Radar

En 1915, Robert Watson-Watt utilisa la technologie radio pour avertir les aviateurs des orages à l'avance Au cours des années 1920, il dirigea les recherches britanniques et réalisa de nombreuses avancées grâce aux techniques radio, notamment l'étude de l' ionosphère et la détection de la foudre à longue distance. Ses expériences sur la foudre firent de Watson-Watt un expert en radiogoniométrie avant qu'il ne se tourne vers la transmission par ondes courtes . Ayant besoin d'un récepteur adapté à ces études, il chargea le jeune Arnold Frederic Wilkins d'étudier en détail les appareils à ondes courtes disponibles. Wilkins choisit un modèle de la General Post Office après avoir constaté, dans son manuel, la présence d'un phénomène d'« affaiblissement » (terme courant pour désigner les interférences à l'époque) lors du passage d'avions.

En 1922, en plaçant un émetteur et un récepteur de part et d'autre du fleuve Potomac , les chercheurs de l'US Navy, A. Hoyt Taylor et Leo C. Young, découvrirent que le passage des navires dans le faisceau perturbait le signal reçu. Taylor remit un rapport suggérant que ce phénomène pourrait servir à détecter la présence de navires par faible visibilité, mais la Marine n'entama pas immédiatement les travaux. Huit ans plus tard, Lawrence A. Hyland, du Laboratoire de recherche navale (NRL), observa des phénomènes similaires d'atténuation du signal provenant d'aéronefs de passage ; cette découverte donna lieu à une demande de brevet ainsi qu'à une proposition de recherche approfondie sur les signaux d'écho radio émis par des cibles mobiles, qui devait être menée au NRL, où travaillaient alors Taylor et Young.

De même, au Royaume-Uni, LS Alder déposa secrètement un brevet provisoire pour un radar naval en 1928. WAS Butement et PE Pollard mirent au point un prototype , fonctionnant à 50 cm (600 MHz) et utilisant la modulation d'impulsions, qui donna des résultats concluants en laboratoire. En janvier 1931, une description de l'appareil fut inscrite dans le Livre des inventions tenu par le Corps royal du génie. Il s'agit du premier compte rendu officiel en Grande-Bretagne de cette technologie, utilisée pour la défense côtière et intégrée au système Chain Home sous la désignation Chain Home (basse) .

Avant la Seconde Guerre mondiale , des recherches sur le radar ont été menées au Royaume-Uni, aux États-Unis, en France , en Allemagne , en Italie , au Japon , en Union soviétique et aux Pays-Bas .

En France, en 1934, suite à des études systématiques sur le magnétron à anode divisée , la branche recherche de la Compagnie générale de la télégraphie sans fil (CSF), dirigée par Maurice Ponte avec Henri Gutton, Sylvain Berline et M. Hugon, a commencé à développer un appareil radio de localisation d'obstacles, dont certains aspects ont été installés sur le paquebot Normandie en 1935.

Durant la même période, l'ingénieur militaire soviétique P.K. Oshchepkov , en collaboration avec l' Institut électrotechnique de Leningrad , mit au point un appareil expérimental, le RAPID, capable de détecter un aéronef à moins de 3 km d'un récepteur. Les Soviétiques produisirent leurs premiers radars de série, les RUS-1 et RUS-2 Redut, en 1939, mais leur développement fut ralenti par l'arrestation d'Oshchepkov et sa condamnation au Goulag . Au total, seulement 607 stations Redut furent produites pendant la guerre. Le premier radar aéroporté russe, le Gneiss-2 , entra en service en juin 1943 sur les bombardiers en piqué Pe-2 . Plus de 230 stations Gneiss-2 furent produites fin 1944. Les systèmes français et soviétiques, cependant, fonctionnaient en mode continu et n'offraient pas les performances optimales des systèmes radar modernes.

Le radar complet a évolué vers un système à impulsions, et le premier appareil élémentaire de ce type a été présenté en décembre 1934 par l'Américain Robert M. Page , travaillant au Laboratoire de recherche navale . L'année suivante, l' armée américaine a testé avec succès un radar surface-surface primitif pour orienter de nuit les projecteurs des batteries côtières . Ce modèle a été suivi par un système à impulsions présenté en mai 1935 par Rudolf Kühnhold et la société GEMA en Allemagne, puis par un autre en juin 1935 par une équipe du ministère de l'Air dirigée par Robert Watson-Watt en Grande-Bretagne.

En 1935, Watson-Watt fut chargé d'évaluer des rapports récents concernant un rayon de la mort allemand fonctionnant par ondes radio et confia cette tâche à Wilkins. Ce dernier soumit une série de calculs démontrant l'impossibilité du système. Lorsque Watson-Watt demanda alors ce qu'un tel système pourrait faire, Wilkins se souvint d'un rapport antérieur concernant des interférences radio causées par des avions. Cette révélation mena à l' expérience de Daventry , le 26 février 1935. Un puissant émetteur ondes courtes de la BBC servit de source, tandis que leur récepteur GPO était installé dans un champ et qu'un bombardier survolait la zone. Lorsque l'avion fut clairement détecté, Hugh Dowding , membre du corps aérien chargé de l'approvisionnement et de la recherche , fut très impressionné par le potentiel du système et des fonds furent immédiatement alloués à son développement opérationnel. L'équipe de Watson-Watt breveta le dispositif sous le numéro GB593017.

Le développement du radar connut un essor considérable en 1936, lorsque Watson-Watt devint directeur d'un nouvel établissement du ministère de l'Air britannique : la station de recherche de Bawdsey, située à Bawdsey Manor , près de Felixstowe, dans le Suffolk. Les travaux menés sur place aboutirent à la conception et à l'installation, à temps pour le déclenchement de la Seconde Guerre mondiale en 1939, de stations de détection et de poursuite des aéronefs baptisées « Chain Home » le long des côtes est et sud de l'Angleterre. Ce système fournit les informations cruciales qui permirent à la Royal Air Force de remporter la bataille d'Angleterre ; sans lui, un nombre important d'avions de chasse, dont la Grande-Bretagne ne disposait pas, auraient dû être constamment en vol pour réagir rapidement. Le radar faisait partie du « système Dowding », destiné à recueillir les rapports sur les aéronefs ennemis et à coordonner la riposte.

Grâce à un financement complet et au soutien au développement apporté, l'équipe a mis au point des systèmes radar fonctionnels en 1935 et a commencé leur déploiement. Dès 1936, les cinq premiers systèmes Chain Home (CH) étaient opérationnels et, en 1940, le réseau couvrait l'ensemble du Royaume-Uni, y compris l'Irlande du Nord. Même pour l'époque, le système CH était rudimentaire : au lieu d'émettre et de recevoir un signal à partir d'une antenne pointée, il émettait un signal éclairant toute la zone devant lui, puis utilisait un radiogoniomètre conçu par Watson-Watt pour déterminer la direction des échos. De ce fait, les émetteurs CH devaient être beaucoup plus puissants et équipés d'antennes plus performantes que les systèmes concurrents, mais cela a permis son déploiement rapide grâce aux technologies existantes.

Un système radar possède un émetteur qui émet des ondes radio , appelées signaux radar, dans des directions prédéterminées. Lorsque ces signaux rencontrent un objet, ils sont généralement réfléchis ou diffusés dans de nombreuses directions, bien qu'une partie soit absorbée et pénètre dans la cible. Les signaux radar sont particulièrement bien réfléchis par les matériaux présentant une conductivité électrique élevée , tels que la plupart des métaux, l'eau de mer et les sols humides. Ceci rend possible l'utilisation d' altimètres radar dans certains cas. Les signaux radar réfléchis vers le récepteur sont ceux qui permettent la détection radar. Si l'objet se déplace vers ou s'éloigne de l'émetteur, la fréquence des ondes radio subit une légère variation due à l' effet Doppler .

Les récepteurs radar sont généralement, mais pas toujours, situés au même endroit que l'émetteur. Les signaux radar réfléchis, captés par l'antenne de réception, sont généralement très faibles. Ils peuvent être amplifiés par des amplificateurs électroniques . Des méthodes de traitement du signal plus sophistiquées sont également utilisées pour récupérer des signaux radar exploitables.

La faible absorption des ondes radio par le milieu qu'elles traversent permet aux radars de détecter des objets à des distances relativement importantes, là où d'autres longueurs d'onde électromagnétiques, comme la lumière visible , l'infrarouge et l'ultraviolet , sont trop fortement atténuées. Les phénomènes météorologiques, tels que le brouillard, les nuages, la pluie, la neige et le grésil, qui bloquent la lumière visible, sont généralement transparents aux ondes radio. Certaines fréquences radio absorbées ou diffusées par la vapeur d'eau, les gouttes de pluie ou les gaz atmosphériques (notamment l'oxygène) sont évitées lors de la conception des radars, sauf lorsque leur détection est prévue.

Le radar utilise ses propres émissions plutôt que la lumière du Soleil ou de la Lune, ou les ondes électromagnétiques émises par les objets cibles eux-mêmes, comme le rayonnement infrarouge (chaleur). Ce procédé consistant à diriger des ondes radio artificielles vers les objets est appelé illumination , bien que les ondes radio soient invisibles à l'œil nu et aux caméras optiques.

où

• P _t = puissance de l'émetteur
• G _t = gain de l'antenne émettrice
• A _r = ouverture effective (surface) de l'antenne de réception ; ceci peut également être exprimé comme

• G _r = gain de l'antenne de réception

• σ = section efficace radar , ou coefficient de diffusion, de la cible
• F = facteur de propagation de motif
• R _t = distance entre l'émetteur et la cible
• R _r = distance entre la cible et le récepteur.

Dans le cas courant où l'émetteur et le récepteur sont au même endroit, R t = R r et le terme R t ²R  r ² peut être remplacé par R 4  , où R est la portée. On obtient alors :

Cela montre que la puissance reçue diminue comme la quatrième puissance de la distance, ce qui signifie que la puissance reçue des cibles éloignées est relativement très faible.

Un filtrage supplémentaire et une intégration d'impulsions modifient légèrement l'équation radar pour les performances du radar Doppler à impulsions , ce qui peut être utilisé pour augmenter la portée de détection et réduire la puissance d'émission.

L'équation ci-dessus, avec F = 1, est une simplification pour une transmission dans le vide sans interférence. Le facteur de propagation tient compte des effets de trajets multiples et d'ombrage, et dépend des caractéristiques de l'environnement. En situation réelle, les effets d'affaiblissement du trajet sont également pris en compte.

Dans le vide, un faisceau radar suit une trajectoire rectiligne, mais dans l'atmosphère, sa trajectoire est légèrement incurvée en raison de la variation de l' indice de réfraction de l'air, appelée horizon radar . Même émis parallèlement au sol, le faisceau s'élève au-dessus de celui-ci car la courbure de la Terre le fait passer sous l'horizon. De plus, le signal est atténué par le milieu traversé et le faisceau se disperse.

La portée maximale des radars conventionnels peut être limitée par un certain nombre de facteurs :

• La visibilité directe dépend de la hauteur au-dessus du sol. Sans visibilité directe, le faisceau est obstrué.
• La portée maximale sans ambiguïté, déterminée par la fréquence de répétition des impulsions , correspond à la distance que l'impulsion peut parcourir et parcourir avant l'émission de l'impulsion suivante.
• La sensibilité du radar et la puissance du signal de retour sont calculées à l'aide de l'équation radar. Ce paramètre dépend de facteurs tels que les conditions environnementales et la taille (ou la surface équivalente radar) de la cible.

Le terme « interférences » désigne les échos radiofréquences (RF) renvoyés par des cibles sans intérêt pour les opérateurs radar. Ces cibles comprennent des objets artificiels tels que des bâtiments et, intentionnellement, des contre-mesures radar comme les paillettes . Elles incluent également des objets naturels comme le sol, la mer et, lorsqu'elles ne sont pas utilisées à des fins météorologiques, les précipitations , les pics de grêle , les tempêtes de poussière , les animaux (en particulier les oiseaux), les turbulences atmosphériques et les traînées de météores . Les interférences radar peuvent aussi être causées par d'autres phénomènes atmosphériques, tels que les perturbations de l' ionosphère provoquées par les orages géomagnétiques ou d'autres événements de météorologie spatiale . Ce phénomène est particulièrement marqué près des pôles géomagnétiques , où l'action du vent solaire sur la magnétosphère terrestre engendre des mouvements de convection dans le plasma ionosphérique . Les interférences radar peuvent dégrader la capacité des radars transhorizon à détecter les cibles.

Des interférences peuvent également être causées par un long guide d'ondes radar entre l'émetteur-récepteur et l'antenne. Dans un radar PPI ( indicateur de position plan ) classique à antenne rotative, cela se traduit généralement par un halo au centre de l'écran, dû aux échos dus aux particules de poussière et aux interférences radiofréquences mal guidées dans le guide d'ondes. Ajuster le délai entre l'émission d'une impulsion et l'activation de la réception permet généralement de réduire ce halo sans affecter la précision de la mesure de distance, car il est principalement causé par une impulsion d'émission diffuse réfléchie avant de quitter l'antenne. Ces interférences sont considérées comme une source de perturbations passives, car elles n'apparaissent qu'en réponse aux signaux radar émis par le radar.

Le bruit de fond est détecté et neutralisé de plusieurs manières. Il tend à apparaître statique entre les balayages radar ; lors des balayages suivants, les cibles utiles apparaissent en mouvement, et tous les échos stationnaires peuvent être éliminés. Le bruit de fond marin peut être réduit grâce à la polarisation horizontale, tandis que le bruit de fond lié à la pluie est atténué par la polarisation circulaire (les radars météorologiques recherchent l'effet inverse et utilisent donc la polarisation linéaire pour détecter les précipitations). D'autres méthodes visent à améliorer le rapport signal/bruit.

Le désordre peut être déplacé par le vent ou rester immobile. Deux stratégies courantes pour améliorer les indicateurs de performance dans un environnement encombré sont :

• Indication de cible mobile, qui intègre des impulsions successives
• Le traitement Doppler utilise des filtres pour séparer les signaux parasites des signaux utiles.

La technique de réduction des interférences la plus efficace est le radar Doppler pulsé . Le radar Doppler sépare les interférences provenant des aéronefs et des engins spatiaux grâce à un spectre de fréquences ; ainsi, les signaux individuels peuvent être distingués de plusieurs réflecteurs situés dans le même volume grâce aux différences de vitesse. Cette technique nécessite un émetteur cohérent. Une autre technique utilise un indicateur de cible mobile qui soustrait le signal reçu de deux impulsions successives en utilisant la phase pour réduire les signaux provenant d'objets se déplaçant lentement. Cette technique peut être adaptée aux systèmes dépourvus d'émetteur cohérent, tels que le radar à amplitude d'impulsions dans le domaine temporel .

Le taux de fausses alarmes constant , une forme de contrôle automatique de gain (CAG), est une méthode qui repose sur le fait que les échos de brouillage sont largement supérieurs à ceux des cibles d'intérêt. Le gain du récepteur est ajusté automatiquement pour maintenir un niveau constant de brouillage visible global. Bien que cela ne permette pas de détecter les cibles masquées par un brouillage environnant plus important, cela aide à distinguer les sources de cibles importantes. Auparavant, le CAG des radars était contrôlé électroniquement et affectait le gain de l'ensemble du récepteur radar. Avec l'évolution des radars, le CAG est devenu contrôlé par logiciel et affecte le gain avec une plus grande précision dans des cellules de détection spécifiques.

Le brouillage peut également provenir d'échos à trajets multiples émis par des cibles valides, causés par la réflexion au sol, la propagation atmosphérique guidée ou la réflexion / réfraction ionosphérique (par exemple, la propagation anormale ). Ce type de brouillage est particulièrement gênant car il semble se déplacer et se comporter comme d'autres cibles ponctuelles d'intérêt. Dans un scénario typique, l'écho d'un aéronef est réfléchi par le sol, apparaissant au récepteur comme une cible identique située en dessous de la cible réelle. Le radar peut tenter d'unifier les cibles, signalant la cible à une altitude incorrecte ou l'éliminant en raison de la gigue ou d'une impossibilité physique. Le brouillage par réflexion de terrain exploite cette réponse en amplifiant le signal radar et en le dirigeant vers le bas. Ces problèmes peuvent être résolus en intégrant une carte au sol de l'environnement du radar et en éliminant tous les échos qui semblent provenir du sol ou d'une altitude supérieure à une certaine valeur. Le fonctionnement du radar monopulse peut être amélioré en modifiant l'algorithme d'élévation utilisé à basse altitude. Dans les équipements radar de contrôle aérien les plus récents, des algorithmes sont utilisés pour identifier les fausses cibles en comparant les échos d'impulsions actuels à ceux adjacents, ainsi qu'en calculant les improbabilités de retour.

Une méthode de mesure de distance (télémétrie) repose sur le temps de vol : on émet une brève impulsion de signal radio (rayonnement électromagnétique) et on mesure le temps de retour de l’écho. La distance est égale à la moitié du temps de trajet aller-retour multiplié par la vitesse du signal. Le facteur 1/2 s’explique par le fait que le signal doit effectuer un aller-retour jusqu’à l’objet. Les ondes radio se propageant à la vitesse de la lumière , une mesure précise de la distance exige une électronique à haute vitesse. Dans la plupart des cas, le récepteur ne détecte pas l’écho pendant l’émission du signal. Grâce à un duplexeur, le radar alterne entre émission et réception à une fréquence prédéterminée. Un effet similaire impose également une portée maximale. Pour maximiser la portée, il convient d’allonger l’intervalle entre les impulsions, appelé temps de répétition des impulsions (PRT), ou son inverse, la fréquence de répétition des impulsions (PRF).

Ces deux effets sont souvent contradictoires, et il est difficile de combiner une bonne portée à courte et à longue distance dans un seul radar. En effet, les impulsions courtes nécessaires à une bonne portée minimale ont une énergie totale moindre, ce qui réduit considérablement l'intensité des échos et rend la cible plus difficile à détecter. On pourrait compenser ce problème en utilisant davantage d'impulsions, mais cela réduirait la portée maximale. C'est pourquoi chaque radar utilise un type de signal particulier. Les radars à longue portée utilisent généralement des impulsions longues avec de longs intervalles, tandis que les radars à courte portée utilisent des impulsions plus courtes avec des intervalles plus courts. Grâce aux progrès de l'électronique, de nombreux radars peuvent désormais modifier leur fréquence de répétition des impulsions, et donc leur portée. Les radars les plus récents émettent deux impulsions par cellule : une pour la courte portée (environ et une autre pour les portées plus longues (environ .

La distance peut également être mesurée en fonction du temps. Le mille radar correspond au temps nécessaire à une impulsion radar pour parcourir un mille nautique , se réfléchir sur une cible et revenir à l'antenne radar. Un mille nautique étant défini comme équivalant à 1 852 m, diviser cette distance par la vitesse de la lumière (299 792 458 m/s), puis multiplier le résultat par 2, donne une durée de 12,36 µs.

Les deux techniques décrites ci-dessus présentent chacune leurs inconvénients. La technique de synchronisation d'impulsions impose un compromis intrinsèque : la précision de la mesure de distance est inversement proportionnelle à la durée de l'impulsion, tandis que l'énergie, et donc la portée directionnelle, y est directement proportionnelle. Accroître la puissance pour obtenir une plus grande portée tout en conservant la précision exige une puissance de crête extrêmement élevée ; les radars d'alerte précoce des années 1960 fonctionnaient souvent à plusieurs dizaines de mégawatts. Les méthodes à ondes continues répartissent cette énergie dans le temps et requièrent donc une puissance de crête bien inférieure à celle des techniques à impulsions, mais nécessitent un dispositif permettant l'émission et la réception simultanées des signaux, ce qui implique souvent l'utilisation de deux antennes distinctes.

L'introduction de nouveaux composants électroniques dans les années 1960 a permis de combiner ces deux techniques. Le procédé repose sur une impulsion plus longue, elle-même modulée en fréquence. L'étalement temporel de l'énergie émise permet d'utiliser des énergies de crête plus faibles, généralement de l'ordre de quelques dizaines de kilowatts dans les exemples modernes. À la réception, le signal est traité par un système qui retarde les différentes fréquences de durées variables. Le signal de sortie ainsi obtenu est une impulsion beaucoup plus courte, idéale pour une mesure précise des distances, tout en comprimant l'énergie reçue en une crête d'énergie beaucoup plus élevée et en améliorant ainsi le rapport signal/bruit. Cette technique est largement répandue sur les grands radars modernes.

Utilisé de manière similaire au réflecteur parabolique, le guide d'ondes à fentes est déplacé mécaniquement pour effectuer le balayage et convient particulièrement aux systèmes de balayage de surface sans poursuite, où le diagramme de rayonnement vertical peut rester constant. Du fait de son coût inférieur et de sa moindre sensibilité au vent, les radars embarqués, de surface aéroportuaires et de surveillance portuaire privilégient désormais cette solution à l'antenne parabolique.

Antennas generally have to be sized similar to the wavelength of the operational frequency, normally within an order of magnitude. This provides a strong incentive to use shorter wavelengths as this will result in smaller antennas. Shorter wavelengths also result in higher resolution due to diffraction, meaning the shaped reflector seen on most radars can also be made smaller for any desired beamwidth.

Opposing the move to smaller wavelengths are a number of practical issues. For one, the electronics needed to produce high power very short wavelengths were generally more complex and expensive than the electronics needed for longer wavelengths or did not exist at all. Another issue is that the radar equation's effective aperture figure means that for any given antenna (or reflector) size will be more efficient at longer wavelengths. Additionally, shorter wavelengths may interact with molecules or raindrops in the air, scattering the signal. Very long wavelengths also have additional diffraction effects that make them suitable for over the horizon radars. For this reason, a wide variety of wavelengths are used in different roles.

The traditional band names originated as code-names during World War II and are still in military and aviation use throughout the world. They have been adopted in the United States by the Institute of Electrical and Electronics Engineers and internationally by the International Telecommunication Union. Most countries have additional regulations to control which parts of each band are available for civilian or military use.

Other users of the radio spectrum, such as the broadcasting and electronic countermeasures industries, have replaced the traditional military designations with their own systems.

Les modulateurs permettent de générer la forme d'onde de l'impulsion RF. Il existe deux types de modulateurs radar :

• Commutateur haute tension pour oscillateurs de puissance à modulation non cohérente. Ces modulateurs sont constitués d'un générateur d'impulsions haute tension formé d'une alimentation haute tension, d'un réseau de mise en forme d'impulsions et d'un commutateur haute tension tel qu'un thyratron . Ils génèrent de brèves impulsions de puissance pour alimenter, par exemple, le magnétron , un type particulier de tube à vide qui convertit le courant continu (généralement pulsé) en micro-ondes. Cette technologie est connue sous le nom de génération de puissance pulsée . De cette manière, l'impulsion de rayonnement RF émise est maintenue à une durée définie et généralement très courte.
• Les mélangeurs hybrides , alimentés par un générateur de formes d'onde et un excitateur, produisent une forme d'onde complexe mais cohérente . Cette forme d'onde peut être générée par des signaux d'entrée de faible puissance et basse tension. Dans ce cas, l'émetteur radar doit être un amplificateur de puissance, par exemple un klystron ou un émetteur à semi-conducteurs. Ainsi, l'impulsion transmise est modulée en intrapulse et le récepteur radar doit utiliser des techniques de compression d'impulsion .

Les amplificateurs micro-ondes cohérents fonctionnant à une puissance de sortie supérieure à 1 000 watts, tels que les tubes à ondes progressives et les klystrons , nécessitent un refroidissement liquide . Le faisceau d'électrons doit avoir une puissance 5 à 10 fois supérieure à celle du faisceau micro-ondes, ce qui permet de générer suffisamment de chaleur pour induire la formation d'un plasma. Ce plasma s'écoule du collecteur vers la cathode. La focalisation magnétique qui guide le faisceau d'électrons force le plasma à suivre le trajet de ce dernier, mais en sens inverse. Ceci introduit une modulation de fréquence (FM) qui dégrade les performances Doppler. Pour éviter ce phénomène, un refroidissement liquide à pression et débit minimaux est nécessaire ; l'eau déminéralisée est généralement utilisée dans la plupart des systèmes radar de surface haute puissance utilisant le traitement Doppler.

Le coolanol ( ester de silicate ) a été utilisé dans plusieurs radars militaires dans les années 1970. Cependant, son hygroscopicité entraîne une hydrolyse et la formation d'alcool hautement inflammable. La perte d'un avion de l'US Navy en 1978 a été attribuée à un incendie dû à un ester de silicate . Le coolanol est également coûteux et toxique. L'US Navy a mis en place un programme de prévention de la pollution (P2) afin d'éliminer ou de réduire le volume et la toxicité des déchets, des émissions atmosphériques et des rejets d'effluents. De ce fait, le coolanol est aujourd'hui moins fréquemment utilisé.