RADARS ET TRANSPONDEURS
RADARS PRIMAIRES
Le radar (Radio Detection And Ranging) de contrôle aérien est un instrument qui a pour objet de détecter, suivre et guider les aéronefs dans leur espace de vol.
Un radar primaire PSR est un capteur 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. Il utilise une antenne à faible résolution verticale mais à bonne résolution horizontale. Il balaye rapidement sur 360° 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.
a ) Ci-dessous:
Radar primaire PSR de surveillance longue portée dit "En route", surplombé par un radar secondaire.
- Fréquence allouées : bande L (1215 - 1370 MHz).
- Longueur d'onde : lL = 23 cm
- Portée jusqu'à 250 Nm (400 Km)
b ) Ci-dessous:
Radar primaire PSR de surveillance d'approche, surplombé par un radar secondaire. Ces radars ont une courte portée et servent à coordonner les décollages, atterrissages et déplacement autour d’un aéroport.
- Fréquence allouées : bande S (2700 - 2900 Ghz).
- Longueur d'onde : lL = 10cm
- Portée: ils doivent surveiller une zone de 40 à 60 milles nautiques de rayon allant du sol à 7 620 mètres (25 000 pieds).
La taille des équipements chargés de convertir l'énergie électrique en rayonnement radar (antenne, joint tournant, guide d'onde, nappe hyper fréquence) est d'autant plus réduite que la longueur d'onde est courte.
Principe de base
Le radar primaire ou radar de veille PSR (Primary Surveillance Radar en anglais)
fondé sur le principe de l’écholocation. Le signal hyperfréquence est émis en direction de la cible par l’antenne radar au sol. Une petite partie de l'énergie transmise est réfléchie par la cible dans la direction du radar. Cette énergie, renvoyée par la cible jusqu'au radar, est appelée ECHO, exactement comme lorsque l'on considère les ondes sonores. Le signal transmis par le radar est généré par un émetteur puissant puis passe par un duplexeur qui l’aiguille vers l’antenne émettrice.Chaque cible réfléchit le signal en le dispersant dans un grand nombre de directions ce qui se nomme la diffusion. L'écho ainsi réfléchi par la cible vers l’antenne sera aiguillé par le duplexeur vers un récepteur très sensible.
Le schéma ci-dessous illustre le principe de fonctionnement du radar primaire. Le signal transmis par le radar est généré par un émetteur puissant puis passe par un duplexeur qui l’aiguille vers l’antenne émettrice. Chaque cible réfléchit le signal en le dispersant dans un grand nombre de directions ce qui se nomme la diffusion. La rétrodiffusion est le terme désignant la partie du signal réfléchi diffusée dans la direction opposée à celle des ondes incidentes (émises). L'écho ainsi réfléchi par la cible vers l’antenne sera aiguillé par le duplexeur vers un récepteur très sensible.
Émission et réception
Le système radar est constitué des deux parties émission et réception qui doivent être bien isolées les unes des autres pour ne pas nuire aux performances. Le schéma bloc simplifié émission/réception d'un système radar est représenté sur la figure ci-dessous. L’isolation des deux blocs est assurée par le circulateur. La génération du signal impulsionnel haute-fréquence est réalisée par une modulation de la porteuse RF puis de manière simplifiée par une amplification de puissance.
La chaîne d'émission est la partie du système qui va générer et amplifier les impulsions haute-fréquence radar. La première étape consiste en la génération d’une porteuse haute-fréquence qui est par la suite modulée par le train d’impulsions radar. Ce signal haute-fréquence impulsionnel est ensuite amplifié à travers un bloc d'amplification qui est constitué de plusieurs amplificateurs à l’état solide. En particulier, la stabilité pulse à pulse de ces amplificateurs est très importante pour procéder à l’élimination des échos fixes. D’autre part, ce bloc amplification doit dégrader au minimum le signal émis.
La chaîne de réception du radar doit permettre de détecter et d'analyser les échos radar captés par l'antenne. Elle est composée de plusieurs amplificateurs à faible bruit, suivie des transpositions de fréquences qui permettent de travailler sur un signal avec une fréquence plus basse. Un filtrage permet d'isoler le signal utile et de réduire les effets parasites. Enfin, une démodulation IQ suivie d'une numérisation permet alors de traiter numériquement le signal pour en extraire les informations.
Les principaux éléments d'un radar
L'antenne Voir ci-dessous Antenne radar
C'est l'élément le plus visible du radar et une des parties les plus importantes. Elle réalise les fonctions essentielles suivantes:
- Elle transfère la puissance de l'émetteur à des signaux dans l'espace avec l'efficacité voulue et selon la répartition nécessaire. Le même processus est appliqué à la réception.
- Elle permet d'obtenir le diagramme de rayonnement souhaité. En général, il sera suffisamment étroit dans le plan horizontal pour obtenir la précision et la résolution demandée en azimut.
- Elle doit assurer la mise à jour de la position de la cible à la fréquence voulue. Dans le cas d'une antenne à balayage mécanique, cette mise à jour se fera au rythme de la rotation de l'antenne.
- Elle doit mesurer sa direction de pointage avec une grande précision.
Le duplexeur
Lorsque l’antenne est utilisée comme transmetteur et récepteur du signal, comme pour un radar monostatique, un commutateur doit être incorporé au système pour permettre les deux fonctions. C’est ce qu’on appelle un duplexeur. Cet aiguilleur électronique permet, d'une part au signal émis d'être dirigé vers l'antenne avec une perte minimale tout en isolant convenablement le récepteur, d'autre part au signal reçu d'être dirigé en totalité vers le récepteur, sans dérivation vers l'émetteur et toujours avec une perte minimale.
La complexité du duplexeur dépend du niveau de puissance du signal émis.
L'émetteur
La partie active est le tube d'émission dans lequel est engendrée l'impulsion hyperfréquence à la fréquence et à la puissance désirées. Il peut être du type oscillateur de puissance, le tube utilisé est alors un magnétron, une triode oscillatrice ou tout autre tube oscillateur. C'est avec le magnétron que les plus hauts niveaux de puissance sont obtenus dans des émetteurs construits en série (2 MW pendant quelques microsecondes, avec un rendement de 50% en 20 cm de longueur d'onde). Le signal est ensuite amplifié par étapes successives, par des tubes dans la chaîne d'amplification.
Le modulateur
Le modulateur fournit la puissance nécessaire à la partie active de l'émetteur. Il permet de stocker l'énergie pendant les périodes séparant deux émissions successives et de la restituer pendant le temps très bref de l'émission radar. La qualité des signaux délivrés par le modulateur doit être contrôlée pour permettre d'éviter des effets parasites sur le signal émis.
Le Récepteur
C'est l'élément le plus délicat, et souvent le plus complexe du radar. Il assure l'amplification, le filtrage et le traitement du signal radar. Il amplifie les signaux dans de très grandes proportions et sa sensibilité doit être très grande. Il doit en outre effectuer le filtrage du signal et tous les autres traitements adaptés à l'information à obtenir (par exemple vitesse, position angulaire...), sa réalisation doit être particulièrement soignée pour réduire au minimum toute distorsion involontaire du signal traité et réduire les perturbations dues au bruit qui accompagne le signal radar. Après traitement, le signal est amplifié par un amplificateur vidéofréquence ampli vidéo).
Le synchronisateur
Le « synchronisateur » est le cœur du système radar. Il délivre les signaux de base qui définissent les instants d'émission et divers signaux annexes nécessaires à des opérations en temps réel. Son élément de base est une horloge de très grande stabilité à partir de laquelle sont engendrés les signaux de synchronisation.
Source: Chapitre 1-1 de Jacques Darricau
Utilisation des impulsions pour la localisation de cibles
Le principe de base du fonctionnement du radar repose donc tout d’abord sur l'émission d'un signal haute fréquence très puissant dans une direction donnée pendant une durée τ d’impulsion radar.
Lorsque cette onde porteuse haute fréquence rencontre un obstacle, une partie de l'énergie émise est réfléchie vers le système radar. Le radar va alors capter l'écho réfléchi par la cible avec un retard t1 permettant de déterminer la position et éventuellement la vitesse de la cible à partir de l’onde électrique reçue.
Calcul de la distance
La mesure de la distance par un radar est possible du fait des propriétés de l'énergie électromagnétique. Celle-ci se déplace dans l'air approximativement à la vitesse de la lumière, soit :
- 300 000 kilomètres par seconde ou 162 000 milles nautiques par seconde.
Cependant, cette énergie circule normalement dans l'espace en ligne droite et à vitesse constante. Elle peut être soumise à des variations minimes dues aux conditions météorologiques et atmosphériques.
La distance de l'écho est la distance en ligne droite entre l'antenne du radar et la cible. La distance-sol est la distance horizontale entre l'antenne du radar et la cible, elle ne peut être déterminée que si l'on connaît l'altitude de la cible, ou son angle de site. Le temps mesuré par le radar est le temps nécessaire à l'impulsion pour aller de l'antenne à la cible, puis de la cible vers l'antenne après réflexion.
Chaque impulsion revenant au radar a parcouru deux fois la distance radar-cible. Donc en mesurant le temps t écoulé entre le départ et le retour de l'impulsion au radar, il est possible de déterminer la distance R. La formule permettant de calculer cette distance est la suivante:
| `R=frac (C_0.t)\2 ` |
Où `C_0` = vitesse de la lumière = `3.10^8` mètres/secondes ` t` = temps mesuré en secondes `R`= distance en mètres |
A noter que la portée est la distance oblique par rapport à l'antenne et non la distance horizontale.
Antenne radar
L’antenne est la partie visible d’un système radioélectrique qui sert à la transmission et à la réception du signal dans l’espace libre. Elle sert à concentrer le signal produit par l’émetteur vers l’espace libre et/ou à percevoir les faibles signaux venant de l’extérieur pour les diriger vers le récepteur.
- un réflecteur circulaire ayant la forme d’une parabole, ou semi-circulaire (dessin ci-dessous) ;
- un cône d’émission situé au foyer de la parabole, appelé cornet ;
- un guide d’onde qui amène le signal à ce cornet par le bras depuis le transmetteur.
Ce faisceau idéal est appelé « faisceau-crayon » dans le cas d’un réflecteur circulaire et « faisceau électromagnétique plat » si le réflecteur est elliptique. Les radars primaires de surveillance aérienne utilisent deux types différents de courbure dans les directions verticales et horizontales afin d’obtenir un faisceau-crayon en azimut et un faisceau de forme cosécante carrée en élévation.
Idéalement, ce faisceau n’aurait pas de lobes secondaires d’émission et resterait toujours de même largeur, même à l’infini. Malheureusement, il n'est pas possible de négliger les phénomènes de diffraction dus à la surface du réflecteur.
Le diagramme montré sur la figure ci-dessous comporte plusieurs pics appelés lobes. L’énergie émise dans un de ces lobes est très supérieure à celle dans les autres directions. Il s’agit du lobe principal. Les autres sont appelés les lobes secondaires ou lobes mineurs. Ces lobes secondaires sont des pics d’émission dans des directions différentes de l’axe du faisceau principal.
Temps d'éclairement
Le temps pendant lequel le faisceau radar passe sur la cible est appelé « temps d'éclairement ».
Ce temps d'éclairement dépend principalement de :
- la largeur du lobe d'antenne
- et de N vitesse de rotation de l'aérien (nombre de tours par minute)
Azimut de la cible
La seule mesure de la distance est insuffisante pour localiser un aéronef. Elle est combinée avec une mesure angulaire. Dans les antennes classiques, la position angulaire du faisceau est liée à la position mécanique de l'antenne.
Les antennes de la plupart des radars sont étudiées et réalisées de façon à rayonner l'énergie dans une direction donnée sous la forme d'un faisceau directionnel appelé "lobe”. La vitesse de rotation de l'antenne est généralement comprise entre 5 et 12 tr/min permettant un balayage de 360° autour de la station. À cause de la forme du lobe rayonné, la puissance du signal réfléchi varie au fur et à mesure de l'éclairage de la cible par le lobe. Elle atteint son amplitude maximum lorsque la cible est exactement dans l'axe du faisceau. Ce qui permet d'obtenir l'azimut de la cible par rapport à la station.
L'azimut d'une cible détectée par un radar est l'angle entre la direction du nord vrai et celle de la ligne directe antenne-cible. Cet angle se mesure dans le plan horizontal, dans le sens des aiguilles d'une montre, et à partir du nord vrai.
À cause de la forme du lobe rayonné, la puissance du signal réfléchi varie au fur et à mesure de l'éclairage de la cible par le lobe. Elle atteint son amplitude maximum théoriquement lorsque la cible est exactement dans l'axe du faisceau.
Pour les lecteurs voulant approfondir ses connaissances sur les radars voir:
radartutorial.eu (Éditeur: Christian Wolff, traduction en langue française et révision: Pierre Vaillant et Christophe Paumier).
