Majeure SIC Cours de Radar. Programme I) Introduction : historique, principes généraux, signal...

Majeure SIC

Cours de Radar

Programme

• I) Introduction : historique, principes généraux, signal radar, mesures effectuées

• II) Détection d’une cible ponctuelle (mesure distance, vitesse, angles)

• III) Récepteur optimal, filtrage adapté, fonction d’ambiguïté

• IV) SER et furtivité• V) Equations du radar (sur bruit thermique,

fouillis et cible brouilleuse)• VI) Fouillis

Programme (suite)• VII) Notion de plot• VIII) Radar BFR Doppler, VCM• IX) Radar à compression d’impulsion• X) Radar HFR• XI) Comparaison des modes• XII) Radar de poursuite• XIII) Applications particulières : SAR, transhorizon

(M. Enert) • XIV) Introduction au traitement d’antenne (M.

Medinsky)• Guerre électronique

Bureaux d’études

• Exercices : 32 créneaux :

• TD Traitement d’antenne (M. Dulost) : 4 créneaux

• TD Radar passif bistatique : 4 créneaux

Contrôle

• Cours sans documents (8/20) + exercices avec documents (12/20)

Chapitre IIntroduction

1. Historique

2. Principe de fonctionnement

3. Le signal radar

4. Mesures effectuées

5. Éléments constitutifs

6. Matériels dans l’Armée de l’air et la Marine

1. Historique

• 8 mai 1904: Hulsmeyer (All) expérimente le telemobiloskop,

• 1911 : Gernsback (EU) en énonce les principes,

• 1934: David (Fr) mène les premières expériences de détection d’avions,

• 1935 : Ponte et Gutton (Fr) détectent des icebergs

• 1935 : premières barrières électromagnétiques bistatiques (Fr),

• 1939 : les radars à impulsions permettent des portées de 100km sur avion,

• 1940 : le réseau de radar sol (Watt) permet le gain de la bataille d’Angleterre,&941 : Messerschmitt Me 110G-4 est le premier avion d’armes équipé d’un radar (Telefunken FUG 212). Portée 5km !

• 24 au 25 juillet 1943 : La RAF expérimente avec succès l’utilisation de chaffs lors du bombardement de Hambourg. Début de la GE,

• Conflits Israëlo-arabe: l’utilisation du même type d »’appareil (Dassault) conduit au développement de l’IFF.

• 1978 : premières images satellite de la Terre (résolution 25m !)

 Définition

• Dispositif de radiolocalisation : RAdio Detection And Ranging – RAdio : ondes radioélectriques,– Detection et cherche à discriminer– And Ranging : localisation et mesurer des

paramètres essentiels (distance, vitesse, altitude, ...).

2. Principe (configuration bistatique)

Emetteur

Récepteur

Echo renvoyé

Diffraction

Cible

Courant induitAbsorption

Réflexion

2. Principe de fonctionnement 

• Le phénomène d'écho : – L’onde électromagnétique émise dans l'espace

va être en partie:• absorbée par l'obstacle (transformée en courant

induit si l'obstacle est métallique),

•  diffractée (en fonction de la forme de la cible et des courants induits),

•  rétrodiffusée en direction de l'émetteur (puissance utile très faible)

2. Principe: équation propagation

Nature des pertes :

• météorologiques• dans les circuits (émission et réception)• dans l’exploitation de l’info• par modulation de lobe

Ld

GPe

..4

...Pr

43

22

3. Le signal radar• Représentation temporelle du signal

impulsionnel

t

Amplitude

TR

TR

t

Émission d'un signal à la fréquence fo,pendant un temps et répété tous les TR

A

3. Critères de choix de la fréquence d'émission

• propriétés de réflexion : liées au rapport longueur d'onde/hauteur des aspérités. Plus le rapport est grand, plus le phénomène de réflexion est important face au fouillis de sol ou de mer travail à haute fréquence,

• encombrement maximum disponible pour un gain d'antenne donné,

travail à haute fréquence

G4 S

02

• l'affaiblissement en espace libre,

travail à basse fréquence

• directivité à minimiser,

travail à haute fréquence

• absorption par l'atmosphère, f0 limitée

0070

L

0

d42

A0

3. Compromis !• radars sol ou de surveillance aérienne sur gros

porteur antenne de grandes dimensions et portée élevée augmentant le risque de rencontrer de la pluie ou du brouillard,

possible (10 ou 23 cm),  

• radars aéroportés, dimension limitée autour de la bande X ( = 3 cm),

 • missiles, dimensions très réduites augmentation

de fréquence (bande KU), compatible avec une portée plus réduite.

3. Répartition spectrale

RADARVHF UHF L S C X Ku K Ka MM

GEA B C D E F G H I J K L M

(cm) 120 60 10 5 3 1,5 0,5

f 0,3 1 2 4 8 12 18 27 40 100 0,25 0,5 3 6 10 20 60

3. Pourquoi un signal de type impulsionnel ?

• Pour mesurer le retard (et donc la distance), il faut « marquer » le signal émis en fonction du temps.

3. Spectre du signal impulsionnel

• Signal temporel

• Spectre obtenu sans calcul !– l'impulsion rectangulaire donne un sinus

cardinal s'annulant tous les 2/ ,– la modulation par f0 décale le spectre de f0,

– le signal impulsionnel étant de période TR, le spectre est échantillonné à la fréquence fR

)2cos()()( 0tfnTtrectte Rn

3. Spectre signal impulsionnel

S(f)

• fréquence d'émission f0, longueur d'onde associée :

• durée de l'impulsion: • période de récurrence TR, fréquence de

récurrence associée

• amplitude du signal émis: A

• facteur de forme :

3. Grandeurs caractéristiques

c

f 0

TfR

R

1

FF TR

•  puissance crête émise:

(puissance émise pendant la durée d'une impulsion)

  • puissance moyenne émise :  • énergie émise par impulsion:

Ee = Pc  

c

2

PA2

m cR

P PT

4. Mesures effectuées par un radar

• Mesure en distance

• Mesure en vitesse radiale

• Localisation angulaire (g et s).

4.1 Mesure de la distance

Soit D la distance cible-radarSoit Tp le temps aller-retour de l'écho

D =CTp/2

4.1 Signal reçu

• L'aspect triangulaire de l'enveloppe du signal reçu est significatif du traitement effectué à la réception (corrélation).

TR

Tp

Enveloppe du signal émis

Enveloppe du signal reçu

4.2 Mesure de la vitesse radiale

• Effet Fizeau-Doppler : Décalage fréquenciel du fait de la vitesse radiale

– Remarque :VR > 0 : l'émetteur se rapproche du récepteur

V

VRRadar R Cible C

0R

0

RD f

c

2V2Vf

4.3 Mesure angulaire: principe

)(ts

Cible

Signal reçu

Cible (site ou gisement)

Signal maximal

Pas d’ambiguïté !

5. Éléments constitutifs d'un radar

Duplexeur

Emetteur

Synchronisation

Récepteur

Traitementdu

signal

Traitementde

l'information

Visualisation

Autres radars

Servomécanismes

Antenne

Pilote

5. Eléments constitutifs d'un radar

• 5.1 Duplexeur

• 5.2 Emetteur

 – Génère l'onde électromagnétique.– Puissances émises élevées (étages successifs)– Rendement très faible (inférieur à 50 %).

5.2 Emetteurs radar

• 5.2.1. Généralités

• 5.2.2. Les modulateurs

• 5.2.3 Les sources hyperfréquences puissance

5.2.1 Généralités

• Élément qui fournit sa puissance au radar.

 – les émetteurs à oscillateur de puissance: énergie

hyperfréquence à émettre est directement obtenue par mise en oscillation du tube de puissance,

– les émetteurs à chaîne d'amplification : signal à émettre est progressivement porté à la puissance convenable par amplification dans un ou plusieurs étages (souples du point de vue possibilité de codage du signal, plus stables).

Les 3 parties d’un émetteur

• l'alimentation : fournit la puissance aux différents tubes,

• le modulateur : commande et régulation de la source hyperfréquence,

• la source hyperfréquence (le tube) : délivre le signal à émettre.

• Principe : couplage en vue d’un transfert de puissance entre un faisceau d’électrons et une onde électromagnétique

5.2.2. Les modulateurs

• But et fonction des modulateurs

 – Permettre aux tubes d'émission de fonctionner

en impulsions, à partir des signaux de synchronisation

– Réservoir d'énergie + commutation

5.2.3 Les sources hyperfréquencesLe Magnétron

(tube à champs croisés)

• Principe : interaction d'un faisceau électronique et d'une onde hyperfréquence se propageant dans une structure résonnante.

• Un champ magnétique est appliqué parallèlement à l'axe du tube afin de courber les trajectoires des électrons émis par la cathode.

• L'oscillation est obtenue lorsque la vitesse angulaire des électrons est telle qu'il y a résonance. Les électrons cèdent alors de leur énergie aux ondes hyperfréquences régnant dans les cavités successives.

• Conception simple, robuste et bon marché,• Puissances crêtes de plusieurs Mégawatts• Puissances moyennes de plusieurs kilowatts.• Encombrement réduit

• Radar 23 cm, Pc = 2 MW, Pm = 2 kW avec un rendement = 0,5.

• Impulsions : 50 ns à 10s, avec un facteur de forme voisin de 1000.

• Inconvénients majeurs : – absence de cohérence donc pas de traitement Doppler

(la phase n'est pas stable au cours du temps, amélioration=domaine de recherche).

– fréquence d'émission fixe, donc pas d'agilité de fréquence.

Le Klystron

• Tubes à interaction longitudinale à plusieurs cavités (4 ou 5)

• Robuste, puissant – gains 40, 50dB.– puissance crête de 30 MW avec une puissance moyenne

de 200 kW.

• nécessite des hautes tensions (plusieurs centaines de kV).

• inconvénient essentiel : largeur de bande trop étroite (10%).

• rendements usuels sont de 30 à 40 %. 

Le tube à onde progressive (TOP)

•  Interaction continue (sur toute la longueur) d'une onde hyperfréquence et d'un faisceau électronique se propageant à la même vitesse le long de l'axe du tube. 

TOP

• Bande passante instantanée beaucoup plus grande (20%).

• Puissance crête: moyenne à élevée• Rendement: faible• Gain: élevé• Contrainte :

– vitesse de propagation axiale de l'onde voisine de celle du faisceau (inférieure à la vitesse de la lumière).

– champ électrique axial pour interagir avec le faisceau électronique.

Structure la plus simple : l'hélice

•   = vitesse du faisceau électronique.• gains 20 à 30 dB voire 60 dB.• grande largeur de bande (jusqu'à 20%). • coût élevé, fabrication délicate (puissances mises

en jeu importantes).• rendement 20 à 40 %. • exemple:

– radar RDI: • Pm = 800 W• Pc = 4 kW

sinc

• 5.3 Antenne 

– Transducteur – Tournantes et/ou à balayage électronique.

 • 5.4 Récepteur 

– Niveaux reçus très faibles (de l'ordre du picowatt), amplification et soin apporté au récepteur vis à vis du bruit.

• 5.5 Traitement du signal– élimination des signaux parasites, – prise de décision "présence cible" – mesure des paramètres.

  • 5.6 Pilote

– horloge de base pour la synchronisation, l'échantillonnage...

– génère l'ensemble des signaux de référence grâce à un VCO qui asservit la fréquence souhaitée à celle d'un oscillateur à quartz à très haute stabilité, très stable en fréquence, peu stable en phase boucle d'asservissement de phase (PLL, phase loop lock, boucle de phase).

• 5.7 Traitement de l'information 

– Par calculateurs– Sur un ou plusieurs balayages d'antenne (mémorisation et

moyennage des informations issues du traitement du signal) pour réaliser notamment de la poursuite (cas des stations sol) ou traiter l'IFF

 • 5.8 Servo-mécanismes 

– Recopie angulaire gisement, site. – Réciproquement, à partir des informations fournies par le

calculateur, commandent la position de l'antenne (ex radars de poursuite).

• 5.9 Système de visualisation

6. Différents types de radar

• radars de couverture aérienne (surveillance et circulation aérienne)

• radars de trajectographie (champ de tir, stations aérospatiales)

• radars météorologiques (à bord des avions de lignes)

• radars de navigation maritime (marine marchande • radars de tir (conduite de tir)

• radars d’interception ( à bord d'avions de chasse )

• radars d'atterrissage

• radars de cartographie (navigation aérienne)

• cinémomètres de la police

• ouverture automatique des portes

• surveillance des locaux, etc.

6. Radars dans l'Armée de l'air

• Balayage mécanique– Sol

• Centaure, Aladin

– Aéroporté• RDI (2000), RDY (2000-5), Antilope (2000-N)

6. Radars dans l'Armée de l'air

• Balayage électronique– Sol

• TRS22XX, 2215, GRAVES, RAPTORS

– Aéroporté• RBE2

Radars aéroportés

Antilope (2000 N et D)

RDI (2000 C)RDY (2000-5)

RBE2

(Rafale)

CYRANO (F1 CR)

Les radars de l’Armée de l’air

• RADAR AEROPORTE

– AIR / SOL• Reconnaissance

• Navigation

• Suivi de terrain

• Cartographie

ANTILOPE (M2000N & D)

Les radars de l’Armée de l’air

E3F

Les radars de l’Armée de l’air

• RADARS SOL– SOL /AIR

• Surveillance, contrôle du trafic aérien

• Contrôle d’approcheTRS 22XX

23 cm

NOSTRADAMUS

Les radars de l’Armée de l’air

• RADAR SOL– SOL /AIR

• Veille

• Poursuite de cible

Radar de veille

Caméra TV jour Caméra thermique

Radar de poursuite

GoniomètreIR CROTALE NG

Les radars de l’Armée de l’air

• GRAVES(Grand Réseau Adapté à la VEille Spatiale)

– Trajectographie de satellites et débris spatiaux (1000km, 10cm)

•

Les radars de l’Armée de l’air

• Système Horizon : Hélicoptère d'Observation et Radar d'Investigation de Zone senseur destiner à assister l'artillerie dans l'identification de véhicules mobiles à combattre. La plate-forme utilisée est l'hélicoptère AS-532UL Cougar d'Eurocopter

Les radars de l’Armée de terre

Radar Horizon

Les radars de la Marine Les navires: Charles de Gaulle

ARABEL

antenne radar à balayage électronique 2D

Détection + confirmation + poursuite des cibles

Radar multifonction en bande X (I à J) de portée 100 km: radar de contrôle de tir pour SAAM

Transmission données de trajectographie via transmetteur liaison montante au missile Aster avant verrouillage de la cible

Les radars de la Marine Les navires: Charles de Gaulle

DRBJ 26 D Jupiter

Radar 2D de veille longue portée:

portée de plus de 350 km sur un chasseur

Émetteurs état solide à 32 modules

Bande D

Les radars de la Marine Les navires: Charles de Gaulle

DRBV 15C Sea Tiger Mk2

Radar 2D:

Surveillance espace aérien et surface

Désignation des cibles pour les systèmes d’armes

2 vitesses de rotation d’antenne: lutte anti-missile ( 30 t/min) et surveillance (15 t/min)

Les radars de la Marine Avions

E2C HawkeyeRadar doppler bande UHF haute puissance

Triple TR: pas de zone aveugle

Portée accrue au-delà de l’horizon

Atlantique 2 (radar Iguane)

Falcon 10

Gardian (radar Varan)

Falcon 50

Les radars de la Marine

Crusader

Etendard IV

Falcon 50

Super Etendard

Rafale

Fin

Les radars de la Marine Hélicoptères

Lynx

Dauphin

Radar

Super Frelon

Les radars de la Marine Missiles

Aster

Tartar

Crotale

Les radars de la Marine Missiles:

Poids 735 kg

Charge 165 kg

Vitesse Mach 1

Portée 42 km

Longueur 5,20 m

Diamètre 0,35 m

Envergure 1 m

Exocet MM40

Exocet SM 39

Les radars de la Marine Missiles: MICA

MICA IR

Masse 112 kg

Longueur 3.10 m

Diamètre 0.16 m

Auto-directeur (2) EM actif ou imageur IR passif

Portée de moins de 500 m à plus de 60 km

1. Historique

ANNEES ETAPES

1887Hertz : ondes lumineuses = ondes électromagnétiques.

1935Watt : mesure de la distance radiale.

1936 Détection d'un bombardier B.17 à 23 miles

1938Construction d'une vingtaine de stations "Chain Home" sur ondes de 6 à 13mètres avec une portée de 100 à 200 km et Pc = 100 kW.

1940Le Bristol Beaufighter est le premier chasseur équipé d'un radar aéroporté.

1941Le Messerschmitt-BF 110 G-4 est équipé d'un radar aéroporté

24 au 25 juillet1943

Raid sur Hambourg : première utilisation de chaffs (paillettes)

1943 Première détection de schnorkels des sous-marins allemands

1978Premières images radar de la terre.