Radar primaire - Définition

Introduction

Radar primaire typique d'un aéroport

Un radar primaire (Primary Surveillance Radar ou PSR en anglais) est un capteur radar classique qui illumine une large portion d’espace avec une onde électromagnétique et qui reçoit en retour les ondes réfléchies par les cibles se trouvant dans cet espace. Le terme désigne donc un système radar utilisé pour détecter et localiser des cibles potentiellement non-coopératives. Il est spécifique au domaine du contrôle aérien où on l'oppose au radar secondaire qui reçoit des informations supplémentaires du transpondeur de la cible.

Ce type de radar utilise une antenne à faible résolution verticale mais à bonne résolution horizontale. Il balaye rapidement sur 360 degrés autour du site sur un seul angle d'élévation. Il peut donc donner la distance et la vitesse radiale de la cible avec une bonne précision mais nécessite un ou des radars supplémentaires pour obtenir la position verticale et la vitesse réelle.

Les avantages du radar primaire sont donc qu'aucun équipement embarqué dans l'avion n'est nécessaire pour la détection de la cible et il peut être utilisé pour la suveillance des mouvements des véhicules au sol. Ses inconvénients sont que les cibles et leur altitude ne peuvent pas être identifiées directement. En plus, il nécessite des émissions puissantes ce qui limite sa portée.

Principe

Principe du sondage radar

Son fonctionnement est basé sur le principe de l’écholocation. Les impulsions électromagnétiques de forte puissance émises par l’antenne radar sont converties en un front d’onde étroit qui se propage à la vitesse de la lumière (300 000 km/s). Celui-ci est réfléchi par les avions puis capté à nouveau par l’antenne en rotation sur son propre axe. Un radar primaire détecte tous les avions sans sélection, indépendamment du fait qu’ils possèdent ou non un transpondeur. L'opérateur écoute les éventuels échos issus de la réflexion. Donc on effectue des émissions / écoute en continu, ce qui permet de couvrir l’espace sur 360°.

Les fonctions du radar primaire se traduisent donc par des détections et mesures à l’aide de moyens radioélectriques, la détection étant la décision de présence d’une cible par la reconnaissance du signal utile.

On mesure avec un radar primaire :

• la distance D basée sur la durée de propagation de l’onde sur son trajet aller/retour ;
• un angle θ basé sur la position d’une antenne directive en azimut ;
• une vitesse radiale par effet Doppler-Fizeau.

On peut donc remarquer qu'un radar situe un objet volant sur un quart de cercle dans le plan vertical, mais on ne peut pas connaître exactement les coordonnées géographiques horizontales, ni l'altitude d'un avion. Ces informations sont obtenues par triangulation de plusieurs radars.

Énergie retournée

Établir l'équation du radar consiste à faire le bilan de puissance sur le trajet aller/retour du signal émis. La réponse d'une cible est liée à sa surface équivalente définie dans cette équation et elle est une composition de surfaces élémentaires. La cible étant en mouvement, cette surface équivalente évolue à chaque instant et donne un retour qui varie. Une surface élémentaire produit un signal élémentaire reçu au niveau du radar

Le signal total sera de la forme:

Alors que les différents a_k ne sont pas nuls, la somme des e_k peut être nulle à cause des différences de phases Φ_k de chaque terme. Le seul paramètre accessible au niveau de la station radar est la fréquence. Afin donc d'améliorer la détection, on utilise un radar avec deux émetteurs calés sur des fréquences différentes.

Mesure de distance

La manière de mesurer la distance à un objet est d'émettre une courte impulsion de signal radio, et de mesurer le temps que prend l'onde pour revenir après avoir été réfléchie. La distance (R) est la moitié du temps de retour de l'onde (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 dans le vide si le milieu traversé est l'atmosphère).

où c est la vitesse de la lumière dans le média et dT le temps aller-retour

Pour dT = 1 microsecondes, on obtient R = 150 mètres

Pour R = 1 mille nautique, on obtient dT = 12,35 micro secondes

L'antenne étant à la fois émettrice et réceptrice, elle ne peut pas détecter l'onde réfléchie 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 (τ) multipliée par la vitesse de la lumière. Pour détecter des cibles plus proches, il faut utiliser une durée d'impulsion plus courte. Un effet similaire impose 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:

où T_r est le temps entre deux impulsions.

Mesure de l'altitude

Un radar primaire, pour déterminer une altitude a besoin d'une deuxième antenne d'émission qui va balayer dans le plan vertical afin d'obtenir une information de site (d'où son appellation de "radar de site"). De cette manière, l'opérateur peut déterminer une altitude et donc des positions précises.

Mesure d'azimut

L'angle entre la direction du nord et celle de la cible (azimut) est déterminé grâce à la directivité de l'antenne. La directivité, est la capacité de l'antenne à concentrer l'énergie rayonnée dans une direction particulière. En mesurant la direction dans laquelle est pointée l'antenne à l'instant où elle reçoit un écho. La précision de la mesure de ces angles dépend de la directivité de l'antenne. Pour une fréquence émise donnée (ou une longueur d'onde définie), la directivité d'une l'antenne est fonction de ses dimensions propres. Elle est proportionnelle à cette longueur d'onde mais inversement proportionnelle au diamètre de l'antenne.

Mesure de vitesse

On peut 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 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.

On peut également utiliser une variante de l'effet Doppler avec un radar à impulsions. Dans ce cas, on note la différence de phase entre les impulsions successives revenant de la cible. Cette méthode permet de déterminer la vitesse radiale ET la position de la cible.