace.

-la répartition de l'énergie rayonnée dans l'espace (elle se caractérise par le diagramme de rayonnement de l'antenne ).

La forme de l' antenne dépend des exigences du point de vue repérage horizontal et vertical.

Elles sont composées : -un réflecteur

-une source d'éclairement

-une ligne d'alimentation

-un socle

 

2) LA SOURCE

Les antennes radars sont toutes faites à partir de sources primaires ou élémentaire qui sont soit installées au foyer d'une optique, soit associées en réseaux. Les sources élémentaires ont presque toujours un rayonnement qui n'est pas très directif (faisceau de rayonnement large). La directivité (finesse du faisceau) est donc obtenue soit par l'optique, soit par l'organisation en réseaux.

Les sources élémentaires sont essentiellement les suivantes:

a.Dipôle demi-onde

Il est très utilisé dans les réseaux de sources. Associé à un réflecteur, il peut également servir de source primaire pour éliminer un paraboloïde. Il est généralement à bande assez étroite.

En coordonnées sphériques, son diagramme de champ est de la forme :

E (q) = E cos(cos(q).P/2)/sin(q)

b.Les cornets

On appelle cornet un guide d'onde à section progressivement croissante se terminant par une ouverture rayonnante. Ils fournissent des ondes polarisées linéairement .

c.Hélices

Une hélice est une antenne à rayonnement longitudinal qui peut être considérée comme l'alignement d'un nombre n d'antennes élémentaires, constituées par chacune de ses spires.

L'intérêt des hélices est d'avoir un diagramme de rayonnement de révolution autour de OZ (cas des paraboloïdes de révolution). Leur bande passante est assez élevée. On peut optimiser leurs diagrammes en enroulant les hélices sur des troncs de cône.

d.Bougies

Leur principe de fonctionnement est le même que celui des hélices. La bougie peut être considérée comme une antenne à rayonnement longitudinal formée d'un grand nombre d'antennes de longueur DL. Les diagrammes obtenus sont assez ouverts (20 à 30).

e.Guides à fentes

Les fentes rayonnent de la puissances si elles coupent des lignes de courant. En effet, elles peuvent être considérées comme un élément d'impédance Z mis en série sur les lignes de courant. D'où apparition d'une différence de potentiel entre les parois, d'un champ électrique, et rayonnement vers l'extérieur. On démontre que le champ rayonné par une fente est de même nature que celui rayonné par un dipôle de même longueur.

En particulier, si la longueur de la fente est proche de l/2, le diagramme de rayonnement est celui du dipôle demi-onde.

Par ailleurs, la puissance rayonnée par la fente est proportionnelle au carré du courant qui la traverse. On pourra donc régler le couplage de la fente avec le guide en choisissant sa position et son inclinaison.

Les fentes peuvent être placées sur le grand côté ou sur le petit côté du guide. En pratique, 95% de la puissance sous guide peut ainsi être rayonnée, ce qui est excellent.

Les guides à fentes sont utilisés comme sources primaires devant des réflecteurs cylindro-paraboliques, qui assurent la focalisation des ondes dans le plan perpendiculaire à l'alignement.

 

3)LE REFLECTEUR

a.Antennes à réflecteurs

Paraboloïde de révolution :

On place une source primaire au foyer d' une antenne parabolique. Les rayons réfléchis sont alors parallèles à l' axe de symétrie et réciproquement (fig.1).

En outre, une défocalisation de la source primaire entraine une déviation du faisceau sans déformation importante. Cette propriété est utilisée dans les antennes à balayage conique du faisceau où la source primaire S décrit un cercel dans le plan focal du paraboloïde de telle manière que l'axe du faisceau décrive un cône centré sur OF (fig.2 et 3).

Antennes peau d' orange :

La découpe du réflecteur est de forme elliptique ou pseudo-elliptique pour aboutir à une ouverture rayonnante de hauteur H et de largeur L différentes (fig.4).

Antennes off-set :

Pour éviter que la source primaire S ne présente un masque pour les ondes réfléchies par le paraboloïde, on peut placer cette source dans une région où les ondes rerayonnées sont faibles ou nulles. Cela est obtenu en déportant la source sur un coté du réflecteur, celle-ci restant évidemment au foyer F du paraboloïde (fig.5).

b. Antennes cassegrain

Ce sont des antennes plus compactes et plus pratiques, utilisant plusieurs réflecteurs. Pour leur réalisation, ces antennes peuvent faire appel à des rotations de la polarisation des ondes (fig.6b 6c) et des réflecteurs semi-transparents. Dans l'antenne Cassegrain inversée, l'onde émise en polarisation verticale est d'abord réfléchie par le réflecteur B; le réflecteur plan A la réfléchit à nouveau, mais en rendant sa polarisation horizontale; B transparent pour cette polarisation laisse alors le rayonnement s'effectuer vers l'extérieur. Cette disposition est utilisée pour réaliser des antennes à faibles inertie, seul le réflecteur A étant alors mobile, pour une rotation a du réflecteur A, le faisceau est défléchi de 2a.

Les performances de ces antennes sont similaires à celles des paraboloïde.

c. Antennes planes

On constitue l'ouverture plane en associant un grand nombre de sources élémentaires sur un réseau plan généralement régulier. L'espacement entre les sources doit être de 0.5 à 0.7 longueur d' ondes. Ces sources peuvent être ds cornets, des bougies...Il est alors possible de réaliser directement le diagramme de rayonnement désiré, en dosant convenablement l'amplitude et la phase des ondes émises pour chaque source du réseau (fig.7).

Mieux contrôlées, les antennes planes sont de meilleures qualités que les antennes à réflecteur.

d. Antennes à balayage électronique

Afin d'augmenter la directivité du réseau obtenu par association de sources élémentaires, on oriente le plan d' onde en effectuant un déphasage entre les sources qui correspond au trajet de l'onde entre la source et le plan d'onde, perpendiculaire à la direction de propagation q (fig.8). On forme une antenne qui reçoit (ou émet) de façon privilégiée les signaux provenant de la direction q.

Ce dispositif permet:

-de changer quasi instantanément la direction analysée par le radar (en changeant le déphasage de chaque antenne élémentaire)

-de changer rapidement la forme du faisceau rayonné (fin, large...) et donc d'obtenir un radar multifonctions

- de pouvoir, s'il y a un grand nombre d'éléments sur le réseau, introduire de légères modifications aux déphasages élémentaires afin de réduire le rayonnement parasite dans certaines directions.

 

4) LE DUPLEXEUR

Pour éviter toute ambiguité, précisons que le duplexeur n'est pas un composant de l'antenne, mais un élément bien à part dans le radar.

C'est un aiguilleur électronique permettant, d' une part au signal émis d' être dirigé vers l' antenne avec une perte minimale tout en isolant convenablement le récepteur-qui est fait pour manipuler des puissances extrêmement faibles (inférieurs au picowatt)-et d' autre part au signal reçu d' être totalement dirigé vers le récepteur, sans dérivation vers l' émetteur et avec des pertes minimales.

La complexité des duplexeurs dépend du niveau de puissance du signal émis ( 10 kW à 10 MW), elle est liée à la limitation des fuites vers le récepteur qui ne peut supporter des signaux supérieurs à 100 mW sans déterioration.

Il existe malgré tout des radars qui disposent de deux antennes, une pour l'émission, l'autre pour la réception : c'est le cas de la plupart des radars dits CW (continuous wave) dans lesquels l'émetteur émet en permanence.

II) L'EMISSION

 

1) L' EMETTEUR

L'émetteur lance à intervalles réguliers (par exemple, toutes les millisecondes) des signaux très brefs (par exemple, 1 microseconde de durée), à une fréquence donnée. Il transforme donc l'énergie électrique fournie par le modulateur et les sources d'alimentation en énergie radioélectrique à très haute fréquence. Sa partie active est le tube d'émission dans lequel est engendrée l' impulsion hyperfréquence à la fréquence et la puissance désirées.

On peut classer les émetteurs de radar en deux grandes catégories :

-les émetteurs oscillateurs de puissance, dans lesquels l' énergie est directement obtenue par mise en oscillation du tube de puissance.

-les émetteurs à chaine d' amplification, dans lesquels le signal à émettre est progressivement porté à la puissance convenable, par amplification dans un ou plusieurs étages.

(Les seconds sonts évidemment les plus souples du point de vue possibilité de codage du signal, et également les plus stables.)

On distinguera deux grandes parties dans un émetteur :

-le tube de puissance, élément hyperfréquence de l' émetteur délivrant le signal à émettre avec les qualités désirées de puissance, durée, fréquence, stabilité, etc...

-le modulateur, élément de commande (et de régulation) du tube de puissance, transposant le signal de synchronisation en un signal de commande accessible au tube hyperfréquence, et lui délivrant l'énergie nécessaire.

LES TUBES HYPERFREQUENCES

Les tubes utilisés dans le domaine des hyperfréquences (400 MHz à 1000 GHz) peuvent être classés de la manière suivante :

-Tubes de type "O" : ce sont des tubes utilisant un champ magnétique focalisant parallèle aux trajectoires d'un faisceau électronique, c'est-à-dire que le champ électrique, le champ magnétique, et la vitesse du faisceau sont colinéaires. On trouve par exemple dans ce type de tubes le klystron, le tube à onde progressive, le carcinotron

-Tubes de type "M" ou à champs croisés : ce sont des tubes utilisant un champ magnétique perpendiculaire aux trajectoires du faisceau électronique. Le champ électrique est perpendiculaire au champ magnétique, et à la vitesse du faisceau. On trouve dans ce type de tubes le tube à onde progressive M, le carcinotron M, le magnétron, le planitron.

-Tubes classiques du type triode ou tétrode : on utilise dans le domaine des hyperfréquences des tubes classiques du type triode ou tétrode (parmi les premiers radars réalisés, on rencontrait des émetteurs à triode dans la bande des 400 MHz). Ces tubes peuvent également être utilisés à des fréquences plus élevées allant jusqu'à 3000 MHz.

Les tubes classiques ont des performances qui se dégradent lorsque la fréquence augmente, principalement le rendement et la puissance de sortie. Pour limiter ces défauts, il faut réaliser des tubes de petites dimensions avec des électrodes très rapprochées.

Exemples : tubes glands, tubes à disques scellés, tubes crayons, tubes à structure coaxiale.

Les tubes classiques sont utilisés dans les équipements de télécommunications, les émetteurs de télévision, les émétteurs radars, les balises répondeuses.

Leurs avantages résident principalement dans leur simplicité de réalisation, leur coût faible, leurs tensions de fonctionnement peu élevées. Par contre, ils présentent aux fréquences élevées des gains et des puissances de sorties relativement faibles par rapport aux tubes spéciaux

 

Outre le tube d'émission, l'émetteur comprend des dispositifs annexes tels que le système de refroidissement, d' alimentation, les circuits de mise en route et de contrôle.

Rendement global: 10 à 30 %

 

2) LE MODULATEUR

Le modulateur constitue la partie active de l' émetteur. Ce sont les dispositifs grâce auxquels les tubes d' émission radar peuvent fonctionner en impulsion. A partir de la synchronisation, ces dispositifs doivent être aptes à délivrer les tensions d' alimentation et de commande des tubes pendant la durée des impulsions émises, et ceci avec les courants convenables.

Dans les étages moyenne puissance des chaînes d'amplification, le modulateur fournit simplement un signal de commutation. Il joue uniquement le rôle d'nterrupteur, l'énergie nécessaire à l'amplification étant fournie par ailleurs.

Par contre, dans les étages très haute puissance, le rôle du modulateur est double. il sert à la fois de réservoir d' énergie et de commutation de puissance.

Les puissances de crête délivrées par le modulateur sont très importantes; il y correspond des courants de plusieurs dizaines d'ampères sous des tensions de plusieurs dizaines de milliers de volts.

La qualité des signaux délivrés par le modulateur doit être très soignée pour permettre d'éviter des effets parasites sur le signal émis.

 

 

III) LA RECEPTION

1) LE RECEPTEUR

Elément le plus complexe du radar, il doit traiter et amplifier le signal radar. Sa sensibilité doit être très grande (jusqu' à 10-15 W). Il amplifie les signaux dans de très grandes proportions (1010 à 1014) et doit donc le faire sans déformation du signal. Le récepteur doit en outre effectuer le filtrage du signal et tous les autres traitements adaptés à l'information à obtenir (vitesse, position angulaire...). Sa réalisation doit être particulièrement soignée pour réduire le plus possible les perturbations dues au bruit qui accompagne le sgnal radar (dont une partie au moins prend naissance dans les circuits de réception).

Les récepteurs radar possèdent tout ou partie des éléments caractéristiques suivants :

-Amplificateurs hyperfréquences, il permettent de fixer les caractéristiques de bruit interne du récepteur.

-changeur de fréquence ou mélangeur, ils permettent de séparer la chaîne d'amplification en plusieurs étages travaillant sur des fréquences porteuses différentes (de façon à obtenir de grands gains sans couplage des chaînes haut niveau aux étages bas niveau. Cet agencement est connu sous le nom de réception superhétérodyne.

-Amplificateur moyenne fréquence, qui constituent les différents étages d'amplification avant détection du signal, les derniers étages remplissent en outre une fonction de filtrage.

-Amplificateur vidéo-fréquence, qui après détection, amènent le signal à un niveau suffisant pour les traitements dans les étages terminaux (visualisation, extraction...).

-Les détecteurs qui opèrent le passage du signal moyenne frèquence au signal vidéo-fréquence et sont, suivant les cas, détecteurs d'amplitude, détecteurs de phase ou détecteurs amplitude phase (et que l'on classe également en détecteurs non cohérents et détecteurs cohérents).

-Les oscillateurs qui fournissent les fréquences de référence nécessaires aux différentes fonctions de changement de fréquence et de détection cohérente.

 

Plus simplement, le récepteur effectue d' abord le mélange de l'onde reçue avec une onde dite locale, de façon à ce que l'onde reçue soit ramenée à une fréquence plus basse et plus commode (fréquence intermédiaire, ou FI). (On parle de réception superhétérodyne). Puis on procède à la fois à un filtrage (pour ne conserver que les fréquences utiles) et à une amplification car les signaux reçus sont de faible niveau. Ensuite, on peut effectuer les autres traitements adaptés à l'information à obtenir (traitement Doppler, position angulaire...).

2) LE BRUIT

Le récepteur est normalement parasité, c'est-à-dire qu'il reçoit en fit les échos "utiles" noyés dans ce qu'on appelle un "bruit", schématiquement constitué de signaux brefs semblables aux échos. Le signal reçu est donc la somme de deux signaux élémentaires :

- un signal utile, porteur d' informations

- un signal parasite (le bruit) à caractère aléatoire, que l'on ne peut connaitre que par ses propriétés

Origines du bruit : il y a deux origines du bruit : le bruit externe, produit par l' environnement terrestre (nuages, arbres...) ou par des parasites artificiels (bruit industriel...), il est capté par l'antenne en même temps que le signal utile, et le bruit interne : c'est celui des circuits constituant le récepteur lui-même (bruit thermique produit par les éléments résistifs).

Caractéristiques du bruit : le bruit est une fonction aléatoire gaussienne, dont les causes sont indépendantes. Le caractère aléatoire du bruit est invariable dans l'échelle des temps qui nous intéresse : on peut considérer le bruit comme un processus stationnaire et la seule caractéristique du bruit accessible à la mesure est sa puissance.

Effet du bruit : l' effet du bruit qui accompagne l' information utile peut être, soit de laisser à penser qu' il y a un écho lorsqu' il n' y en a pas ( on parle alors de fausse alarme) ou, au contraire de cacher un écho qui existe (non-détection). Le récepteur peut être réglé pour améliorer la probabilité de détection Pd, mais alors la probabilité de fausse alarme Pf augmente et vice versa.

Filtrage du bruit : la qualité de détection sera donc d'autant meilleure que Pd sera grande et Pf faible. C'est le filtre qui doit permettre cette optimisation.(Un filtre est un sytème linéaire continu et stationnaire caractérisé par sa fonction de transfert. Les filtres répondent à une action sinusoïdale par un signal sinusoïdal). On définit ainsi un filtre optimal, comme étant le filtre maximisant le rapport signal/bruit.

Mais parfois, d'autres procédés peuvent être utilisés. Ainsi, l'émission d'un onde électromagnétique polarisée circulairement perment de repérer et de supprimer les échos de pluie et de nuage.

Mais de nombreux paramètres complexes et totalement hors-programme rentrant en jeu dans le traitement du signal reçu, nous ne nous en tiendrons qu'à ces quelques remarques faites précédemment.

3)EXPLOITATION

L' exploitation de l' information doit être adaptée à ce mode d' exploration de l' espace. Le procédé le plus direct est la visualisation du signal radar sur un scope PPI (Plane-Panoramic-Indicator). Le scope PPI utilise un tube cathodique classique, dans lequel le faisceau d' électrons est dévié du centre de l' écran vers la périphérie, de telle manière que son point d' impact sur la couche sensible du tube soit représentatif de la zone d' espace observée.

L' image obtenue est une projection plane des échos détectés par le radar. Toute cible ponctuelle apparait sur le scope comme une tâche d' une certaine surface constituant le plot radar. En plus des objets ponctuels, sont visualisés des plots de surface étendue dus aux échos du sol, de nuage, de pluie, et à certaines réflexions parasites. La situation globale présentée à l' opérateur dépendra donc de l'environnement du radar et des conditions météorologiques.

 

 

 

IV) SYNCHRONISATEUR

Coeur du système radar, il a la charge de délivrer les signaux de base qui définissent les instants d' émission, et divers signaux annexes nécessaires aux opérations en temps réel. Son élément de base est une horloge de grande stabilité à partir de laquelle sont engendrés les signaux de synchronisation. Ces signaux sont distribués aux différents éléments à piloter. Leur distribution doit être assurée avec une très grande reproductibilité sur chaque voie, de manière à ne pas fausser les mesures effectuées.