Radar
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Description générale

Principe du sondage radar

Un radar émet de puissantes ondes, produites par un oscillateur radio et transmises par une antenne. Bien que la puissance des ondes émises soit grande, l’amplitude du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les hommes pour...) renvoyé est le plus souvent très petite. Néanmoins, les signaux radio sont facilement détectables électroniquement et peuvent être amplifiés de nombreuses fois. Il existe différentes façons d'émettre ces ondes. Les plus utilisées sont:

  • Les ondes pulsées, où le radar (Le radar est un système qui utilise les ondes radio pour détecter et déterminer la distance et/ou la vitesse d'objets tels que les avions, bateaux, ou encore la pluie. Un émetteur...) émet une impulsion et attend le retour.
  • Le radar à émission continue, où l'on émet continuellement à partir d'une antenne (En radioélectricité, une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou de capter (récepteur) les ondes électromagnétiques.) et on reçoit à l'aide d'une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La...).

En analysant le signal réfléchi, il est possible de localiser et d’identifier l’objet responsable de la réflexion, ainsi que de calculer sa vitesse (On distingue :) de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le sens...) grâce à l'effet Doppler. Le radar peut détecter des objets ayant une large gamme de propriétés réflectives, alors que les autres types de signaux, tels que le son ou la lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.), revenant de ces objets, seraient trop faibles pour être détectés. De plus, les ondes radio peuvent se propager avec une faible atténuation (Perte d'intensité et amplitude d'un signal...) à travers l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est...) et divers obstacles, tels les nuages, le brouillard (Le brouillard est le phénomène météorologique constitué d’un amas de fines gouttelettes ou de fins cristaux de glace, accompagné de fines particules hygroscopiques saturées d'eau, souvent de...) ou la fumée (La fumée, parfois appelée boucane en Amérique du Nord, est un nuage de particules solides émis par un feu ou un échauffement mécanique. Ces particules sont principalement de la suie (du carbone...), qui absorbent rapidement un signal lumineux. Cela rend possible la détection et le pistage (Chez le chien, le pistage est l'action qui consiste à trouver et à suivre une suite de traces olfactives au sol (la piste) sur ordre d'une personne qui suit la progression du chien (le conducteur). Le chien formé...) dans des conditions qui paralysent les autres technologies.

Traitement des signaux radar

Mesure de distance

Temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de retour du signal

Une manière de mesurer la distance à un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut...) est d'émettre une courte impulsion de signal radio, et de mesurer le temps que prend l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) pour revenir après avoir été réfléchie. La distance est la moitié du temps de retour de l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...) (car le signal doit aller à la cible puis revenir) multipliée par la vitesse du signal (qui est proche de la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour « célérité », la lumière se manifestant macroscopiquement comme un phénomène ondulatoire), est une constante...) dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) si le milieu traversé est l'atmosphère).

Quand l'antenne est à la fois émettrice et réceptrice (ce qui est le cas le plus courant), l'antenne ne peut pas détecter l'onde réfléchie (aussi appelée retour) pendant que le signal est émis - on ne peut pas savoir si le signal mesuré est l'original ou le retour. Cela implique qu'un radar a une portée minimale, qui est la moitié de la durée de l'impulsion multipliée par la vitesse de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement...). Pour détecter des cibles plus proches, il faut utiliser une durée d'impulsion plus courte.

Un effet similaire impose de la même manière une portée maximale. Si le retour arrive quand l'impulsion suivante est émise, une fois encore le récepteur ne peut pas faire la différence. La portée maximale est donc calculée par:

x =  \frac{c\Delta t}{2} où c est la vitesse de la lumière et Δt est le temps entre deux impulsions

La forme de l'impulsion joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la bouche et à mastiquer.) sur la capacité du radar à distinguer deux objets proches (notion de Pouvoir de résolution). Voir l'article consacré à la compression d'impulsion pour plus de détails.

Cette forme d'émission est utilisée par les radars à impulsions.

Modulation de fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie...)

Une autre façon de mesurer la distance au radar est d'utiliser une modulation de la fréquence d'un radar à émission continue. L'onde est émise par une antenne et reçue par une seconde antenne puisque le même électronique ne peut émettre et recevoir à la fois. Dans ce cas le signal émis au temps T a une fréquence A mais une fréquence B au temps T' ultérieur. Le signal émis à T qui frappe une cible et revient au radar aura donc une fréquence différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application...) de celle émise à ce moment par le radar. En faisant la différence entre les deux fréquences, on peut déduire la distance parcourue, aller-retour, entre le radar et la cible. On utilise généralement une variation sinusoïdale de fréquences qu'il est facile d'étalonner et la comparaison entre les deux fréquences est faite en utilisant les battements inter-fréquentiels. Cette technique est utilisée depuis longtemps dans les altimètres pour mesurer l'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et biogéographique...) de vol et peut être utilisée dans les radars comme les détecteurs de vitesse de la police routière.

Cette forme d'émission est utilisé par les radars à émission continue.

Mesure de vitesse

Il existe différentes méthodes pour mesurer la vitesse de déplacement d'une cible:

  • La plus ancienne consiste à noter sa position à un instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une durée.) X, à l'aide d'un crayon gras, sur l'affichage (L' affichage désigne l'application d'une surface de papier script dans un lieu public(et non du foyer)sur un support destiné à son émission, externe ou interne, ce qui en fait un média...) radar. À un instant Y, on refait la même chose et la différence des deux positions divisée par le temps écoulé entre X et Y donne la vitesse de déplacement.
L'effet Doppler-Fizeau (L'effet Doppler-Fizeau est le décalage entre la fréquence de l'onde émise et de l'onde reçue lorsque l'émetteur et le récepteur sont en mouvement l'un par rapport à...)
  • On peut également noter la variation de fréquence de l'onde émise par rapport à celle reçue lorsqu'on émet continuellement à une fréquence fixe. Il s'agit là de l'utilisation de l'Effet Doppler-Fizeau. Comme on ne fait pas varier la fréquence émise, on ne peut cependant pas définir la position de la cible de cette manière. En plus, on n'a que la composante radiale au radar de la vitesse. Par exemple, une cible se déplaçant perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en formant un angle droit. Le terme de perpendiculaire vient du latin per-pendiculum (fil à plomb) et justifie la généralisation de la notion de...) au faisceau radar ne causera pas de changement de fréquence alors que la même cible se déplaçant vers le radar à la même vitesse provoquera un changement maximal.
  • La plus courante des méthodes est d'utiliser une variante de l'effet Doppler avec un radar à impulsions. Dans ce cas, on note la différence de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) entre les impulsions successives revenant de la cible. Cette méthode permet de déterminer la vitesse radiale ET la position de la cible.

Vitesse Doppler avec radar à impulsions

Au lieu de mesurer la différence de fréquence entre l'onde émise et celle reçue, qui peut être trop minime pour l'électronique, on utilise la différence de phase entre deux impulsions successives revenant d'un même volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) sondé (paire d'ondes pulsées). Entre chaque impulsion, les cibles se déplacent légèrement et sont frappées par l'onde à une partie légèrement différente de son cycle. C'est cette différence de phase que le radar note au retour.

L'intensité d'une impulsion après un aller-retour est donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un...) par :

Différence de phase entre deux ondes revenant d'une cible ayant bougé

I = I_0 \sin \left(\frac{4\pi x_0}{\lambda}\right)= I_0 \sin \left(\phi_0\right)

O\grave{u}: \quad \begin{cases} x_0 = {\rm distance}\ {\rm radar-cible} \\ \lambda = {\rm longueur\ d'onde} \\ \Delta t = {\rm temps\ entre\ deux\ impulsions} \end{cases}.

L'intensité d'une impulsion subséquente revenant du même volume sondé mais où les cibles ont légèrement bougé est donnée par:

I = I_0 \sin \left(\frac{4\pi (x_0 + v \Delta t)}{\lambda}\right) = I_0 \sin \left(\phi_0 + \Delta\phi\right)

Donc \Delta\phi = \left(\frac{4\pi v \Delta t}{\lambda}\right)

v = {\rm vitesse\ des\ cibles}\ = \frac{\lambda\Delta\phi}{4\pi \Delta t}

Comme on n'obtient que la composante radiale du déplacement, il faut donc le suivre pour savoir l’angle que fait sa véritable direction de déplacement avec le rayon au radar. Par la suite, un simple calcul trigonométrique donne la véritable vitesse de la cible.

Dilemme Doppler

Intéressons-nous maintenant à la vitesse maximale qu'on peut mesurer sans ambiguïté. Comme on ne peut déterminer à partir d'un sinus (En mathématiques, les fonctions trigonométriques sont des fonctions d'angle importantes pour étudier les triangles et modéliser des phénomènes périodiques. Elles peuvent être...) qu'un angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) compris entre -π et +π, on ne peut mesurer une vitesse supérieure à:

Vitesse_{max} = \pm \frac{\lambda}{4\Delta t}

C'est ce qu'on appelle la vitesse de Nyquist. Pour obtenir une meilleure détermination de la vitesse des cibles, il faut envoyer des impulsions très rapprochées, donc avec \,\Delta t très petit. Mais on sait également que la portée en réflectivité est directement proportionnelle à Δt, ce qui demande un grand Δt pour être sûr de la position des échos revenant de loin sans ambiguïté.

Ce dilemme Doppler limite la portée utile des radars Doppler à impulsions. Il existe cependant une façon de le contourner en utilisant une fréquence de répétition des impulsions radar multiple. La position et la vitesse des vrais échos demeure la même avec les différents taux de répétition alors que celles des échos fantôme changent.

Réduction des interférences

Le traitement du signal est nécessaire pour éliminer les interférences (dues à des sources radio autres que celle du radar) ainsi que les échos parasites. On utilise les techniques suivantes:

  • Élimination en suivant seulement les échos qui bougent (Visualisation des cibles mobiles).
  • Filtrage des échos en utilisant leur vitesse Doppler : les échos parasites et les interférences ont généralement des vitesses nulles.
  • Corrélation avec des radars de surveillance secondaires : il s'agit d'un dispositif qui envoie depuis la cible un signal lorsqu'il reçoit un faisceau radar. Ce signal identifie la cible et, selon le cas, son altitude et sa vitesse.
  • Processus adaptif temps-espace : en utilisant une antenne réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit...) à commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.) de phase pulsée et les vitesses Doppler qu'on en obtient, on peut analyser le patron moyen des fréquences et en faire ressortir le pic qui indique la cible.
  • Taux de fausse alarme constant : il s'agit de déterminer le niveau de bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.) moyen continuel en chaque point (Graphie) de l'affichage radar et de ne garder que les échos ayant un retour supérieur à celui-ci.
  • Masque digital du terrain qui permet d'éliminer les échos qui proviendraient de sous le niveau du sol.
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