radar - informatique.

radar - informatique. 1 PRÉSENTATION radar, appareil émettant et recevant des ondes électromagnétiques, utilisé pour localiser des objets dans l'espace et déterminer leur distance. Le terme radar est un nom de code adopté au cours de la Seconde Guerre mondiale par l'US Navy, signifiant « radio detection and ranging « (système de détection et de télémétrie par ondes radio). Les appareils de ce type n'indiquent pas seulement la présence et la distance d'un objet éloigné, la « cible «, mais déterminent également sa position dans l'espace, sa taille, sa forme ainsi que sa vitesse et sa direction. Mis au point à l'origine comme instrument de guerre, le radar est aujourd'hui également utilisé dans d'autres domaines, comme la navigation, le contrôle du trafic aérien, la météorologie et la radioastronomie. 2 MISE AU POINT Les radars émettent des ondes radioélectriques, dont la longueur d'onde varie de quelques centimètres à environ 1 m. Les objets passant dans le faisceau réfléchissent ces ondes et les renvoient à l'émetteur. Les concepts de base du radar sont fondés sur les équations régissant les ondes électromagnétiques, formulées par le physicien britannique James Clerk Maxwell en 1864. Ces principes furent vérifiés en 1886 par les expériences du physicien allemand Heinrich Hertz. L'ingénieur allemand Christian Hülsmeyer fut le premier, en 1904, à suggérer l'utilisation d'échos radio dans un appareil de détection afin d'éviter les collisions en navigation. Un dispositif similaire fut proposé en 1922 par l'inventeur italien Guglielmo Marconi. Par la suite, le radar fut développé progressivement, grâce à l'action de nombreux savants, ingénieurs et techniciens. On peut distinguer trois étapes dans l'histoire de ses débuts. Au cours des années 1920, diverses expérimentations de détection à l'aide d'ondes radio furent réalisées avec succès (Appleton en Angleterre en 1924, Breit et Tuve, Hyland, Taylor et Young aux États-Unis, Mesny et David en France). Au milieu des années 1930, elles débouchèrent sur des applications concrètes grâce aux progrès de l'électronique. On installa ainsi en France, sur la ligne Maginot, des radars à ondes continues, d'une portée d'une dizaine de kilomètres. De même, on équipa le paquebot Normandie d'un appareil de détection électromagnétique à ondes décimétriques, capable de détecter les icebergs dans le brouillard. À partir de 1935, les recherches s'orientèrent vers la réalisation de radars à impulsions, à la suite de deux mémorandums du Britannique R. Watson-Watt. En 1938, deux chercheurs français, Ponte et Gutton, mirent au point l'un des dispositifs les plus importants en ce domaine : le tube à faisceau électronique, appelé magnétron à cavité résonante, qui émet des impulsions haute fréquence (radar à ondes centimétriques). Diverses entreprises françaises construisirent alors des radars pour la Défense nationale. Les Allemands installèrent leurs propres systèmes ; mais, fondant sa stratégie sur l'offensive, le IIIe Reich accorda moins d'importance au radar et développa plutôt la radionavigation. Parallèlement, une ligne de stations radars fut installée le long des côtes sud et est de l'Angleterre afin de détecter les agresseurs aériens ou maritimes. Ce système joua un rôle essentiel dans la bataille d'Angleterre (août-octobre 1940), au cours de laquelle la Luftwaffe (armée de l'air de l'Allemagne nazie) ne parvint pas à affirmer sa suprématie dans le ciel britannique. À partir de 1940, la collaboration des Britanniques avec les Américains donna aux Alliés une avance décisive dans cette technologie, supériorité technique qui se maintint jusqu'à la fin de la guerre. Leurs laboratoires spécialisés employèrent des milliers de savants, et leurs usines des dizaines de milliers de techniciens, construisant plusieurs centaines de types de radars pour tous les usages militaires. 3 FONCTIONNEMENT Les ondes radio se propagent à 300 000 km/s environ, qui correspond à la vitesse de la lumière dans le vide et (en première approximation) dans l'atmosphère. Le radar se compose d'un émetteur, d'une antenne, d'un récepteur et d'un indicateur. Contrairement à la radiodiffusion, où l'émetteur envoie des ondes que des récepteurs capteront, les émetteurs et récepteurs radar sont généralement situés au même endroit. L'émetteur diffuse, au moyen d'une antenne, un faisceau d'ondes électromagnétiques concentrées dans la direction souhaitée. Lorsque ces ondes rencontrent un objet, elles s'y réfléchissent, formant un « écho radar «. L'antenne capte le signal d'écho, qui est ensuite amplifié et transformé en signal visuel sur l'écran ou « indicateur «, qui est parfois un moniteur d'ordinateur. 3.1 Les émetteurs Pour fonctionner correctement, l'émetteur radar doit émettre une grande quantité d'énergie puis recevoir, détecter et mesurer une fraction infime de celle-ci (environ un milliardième de milliardième), retournée sous forme d'écho. Comment détecter ce minuscule écho en présence du signal de recherche, extrêmement puissant ? La solution, apparue vers 1938, est celle du radar à impulsions (par opposition au radar à ondes continues) : une impulsion est émise pendant 0,1 à 5 microsecondes, puis l'émetteur reste silencieux pendant quelques centaines de microsecondes. En phase de diffusion d'impulsions, le récepteur est isolé de l'antenne au moyen d'un tube commutateur TR (transmission-réception) ; entre les impulsions, l'émetteur est déconnecté de l'antenne au moyen d'un tube commutateur ATR (anti-TR). Un radar à ondes entretenues diffuse, non pas des impulsions, mais un signal continu. Le radar Doppler, souvent utilisé pour mesurer la vitesse d'un objet (par exemple une voiture ou une balle) transmet des signaux à une fréquence constante. Les signaux qui se réfléchissent sur les objets se déplaçant par rapport à l'antenne seront de fréquences différentes en raison de l'effet Doppler. Le nom complet de l'effet Doppler est « effet Doppler-Fizeau «, du nom du physicien Hippolyte Fizeau (18191896), qui étendit aux ondes électromagnétiques l'effet découvert par Doppler dans la propagation des ondes sonores : élévation de fréquence quand l'émetteur se rapproche, glissement vers les basses fréquences quand il s'éloigne (pour en faire l'expérience, il suffit de se placer au bord d'une route et d'écouter le bruit d'une automobile qui passe). Si un récepteur radar est réglé pour ne pas tenir compte des échos ayant la même fréquence que l'émetteur et pour amplifier sélectivement les échos dont les fréquences varient, il n'indiquera que les cibles mobiles. Par exemple, il détectera un avion volant près du sol, qu'il faut distinguer des objets fixes (relief, bâtiments). C'est avec de tels « radars à élimination d'échos fixes « que la police mesure la vitesse des automobiles. Le radar à modulation de fréquence (FM) émet un signal continu de fréquence changeant constamment. Pendant le temps pris pour émettre, réfléchir et recevoir un signal, la fréquence d'émission change. La différence entre la fréquence de l'écho et celle de l'émetteur, à l'instant de la réception de l'écho, est ensuite mesurée, puis convertie en distance entre l'émetteur et l'objet. Ces systèmes sont plus précis que les radars à impulsions, bien que leur portée soit plus courte. 3.2 Antennes Les antennes radar doivent avoir une directivité élevée pour envoyer un faisceau étroit. Étant donné que la largeur du faisceau est proportionnelle à la longueur d'onde du rayonnement, et inversement proportionnelle à la largeur de l'antenne, on mit au point, à la fin des années 1930, le radar fonctionnant sur ondes centimétriques. Les autres avantages du radar à ondes centimétriques sont, d'une part, sa faible sensibilité aux mesures défensives de l'ennemi (brouillage), et d'autre part, une résolution plus haute de l'image des cibles. En faisant tourner l'antenne, et donc le faisceau radar, on balaye l'espace. La forme la plus simple de balayage est obtenue par la rotation lente et continue de l'antenne. Les radars au sol, utilisés pour détecter les avions, comportent souvent deux radars, l'un balayant horizontalement pour détecter l'avion et déterminer son azimut (distance angulaire horizontale), l'autre balayant verticalement, dès qu'un avion a été signalé, pour en déterminer l'altitude. Aujourd'hui, les antennes radar sont souvent disposées en réseaux, avec pointage et coordination par ordinateur. 3.3 Récepteurs Un récepteur doit amplifier et mesurer un signal extrêmement faible à une fréquence extrêmement haute. Les amplificateurs mobiles ne pouvant remplir directement cette fonction, le signal est converti et amplifié par un circuit superhétérodyne à une fréquence intermédiaire d'environ 30 MHz. La fréquence très élevée du signal radar nécessite l'utilisation d'un oscillateur et d'un mélangeur de signaux avec une précision beaucoup plus élevée que pour les récepteurs radio ordinaires. Des circuits appropriés ont été mis au point, utilisant comme oscillateurs des tubes haute puissance à hyperfréquences : les klystrons. La fréquence intermédiaire est amplifiée de manière classique. Le signal est ensuite envoyé dans un ordinateur. 3.4 Traitement informatique La plupart des radars modernes convertissent les signaux analogiques reçus en une séquence de signaux binaires au moyen d'un convertisseur analogique-numérique. Les nombres sont traités par ordinateur pour extraire les informations concernant la cible. Au préalable, les signaux issus d'objets qui n'intéressent pas l'utilisateur sont éliminés par un filtre VCM (Visualisation des Cibles Mobiles). Le signal est ensuite réduit en éléments de fréquence distincts au moyen d'un transformateur de fréquence. Enfin, lorsque les signaux issus de plusieurs impulsions sont combinés, la détection de la cible est déterminée par le processeur de taux constant d'alertes erronées. Les systèmes radar dont la fonction principale est de détecter des cibles doivent en indiquer la présence ou l'absence. En cas de présence d'une cible, le radar va soit la détecter correctement, soit la manquer. S'il n'y a pas de cible, le radar peut indiquer qu'aucune cible n'est présente, ou désactiver une fausse alerte. Le processeur de taux constant d'alertes erronées doit optimiser la part des détections effectives par rapport aux fausses alertes. 3.5 Les écrans radar Les écrans radar modernes ressemblent à des terminaux de jeux vidéo complexes. La détection, la vitesse et la position de la cible peuvent être superposées sur des cartes indiquant des routes ou d'autres points de repère marquants. Certains radars, embarqués sur des avions ou des satellites, traitent les échos de sol et affichent une image haute résolution de la surface terrestre. Les objets de la taille d'un camion sont souvent détectables à grande distance, même la nuit, par temps pluvieux. La plupart des progrès récents dans le domaine des écrans et des traitements de signaux radar résultent des progrès réalisés en informatique et en électronique. 3.6 Le modulateur d'impulsions Un radar classique comporte un autre élément important : le modulateur d'impulsions. Ce dispositif fournit continûment au magnétron de l'émetteur des impulsions présentant les caractéristiques requises en tension, en intensité, en durée et en espacement. L'impulsion doit commencer et s'arrêter brusquement, mais l'intensité et la tension ne doivent pas varier sensiblement pendant l'impulsion. 4 RADARS SECONDAIRES Les radars présentés ci-dessus, connus sous le nom de radars primaires, fonctionnent selon le principe d'un écho passif émis par la cible. Une autre catégorie de radars, connue sous le nom de radars secondaires, dépend, dans son fonctionnement, d'une réponse de la cible. La plupart de ces dispositifs sont utilisés pour la navigation et les télécommunications. 4.1 Les transpondeurs Une balise de radiodétection, également appelée balise-radar ou répondeur radar ou transpondeur, est un radar secondaire, qui émet une impulsion chaque fois qu'il en reçoit une. Ces balises étendent la portée des radars, car une impulsion émise, même en provenance d'un émetteur de faible puissance, est beaucoup plus forte qu'un écho. L'émetteur du radar qui envoie l'impulsion initiale est appelé interrogateur ; l'action de cette impulsion au niveau de la balise est appelée déclenchement. La balise de radiodétection la plus simple émet une seule impulsion, à la même fréquence que celle qu'elle reçoit, agissant ainsi comme un écho puissant. Les balises peuvent être modifiées de plusieurs façons ; par exemple, une balise peut répondre sur une fréquence différente ; ou un certain retard peut être ajouté à son temps de réponse, de sorte que la balise semble plus éloignée de l'interrogateur qu'elle ne l'est réellement. Ce type de délai est utilisé dans les systèmes d'atterrissage pour mesurer la distance à partir de la piste d'envol et d'atterrissage d'un aéroport -- et non à partir de la balise proprement dite. La balise peut être conçue de manière à ne se déclencher que par des impulsions appartenant à une étroite bande de fréquences, ou de longueur voulue, ou encore présentant d'autres caractéristiques. Les balises peuvent également être prévues pour renvoyer une réponse codée, ce qui évite au navigateur de mal interpréter la réponse à l'écran. Des balises plus simples se sont révélées utiles pour la navigation, particulièrement lorsqu'elles sont utilisées conjointement avec des radars de faible puissance. 4.2 Identification radar (IFF) Il s'agit d'une balise de radiodétection embarquée à bord d'un avion en période de guerre, l'abréviation IFF signifiant Identification, Friend or Foe (identification ami-ennemi). À la fin de la Seconde Guerre mondiale, tous les avions et navires américains et britanniques étaient équipés d'IFF. Bien qu'ils se fussent emparé de nombreux dispositifs IFF, les Allemands ne purent les utiliser efficacement pour confondre les forces alliées, car le codage de l'interrogation et de la réponse était modifié régulièrement. L'inconvénient majeur des équipements IFF est le risque de confusion des signaux en cas de trafic aérien important. Les équipements IFF comportent un interrupteur d'urgence, qui, une fois activé par un membre de l'équipage d'un avion en détresse, avertit immédiatement le radar interrogateur et indique la position de l'avion. 5 MESURES DÉFENSIVES Pendant la Première Guerre mondiale, la perturbation des communications radio de l'ennemi n'était pratiquée que de manière occasionnelle. Le brouillage des communications radar eut en revanche une importance stratégique durant la Seconde Guerre mondiale, la guerre électronique étant devenue un élément essentiel des opérations. Il existe deux méthodes principales de brouillage du radar ennemi : le brouillage électronique (transmission sur des fréquences perturbant les récepteurs de l'ennemi) et le brouillage mécanique (dispersion d'un matériau dans le ciel, par exemple des feuilles d'aluminium lâchées d'un avion, produisant d'innombrables échos sur les écrans radar et gênant la détection des cibles réelles). Aujourd'hui, avec le nombre important des émissions de télévision, des téléphones cellulaires et des radars, la plupart des interférences sont accidentelles. 5.1 Le radar dans l'espace Le radar peut être installé sur un satellite en orbite autour de la Terre, utilisé pour observer les ressources terrestres et maritimes. Cette activité devient de plus en plus importante à une époque de réchauffement de la planète et de raréfaction des ressources naturelles. Autres applications importantes : la surveillance des récoltes et la prévision météorologique. Le radar dans l'espace fut une arme décisive de renseignement, de télécommunications et de guidage pendant la guerre du Golfe (1991). 6 APPLICATIONS EN TEMPS DE PAIX En dehors de la navigation en mer et dans les airs, le radar a trouvé un usage quasi universel en météorologie, non seulement pour la prévision et la localisation de perturbations, telles que les ouragans et les tornades, mais également pour connaître les conditions météorologiques locales. Les radars fournissent aussi des informations sur les précipitations, permettant de signaler à l'avance les crues subites. Le radar fonctionnant sur ondes centimétriques, également appelé LIDAR (light detection and ranging), est utilisé aujourd'hui dans les télécommunications, ainsi que pour mesurer la pollution atmosphérique. Le LIDAR permet d'identifier différents types de produits chimiques et de mesurer leurs concentrations. D'autres équipements radar sont utilisés par la police pour le contrôle de la circulation et pour surveiller la vitesse des véhicules, ainsi que par les ingénieurs de la circulation, afin de mesurer le trafic sur les routes et de contrôler automatiquement les feux en vue d'accélérer le trafic. L'une des principales utilisations du radar reste le contrôle du trafic aérien : guidage des avions vers les pistes d'atterrissage et suivi des avions en vol. Le pilote n'a besoin que d'un récepteur radio, pour que l'équipe au sol lui dicte son approche. Les balises de radiodétection sont aussi largement employées pour guider les atterrissages. Elles diffèrent du système d'approche contrôlée du sol car elles nécessitent la présence d'un radar à bord de l'avion. La plupart des radars sont équipés d'un commutateur pour passer du mode détection au mode balise. Les impulsions d'une balise sont relativement longues ; dès qu'elles sont émises par l'avion, un phare radar les reçoit et rediffuse à l'avion la position du phare, qui apparaît ensuite sur l'écran radar de l'avion. Les progrès récents, notamment les techniques rendant plus net le contraste entre les signaux radar utiles et le bruit radio aléatoire, ont encore contribué à élargir le domaine d'utilisation du radar. Son application s'est étendue à l'exploration de l'espace, à l'observation des missiles et des satellites artificiels à très haute altitude. Ces techniques ont également d'importantes applications en radioastronomie. Le radar est un élément essentiel des systèmes de défense, pour la détection des engins balistiques intercontinentaux. Cependant, avec les récentes générations de radars, apparaissent de nouvelles parades, en particulier grâce au développement de systèmes favorisant la « furtivité « des avions d'armes et des missiles (matériaux absorbant les rayonnements radio, formes étudiées pour réduire les réflexions vers l'émetteur). Ces appareils « furtifs « ont pour mission prioritaire d'attaquer et de détruire le dispositif radar adverse, comme lors de la guerre du Golfe. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.