Caractéristiques du signal radar - Définition et Explications - Techno-science.net
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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 (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,...) par rapport au temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.)
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 (Une porteuse est un signal sinusoïdal de fréquence et amplitude constantes. Elle est modulée par le signal utile (audio, vidéo, données) en vue, soit de sa diffusion au moyen...)
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 (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) 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 (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.).
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 (Un interrupteur (dérivé de rupture) est un dispositif ou organe, physique ou virtuel, permettant d'interrompre ou d'autoriser le passage d'un flux. Il ne faut pas confondre l'interrupteur...) électronique qui laisse ou ne laisse pas passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) la porteuse produite par l'oscillateur (En physique, un oscillateur est un système manifestant une variation périodique dans le temps (ou pseudo-périodique s'il existe une dissipation d'énergie). Les exemples les plus courants sont...) 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 ( Un sondage peut désigner une technique d'exploration locale d'un milieu particulier. Un sondage peut également être une méthode statistique d'analyse d'une population humaine ou non humaine à partir d'un échantillon de cette...) 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 (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement...) 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 (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle...) frappe une autre cible, il est impossible de distinguer les deux retours au site radar car ils y arriveront en même temps.
Échos radar sur un schéma de la porteuse.
- Distance minimale de sondage
Dans un radar monostatique, c'est la même antenne (En radioélectricité, une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou de capter (récepteur) les ondes électromagnétiques.) 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 (Sur un voilier, une écoute est un cordage servant à régler l'angle de la voile par rapport à l'axe longitudinal du voilier et en conséquence...). Pendant le temps de l'impulsion, le radar est donc sourd et ceci correspond à une distance autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit...) du radar non sondée : la zone d'ombre (Une ombre est une zone sombre créée par l'interposition d'un objet opaque (ou seulement partiellement opaque) entre une source de lumière et la surface sur laquelle se réfléchit cette lumière. Elle...).
Cette dernière est égale au trajet aller-retour durant l'impulsion :
où c est 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...) 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 (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation consiste à déterminer toutes les façons de...) 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 (Le mille marin international est une unité de mesure de distance utilisée en navigation maritime et aérienne. Elle a initialement désigné la longueur d'un arc de 1' (une minute d'arc) sur un grand cercle de...) (1,852 km), la durée est alors de 12,4 μs.
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 le mot...) 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 (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) que l'on fait du système. L'écho reçu de la cible peut être affiché directement sur un écran (Un moniteur est un périphérique de sortie usuel d'un ordinateur. C'est l'écran où s'affichent les informations saisies ou demandées par l'utilisateur et générées ou restituées par l'ordinateur, sous forme de...) ou être intégré par un système de traitement du signal à chaque impulsion et être rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de modélisation 3D comportant à...) 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 (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.), 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 (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) de l'étendue qu'ils couvrent que par leur puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :). Sans un traitement approprié, ce fouillis s'ajoute au retour des vraies cibles et peut faire disparaître ces dernières pour l'opérateur (Le mot opérateur est employé dans les domaines :) radar.
Ces effets diminuent lorsque la distance au radar devient plus grande en raison de la courbure terrestre (La courbure terrestre - nommée aussi dépression - définit l'horizon visuel apporté par la rotondité ou sphéricité de la Terre. Elle limite la vision (théorique) lointaine...) et de l'inclinaison (En mécanique céleste, l'inclinaison est un élément orbital d'un corps en orbite autour d'un autre. Il décrit l'angle entre le plan de l'orbite et le plan de référence (généralement le...) de l'antenne au-dessus de l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline en physique, philosophie,...). En effet, le faisceau radar, qui a une certaine largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En...), s'élève graduellement au-dessus de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) terrestre et intercepte de moins en moins de celle-ci. Cependant, dans les cas où la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante,...) de 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...) 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 (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de...) de fausses cibles. On appelle ces leurres des paillettes.
Commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.) 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 (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) en fonction de la distance de l'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 être désigné par une...). Plus l'objet est proche, plus l'atténuation (Perte d'intensité et amplitude d'un signal...) est importante.
Ambigüité sur la distance
Échos radar.
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 (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 à...) comme des cibles plus proches qu'elles ne le sont en réalité.
La distance maximale non-ambigüe est obtenue par :
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- où ΔT est le temps entre deux impulsions et PRF est l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1...) soit le taux de répétition des impulsions.
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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 ( 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 seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une...) 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 (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles...) 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 (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de...) 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.
September 05, 2020 at 10:46AM
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les caractéristiques
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