Caractéristiques du signal radar - Définition

Introduction

Un système radar utilise un signal radio électromagnétique qui, en étant réfléchi par une cible, permettra d'obtenir des informations sur cette cible. Les signaux transmis et réfléchis vont présenter plusieurs des caractéristiques décrites ci-dessous.

Signal radar par rapport au temps

Le schéma ci-contre montre les caractéristiques du signal transmis par rapport au temps. Notons que dans ce schéma, ainsi que dans tous ceux de l'article, l'axe des abscisses (x) est dilaté par mesure de clarté.

Porteuse

La porteuse est un signal HF, habituellement dans les micro-ondes, qui est le plus souvent modulé (mais pas toujours) pour permettre au système d'acquérir les données nécessaires. Dans le cas des radars simples, la porteuse est modulée en une série d'impulsions. Dans le cas des radars à porteuse continue, comme le radar Doppler, le signal peut ne pas être modulé du tout.

La plupart des systèmes utilisent cependant la modulation par impulsions. La porteuse est alors simplement émise durant une courte période suivi d'un plus long interval de silence. Le tout est commandé par un interrupteur électronique qui laisse ou ne laisse pas passer la porteuse produite par l'oscillateur synchrone. L'enveloppe de modulation n'est pas réellement transmise, elle est reconstituée à la réception par démodulation. Ces impulsions peuvent dans certains systèmes subir une modulation supplémentaire (compression d'impulsion par exemple).

Durée de l'impulsion

La durée de l'impulsion () du signal émis détermine deux caractéristiques importantes d'un radar : la résolution horizontale de sondage et la portée minimale du radar.

Résolution horizontale

La résolution en distance est la capacité d'un système radar à distinguer deux ou plusieurs cibles situées dans la même direction mais à des distances différentes. Elle dépend surtout de la longueur de l'impulsion émise et accessoirement du type et de la taille des cibles, ainsi que de l'efficacité du récepteur et de l'afficheur. En général, la résolution en distance sera égale à une demi-largeur d'impulsion. En effet, c'est la distance que parcours le front de l'impulsion vers le radar après avoir frappé une cible avant de rejoindre l'arrière de l'impulsion. Si à ce moment l'arrière de l'onde frappe une autre cible, il est impossible de distinguer les deux retours au site radar car ils y arriveront en même temps.

Distance minimale de sondage

Dans un radar monostatique, c'est la même antenne qui émet l'impulsion et qui reçoit le retour de la cible. Pendant que l'émetteur est actif, le duplexeur dirige le signal vers l'antenne et coupe le guide d'onde vers l'entrée du récepteur afin d'éviter que ce dernier ne soit saturé ou même détruit. À la fin de l'impulsion, le duplexeur commute le guide d'onde vers le récepteur pour l'écoute. Pendant le temps de l'impulsion, le radar est donc sourd et ceci correspond à une distance autour du radar non sondée : la zone d'ombre.

Cette dernière est égale au trajet aller-retour durant l'impulsion :

où c est la vitesse de la lumière et τ la durée de l'impulsion.

Ainsi, si la durée de l'impulsion d'un radar est de 1 μs, on ne pourra pas détecter de cibles proches de moins de 150 mètres parce que le récepteur sera inactif.

Distance des cibles

La même équation que précédemment peut être utilisée pour calculer la distance entre le radar et la cible mais en remplaçant τ par ΔT, la différence de temps entre l'émission de l'impulsion et son retour au radar. Par exemple, l'impulsion revenant d'une cible située à 1 km prendra 6,7 μs pour revenir, en comptant à partir du début de l'impulsion (T₀). Par commodité, on peut également exprimer cette mesure par rapport au mille marin (1,852 km), la durée est alors de 12,4 μs.

Fréquence de répétition des impulsions (PRF)

Pour obtenir un écho utilisable la plupart des systèmes radar émettent des impulsions de façon continue et la fréquence de répétition des impulsions (« PRF » pour Pulse repetition frequency) est fonction de l'usage que l'on fait du système. L'écho reçu de la cible peut être affiché directement sur un écran ou être intégré par un système de traitement du signal à chaque impulsion et être rendu ainsi plus lisible. Plus la fréquence de répétition des impulsions est élevée, plus l'image de la cible sera visible. Cependant, lorsqu'on augmente la fréquence de répétition des impulsions, on diminue la portée du radar. Les fabricants de radars essaient donc d'utiliser la fréquence la plus élevée possible compte tenu des facteurs limitants.

PRF décalée

Décaler la fréquence de répétition des impulsions (PRF) revient à faire varier légèrement la période d'envoi des impulsions. Ce changement de la fréquence de répétition permet au radar de différencier ses propres retours de ceux d'un autre radar travaillant sur la même fréquence. Sans ce décalage, les retours de l'autre radar, apparaissant stables dans le temps, seraient confondus par notre radar avec ses propres retours. Grâce au décalage, les retours de notre radar paraitront stables par rapport à la porteuse émise, alors que les échos d'autres radars seront incohérents et rejetés par les systèmes de filtrage du récepteur.

Fouillis d'échos

Les fouillis d'échos (« clutter » en anglais) sont une forme de parasitage du signal radar. Ce phénomène apparait lorsque des objets fixes, proches du radar comme des immeubles, des arbres, des collines, des vagues en mer, etc., font écran au faisceau du radar et provoquent des échos de retour. On parle d’échos de sol et fouillis de mer selon la source. Les échos résultants de ces fouillis peuvent être très importants, aussi bien du point de vue de l'étendue qu'ils couvrent que par leur puissance. Sans un traitement approprié, ce fouillis s'ajoute au retour des vraies cibles et peut faire disparaître ces dernières pour l'opérateur radar.

Ces effets diminuent lorsque la distance au radar devient plus grande en raison de la courbure terrestre et de l'inclinaison de l'antenne au-dessus de l'horizon. En effet, le faisceau radar, qui a une certaine largeur, s'élève graduellement au-dessus de la surface terrestre et intercepte de moins en moins de celle-ci. Cependant, dans les cas où la température de l'air n'est pas standard, comme pour une inversion de température, ont aura de la suréfraction et le faisceau radar peut être recourbé vers la surface. Des échos de fouillis seront alors notés à plus grande distance du radar.

Les militaires utilisent des fouillis artificiels pour tromper les radars. Il s'agit de lâcher de petites particules réfléchissantes pour dissimuler des mouvements de troupes, de navires ou d'avions en provoquant de nombreux échos et en saturant ainsi le récepteur du radar par une grande quantité de fausses cibles. On appelle ces leurres des paillettes.

Commande de variation du gain en fonction du temps

La commande de variation du gain en fonction du temps (Sensitivity Time Control ou STC en anglais) sert à éviter la saturation du récepteur par des échos de sol ou de mer proches en atténuant l'entrée du récepteur de façon dynamique en fonction de la distance de l'objet. Plus l'objet est proche, plus l'atténuation est importante.

Ambigüité sur la distance

Dans les radars classiques, les échos doivent être détectés et traités avant que l'impulsion suivante ne soit émise. L'ambigüité sur la distance se manifeste lorsque le temps que met le signal pour faire l'aller–retour avec la cible est supérieur au temps d'écoute entre deux impulsions (ΔT). Ces « échos de second retour » apparaîtront sur l'affichage comme des cibles plus proches qu'elles ne le sont en réalité.

La distance maximale non-ambigüe est obtenue par :

où ΔT est le temps entre deux impulsions et PRF est l'inverse soit le taux de répétition des impulsions.

Par exemple, un radar dont le taux de répétition des impulsions (PRF) serait de 7,5 kHz donnera des résultats valides jusqu'à 20 km. Si, on double le PRF à 15 kHz, la portée diminue de moitié à 10 km. Tous les échos se situant entre la zone d'ombre et 20 km de distance seraient correctement placés par le premier taux de répétition.

Cependant, dans le second cas, l'écho placé entre 10 et 20 km serait reçu après qu'une seconde impulsion aurait été émise par le radar et le système d'analyse lui donnerait une position erronées entre la zone d'ombre et 10 km. Ainsi une cible située à 12 km apparaitrait comme n'étant qu'à 2 km mais avec un signal dont la force serait très en dessous de ce qu'elle devrait être si la cible était réellement à cette distance.

Si on veut augmenter la portée utilisable de ces systèmes simples, il faut réduire le PRF en conséquence. Dans les premiers radars de surveillance il n'était pas rare de rencontrer des PRF de l'ordre de 1 kHz ce qui permettait des portées exploitables de 150 km. Mais, diminuer le PRF fait apparaître de nouveaux problèmes comme la mauvaise représentation de la cible et une ambigüité sur la vitesse obtenue par les radar Doppler pulsés.

Les radars modernes utilisent des PRF de plusieurs centaines de kilohertz et font varier la période entre les impulsions pour lever l'ambigüité et atteindre les portées souhaitées. Dans le cas des PRF variables, un « paquet » d'impulsions est envoyé, l'intervalle de temps entre les impulsions de ce paquet ayant une longueur un peu différente du précédent et en décalage par rapport à la référence. À la fin du paquet, l'intervalle revient à sa valeur initiale conformément à la référence de la base de temps. Ces échos peuvent ensuite être corrélés avec l'impulsion T₀ du paquet et être reconnus comme « vrais » pour le calcul de la distance si leur décalage temporel est bon. Les échos provenant des autres impulsions du paquet (échos fantômes) seront supprimés de l'affichage ou annulés par le traitement du signal. C'est un peu comme si le système donnait une étiquette à chacune des impulsions du paquet et vérifiait au retour quelle impulsion revient de la cible.