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Techniques radars 1 CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES SYSTEMES RADARS 1 INTRODUC

Techniques radars 1 CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES SYSTEMES RADARS 1 INTRODUCTION Le mot RADAR provient de l’acronyme anglais Radio Détection And Ranging, adopté par la marine américaine en 1940, que l'on peut traduire par ‘détection et estimation de la distance par ondes radio’, cet acronyme d'origine américaine a remplacé le sigle anglais précédemment utilisé : RDF (Radio Direction Finding), mais son histoire débute bien des années auparavant. La première trace généralement retenue dans la genèse du radar remonte à 1886, avec les expériences sur les ondes électromagnétiques du physicien Heinrich Hertz. Les anglais ont sans doute été les plus grands contributeurs au développement du radar. 2 Description du radar Le radar fait usage de l'écho produit par un obstacle situé sur la trajectoire d'une onde électromagnétique. Dans la majorité des cas, l'émetteur et le récepteur sont connectés à une antenne commune: c'est cette situation qui est considérée ici. Le temps qu'il faut à une onde électromagnétique pour aller de l'émetteur à l’obstacle, puis de l'obstacle au récepteur est mesuré et permet de calculer la distance R. La variation de fréquence du signal sert à déterminer la vitesse relative de l’obstacle par rapport à la source (effet Doppler). La direction dans laquelle se trouve l'obstacle est obtenue en pointant une antenne à faisceau étroit dans la direction donnant le plus grand signal réfléchi. Le schéma de principe d'un radar est donné à la figure (I.1), dans laquelle sont représentés symboliquement tous les termes qui le caractérisent. Figure Présentation schématique d'un radar. 3 Equation des radars L'émetteur fournit une puissance Pf 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 G. La densité de puissance décroît proportionnellement à 1/4πR2, où R est la distance à l'antenne. Une partie du signal atteint la cible, qui la réfléchit partiellement dans la direction de l'antenne. La cible est représentée par sa surface réfléchissante effective σ. La densité de puissance réfléchie décroît à son tour inversement au carré de la distance. L’antenne capte une partie du Signal réfléchi. Elle est représentée par sa surface de captation Ae, elle-même liée au gain par le rapport Ae = Gλ2 /4π, où λ est la longueur d’onde. Le rapport entre la puissance reçue Pr et la puissance Pf fournie à l’antenne est donné par Émetteur Récepteur Duplexeur Analyse Détection et affichage σ R d r Techniques radars 2 l’équation des radars:   4 3 2 2 2 2 2 4 4 4 1 4 1 R G G R R G p p f r               La puissance reçue est fournie au récepteur, également connecté à l'antenne. On néglige l'affaiblissement produit par les pertes atmosphériques et on suppose que l'obstacle est situé hors du champ proche de l'antenne. R > 2d2/λ Où d est la plus grande dimension de l'antenne. 4 Surface réfléchissante effective σ( SER, ou RCS, Radar Cross Section) Un obstacle est caractérisé par sa surface réfléchissante effective σ, définie comme étant le quotient de la puissance réfléchie vers le radar par la densité de puissance incidente. Ces constatations restent valables pour des cibles ayant d'autres formes. Les valeurs limites présentées pour plusieurs géométries au tableau I.1, peuvent être employées en première approximation pour des objets grands par rapport à la longueur d'onde. Cible Surface réfléchissante effective σ (limite optique) Sphère 2 a  Cône (Incidence axiale)    4 2 2tg Disque            sin 4 cot 2 2 a g a Surface plane de grande dimension (incidence normale) 2 2 4  A Cylindre circulaire        2 2 2 sin sin 2 sin cos 2       L a Tableau I.1 Valeur approchée de la surface réfléchissante effective d'une cible métallique grande par rapport à la longueur d'onde λ 5 Paramètres de Radar Il ressort de ce qui précède que le développement d'un radar pose un problème de choix des paramètres. Il faut en effet tenir compte de : 1- la puissance Pf fournie par le générateur (W); 2- le gain de l’antenne G; 3- la fréquence f(GHZ) ou la longueur d'onde λ(m); 4- la portée Rmax (m), qui est la distance maximale de détection; 5- la surface réfléchissante effective de la cible σ (m2); a θ θ a Surface A a θ L Techniques radars 3 6- le rapport signal sur bruît (Pr/N) minimum acceptable à l'entrée du récepteur, grandeur spécifiée par le système d'analyse du signal; 7- la bande passante du récepteur B (Hz); 8- la température de bruit globale ramenée à l'entrée du récepteur (Ta + Tr) en Kelvin. Les trois premières grandeurs dépendent de l'émetteur, les trois dernières dépendent du récepteur. La portée et la surface réfléchissante effective définissent la cible à observer. 6 Mesure de distance Les radars les plus couramment employés pour la mesure de distance font usage de brèves impulsions de durée τ de signal hyperfréquence qui sont émises avec une fréquence de répétition fr. Cette méthode permet d'obtenir un signal hyperfréquences de haute puissance en utilisant une puissance moyenne. L'onde émise parcourt la distance R qui sépare l'émetteur de l'obstacle, puis revient vers le radar après un temps tar . Comme il s'agit d'une onde électromagnétique se déplaçant à la vitesse de la lumière C0, on trouve la distance R par la relation : ) ( 2 0 m t c R ar  7 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 de l'émission ou le signal de retour depuis l'antenne vers le récepteur lors de la réception quand on utilise un radar monostatique. Il permet donc d'utiliser la même antenne pour les deux fonctions. 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 de conducteurs élémentaires, traversé par des courants variables puissants, forme une antenne radio éditrice. Selon l’alignement de ses conducteurs élémentaires, une antenne peut être plus ou moins directive. L’antenne radar exploite les propriétés des ouvertures planes rectangulaires et diffuse l'onde électromagnétique vers la cible avec le minimum de perte. Sa vitesse de déplacement, rotation et/ou balancement, ainsi que sa position, en élévation comme en azimut, sont asservies, soit mécaniquement, mais parfois aussi électroniquement. Antenne radar primaire Un radar primaire est équipé par une antenne parabolique qui émet des signaux hyperfréquences qui sont réfléchis par les cibles. Les échos ainsi créés sont reçus et étudiés. Contrairement à un radar secondaire, un radar primaire reçoit la partie réfléchie de son propre signal, et voici quelques données techniques de cette antenne: ● Fréquence de travail : 2700 à 2900 MHz (bande S) ● Polarisation : linéaire (horizontale) ou circulaire délectable manuellement ● Poids (support et réflecteur) : 860Kg ● Dimension : longueur = 550 cm, hauteur = 315 cm ● Gain : 32 dB Techniques radars 4 Figure: Antenne radar primaire celle en bas (www.radartutorial.eu) Le récepteur Qui 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 Permettant 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, programmé selon un logiciel de sondage. Les données obtenues sont alors affichées aux utilisateurs. Techniques radars 5 CHAPITRE II : CLASSIFICATION DES SYSTEMES RADARS 1 La classification selon la technologie En fonction des informations qu'ils doivent fournir, les équipements radars utilisent des qualités et des technologies différentes. Ceci se traduit par une première classification des systèmes radars: 1 Radar primaire (ou imageurs) Un radar primaire émet des signaux hyperfréquences qui sont réfléchis par les cibles. Les échos ainsi crées sont reçus et étudiés. Contrairement à un radar secondaire, un radar primaire reçoit la partie réfléchie de son propre signal. 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 uploads/Marketing/ techniques-radars.pdf