Rappel Radar

CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT DES CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT DES RADARSRADARS

INTRODUCTIONINTRODUCTION

Radiocommunication et détection

Le principe général d’une liaison de Le principe général d’une liaison de RadiocommunicationRadiocommunication

Système récepteur

Système émetteur

Message d’information

Message d’informat

ionSignal

Bruit

Rapport S/B

Le pb ??? Transmettre un message entre deux points (un signal modulé)

La qualité de récupération du message est mesurée par :

)(2

)(2

10log10

tB

tS

R

En détection, les méthodes, moyens de traitement, principes et systèmes sont identiques à ceux employés en télécommunication mais la nature du problème considéré est très différente.

Le signal émis interagit avec un obstacle et donne lieu à la formation d ’un signal secondaire « ECHO »

Les principales structures d’émission rencontrées sont les suivantes :

interaction

OBSTACLE

Signal non chargé d’information

ECHO

SYST EMET

SYST RECEPT

1er cas : Systèmes mono statiques (=0)

interaction

OBSTACLESignal non chargé d’information

ECHO

SYST EMET

SYST RECEPT

2ème cas : Systèmes bistatiques

OBSTACLE

Signal non chargé d’informationSYST EMET

REC 1

1

REC 2 REC N

2

N

………..

ECHO 1

ECHO 2

ECHO N

Centre de gestion et

d’exploitation des

données

S1

S2

SN

3ème systèmes multistatiques

Comparaison entre les différents systèmesComparaison entre les différents systèmes

* Le monostatique est le plus simple

* Le multi - statique est complexe mais il est efficace

La détection Identification

Calcul du signal ECHO relève de la théorie de DIFFRACTION

Théorie générale de diffraction nécessite :

- Nature de l ’obstacle « Difficile » !!!

Très faible énergie complexité

Deux points de vue peuvent être adoptés

A- Détection pureA- Détection pure

On cherche seulement à détecter la présence de l ’écho dans le bruit (dans le récepteur)

Si l ’écho est identifié l ’obstacle est détecté

En pratique : S/B est très faible Pd et Pfa

Pd et Pfa sont définies à partir d ’un seuil k

Conclusion

- Pour un rapport S/B donné

- ayant fixé Pfa, on peut calculer Pd

Bruit

Signal

Seuil

S/B

Pd

Pfa

en relation

0,10

0,30

0,40

0,50

0,05

0,20

0,35

0,700,720,80

0,90

0,95

0,98

0,99

0,995

0,998

0,999

4 6 8 10 12 14 16 18

10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11

10-12

10-3

S/B

Pd

Courbes de détection pour une cible non fluctuante

Conclusion :

Si l ’obstacle est détecté, on mesure ensuite :

* Sa distance (retard de l ’écho/signal émis)

* Sa direction : (,), et : direction de l ’antenne

* éventuellement sa vitesse radiale dr

B- Reconnaissance d ’obstacleB- Reconnaissance d ’obstacle

1- Par identification à un catalogue

Comparaison des paramètres extraits avec un catalogue après détection

2- Par reconnaissance des formes

Analyser le signal écho et chercher à extraire des informations sur l ’obstacle : grosseur, forme détaillée, nature des matériaux constitutifs

3- Par imagerie

On envisage que les systèmes RADAR

RARAdio dio DDetection etection AAnd nd RRanginganging

RADAR est un appareil qui permet de :

* Détecter la cible

* Préciser sa distance R et sa direction (,)

* Mesure de sa vitesse (Effet DOPPLER )

* Exploitation fine du signal pour « Reconnaissance des formes »

A- Détection de la cible : S/B, Pfa et Pd

B- Mesure de la distance R

C

Rt 2

2

tCR

D ’ou

Emetteur

RécepteurR

(,)

Cible

C-La mesure de direction est donnée par l’axe de l’antenne, en supposant celle-ci très directive.

3dB

l

 : ouverture en degrés à mi-puissancel : dimension d’antenne en mètres : longueur d’onde en mètre

l

70

ExempleExemple : pour =20cm (1,5 GHz) et l=14m, on a =1°pour =3cm (10GHz) , on obtient aussi =1° avec l=2,1m seulement.

Schéma le plus simple d ’un RADARSchéma le plus simple d ’un RADAR

Emetteur

Récepteur

Indicateur

Antennes

Duplexeur

Récepteur

Indicateur

AntenneEmetteur

Inconvénient du montage N°1Inconvénient du montage N°1

- Nécessité de deux antennes

- Difficultés de pointage simultané des deux antennes

Solution

Utilisation d ’un DUPLEXEUR

Indicateur : appareil qui présente les informations du radar

Duplexeur : aiguilleur électronique (alternat)

L ’émetteur : se compose de deux parties:

- le ou les étages hyperfréquences

- le modulateur qui fournit à l ’étage de puissance l ’énergie nécessaire à son fonctionnement

Utilisation des radars :

- Capteurs, indicateurs de présence ou de vitesse, contrôle du trafic, détection et inventaire des ressources naturelles, détection de pollution, météorologie, …..

Les RADARS sont classés en deux catégoriesLes RADARS sont classés en deux catégories

Radars à impulsions Radars à ondes continues

Pulse radar C.W radars

Signal de fréquence f0 Emetteur

f0

TR

Duplexeur

Vers RécepteurSignal impulsionnel

A

0

TR

-Principe-

LE RADAR A IMPULSIONSLE RADAR A IMPULSIONS

TRTR

t

L ’émetteur envoie des impulsions brèves (qcq nano-secondes à qcq centièmes de secondes)

: la durée des impulsions

TR : la période de répétition

Les grandeurs importantes à considérés sont :Les grandeurs importantes à considérés sont :

1- La puissance crête

2- L’énergie contenue dans une impulsion émise

3- La puissance moyenne émise

4- La longueur d’onde utilisée :

5- La sensibilité

6- Distance Aveugle

7- Distances Ambiguës

1- La puissance crête Pc : c’est la puissance émise pendant l’impulsion de durée . QcQ W <Pc <MW

2- L’énergie contenue dans une impulsion émise

.cPw

En pratique, peut varier de 100ns à 10µs environ.

3- La puissance moyenne émise

RT

w

RT

cPmP

RTRf

1

fR est généralement comprise entre 100Hz et quelques dizaines de KHz. Pm peut varier de quelques mw à quelques Kw.

4- La longueur d’onde utilisée :

quelques mètres a quelques mm

5- La sensibilité

La puissance du signal reçu qui conduit à une valeur donnée (souvent 3 dB) du rapport S/B en sortie du récepteur.

A- Soit f la L.B du récepteur et T la température absolue. T0=290 K Le bruit qui prend naissance dans le récepteur est du type blanc et gaussienblanc et gaussien.

fkTBeP

Si le récepteur était parfait, et de G en sortie une puissance :

BsPfGkTBeGP

En pratique, on a : fGFkTBsP

F est le facteur de bruit du récepteur F>1

Tout ce passe comme si on avait un bruit (F-1)PB supplémentaire à l’entrée du récepteur supposé parfait).

+

(F-1)PBe

PBe

FGPBe=PBs

FGPBePBe Récepteur parfait de

gain G

Récepteur de gain réel GFacteur de

bruit F

FPB=FkTf

b-Si on ajoute un signal S, de puissance PS à l’entrée du récepteur, le rapport S/B en sortie est :

FfkTSP

BePFG

SPG

B

S

...

.

Alors, la sensibilité est la puissance PS un signal qui conduit à une valeur donnée de S/B jugée limite pour la détection. Appelons (S/B)0 cette valeur.

0)/.( BSfFkTSP

Exemple : pour un récepteur de largeur de bande f=1MHz, et de facteur de bruit F=8dB, on trouve, à température ambiante (17°C290°K)

wattsP1410.5 pour (S/B)=3dB

Cela met en évidence l’extrême sensibilité des récepteurs et la nécessité de les protéger

6- Distance Aveugle

on ne peut effectuer de mesures pendant la durée de l’impulsion d’émission :

t : réception impossible

Les distances telles que 2R/C ne peuvent être mesurées. On les appelle distances aveugles :

2

CR

ne peuvent être examinées

10%0

0

0

0

Impulsion émise

Ionisation du TR de protection du récepteur

+tdesio

désionisation

En pratique

Alors, distance aveugle effective :

Cette relation est plus contrainte que la relation théorique précédente et conduit à ne pouvoir détecter les cibles trop proches

)(2 désiontC

R

7- Distances AmbiguësCe sont les distances telles qu’en présence d’une cible donnée, le train d’échos reçu coïncide avec les impulsions émises.

EQUATION DE PROPAGATION DU RADAREQUATION DE PROPAGATION DU RADAR

Problème de la portée d ’un Radar R réception de signaux très faibles

Rôle de l ’antenne RADAR????

Convertir l ’énergie électrique une onde e.m

Rôle de l ’antenne à l ’émission ????

- Notion de Gain

4

),(eE

ddE

G

énergie émise par cette antenne dans une direction donnée

Gain =_____________________________________________

énergie qui serait émise dans cette direc par une ant iso

Rôle de l ’antenne à la réception ????

Notion de surface effective

cc

c

c

c

cc

c

Signal radioélectrique émis par une source O

L ’énergie émise par la sce O à t=0, se trouve donc répartie à t sur une sphère de rayon C.t

La densité d ’énergie à une distance D de la source O est alors par unité de surface :

d

dE

DdS

dE2

1

La mise en marche de l ’antenne par cette énergie

Aiguillage vers le récepteur

La quantité d ’énergie recueillie par l ’antenne dépend de ses caractéristiques

Exp : soit une antenne « ouverture plane à loi d ’éclairement uniforme »

24

SG

4

2.GA

dS

dEG

dS

dEARE .

4

2.

A : surface effective ou surface radioélectrique de l ’antenne

ER : énergie captée par l ’antenne

Réflexion des ondes par une cible. Notion de surface Réflexion des ondes par une cible. Notion de surface équivalenteéquivalente

Une cible se comporte comme une antenne

rerayonnementCible

L ’énergie réémise par une cible dans la direction du radar est extrêmement variable, elle dépend de l ’orientation de la cible par rapport au radar

N.B : La fréquence a un effet sur la réflexion

On définit la faculté de rerayonnement d ’une cible par sa surface équivalente

énergie réémise par la cible dans la direction du radar

= ----------------------------------------------------------------

la densité d ’énergie qu ’elle perçoit

Les valeurs de surfaces équivalentes couramment admises sont :

- petit avion à réaction 0,5 m2 à 2 m2

- avion moyen 2 à 10 m2

- transport léger 10 à 20 m2

- moyen courrier 30 à 50 m2

- avion intercontinental 50 à 100 m2

EQUATION DE PROPAGATIONEQUATION DE PROPAGATION

Ou équation de bilan énergétique liant Er à l ’Ee

On considère un radar de caractéristiques:

* gain d ’antenne G

* surface effective de l ’antenne

* puissance crête émise Pc

* durée de l ’impulsion émise

+ une cible de placée à une distance D

4

2.GA

L ’énergie émise à chaque impulsion par le radar est : Pc

Si l ’antenne est omnidirectionnelle, cette énergie serait répartie uniformément dans ttes les directions

A une distance D du radar, la densité d ’énergie traversant une surface unitaire serait alors :

24

.

0 D

cP

dS

dE

Par définition du gain GG

D

cP

dS

dE.

24

.

1

La cible est de , par hyp, elle capte fois la densité d ’énergie :

1

dS

dE

et le réémet de manière omnidirectionnelle

L ’énergie captée par la cible s ’écrit donc :

..24

.

1G

D

cP

dS

dEcE

La densité d ’énergie réémise par la cible, est au niveau du radar donc à la distance D de la cible

24

1...

24

.242 D

GD

cP

D

cE

dS

dE

L ’antenne du radar capte une énergie :

24

2.

2

dS

dEG

dS

dEArE

Finalement

43)4(

.2.2..

D

GcPrE

En pratique, il faut tenir compte :

* des pertes dans la propagation du signal

* des pertes dans les circuits hyperfréquences du radar

* des pertes dues au traitement du signal dans le récepteur

* des pertes dans l ’extraction du signal et l ’exploitation de l ’information

* des pertes dues au mouvement de l ’antenne.

LD

GcPrE

.43)4(

.2.2..

Application pratique de l ’équation de propagationApplication pratique de l ’équation de propagation

Le besoin d ’adopter par les radaristes d ’une méthode de calcul simple « DECIBEL DB »

Définition du décibel

2

110log10

2

1P

P

dBP

P

2

110log10

2

1E

E

dBE

E

ou

Nous adopterons les unités MKSA et nous exprimons le rapport

rEdBjoule

joulesrE log10)(1

)(

LD

GcPJouledBrE

.4.3)4(

.2.2..log10/

))log(10)log(10.4).4log(10.3(

)log(10)log(10.2

)log(10.2).log(10/

LD

GcPJouledBrE

dBGoudBGG )()log(10

dBLoudBLL )()log(10

mdBDDdB

mdB

mdB

JouledBcPcP

/)log(10

33).4log(30

2/)()log(10

/)()log(10/).().log(10

Exemple 1 :

Pc=10MW, =2µs, G=45dB, =1m2, L=8dB, D=500km, =10cm

Pc.=20 Joules=13dB

G=45dB, G2=90dB

=0,1m=-10dB 2=-20dB

=1m2 = 0dB

D=5.105 = 57 dB D4=228 dB

L=8 dB

(4)3=33 dB

+ -

13

90

20

0

228

8

33

103 -289Er=-186 dB/Joule

Ordre de grandeur des signaux perçus par les radarsOrdre de grandeur des signaux perçus par les radars

Exp 1 : Pc(signal reçu)=1,25 10-13 W

Le récepteur radar doit être très sensible utilisation des sensibilités de l ’ordre 10-15W

La sensibilité du récepteur n ’est pas un seuil de perception du signal, il faut ajouter le bruit du radar

La puissance de bruit d ’un récepteur de facteur de bruit 4 dB et de bande 1 MHz est :

FoTKFB ...

dBF

dBF

dBoTK

4

60

204.

B=-130 dB/W=10-13 W

On voit donc que les niveaux du signal utile et du bruit du récepteur sont comparables

Le signal ne parvient pas seul au radar, il est accompagné d ’un bruit non négligeable

Cette méthode ne tient pas compte du filtrage du bruit et du signal par le récepteur radar

ConclusionConclusion

Le problème radar est celui de la reconnaissance d ’un signal en provenance d ’une cible lorsqu’il est mélangé avec du bruit

Le bruit vient perturber la détection du signal utile et ceci de plusieurs manières :

* en venant se superposer au signal utile et le masquer,

* en créant des signaux qui peuvent être pris pour des signaux utiles,

* en déformant le signal utile

FILTRAGE EN PRESENCE DE BRUIT FILTRAGE EN PRESENCE DE BRUIT EQUATION DU RADAREQUATION DU RADAR

1- Aspect aléatoire du bruit

Le bruit est généralement qualifié par sa puissance ou sa densité spectrale

On lui attribue une formulation mathématique (besoins pratiques)

)(2cos)()( tftttn

2- Puissance moyenne d ’un bruit - Effet du filtrage2- Puissance moyenne d ’un bruit - Effet du filtrage

Un des paramètres du bruit directement accessible à la mesure est : la densité spectrale b

b : la puissance émise dans une bande de fréquence unitaire

fBTKB ..

B : puissance moyenne du bruit

K : constante de Boltzman

TB : température équivalente du bruit

f : bande d ’observation

fBb /

3- traitement du signal en présence de bruit

Filtrage ou traitement cohérent

Détection ou

traitement non

cohérent

Seuil ou critère de décisionAmpli

Le problème du radariste est donc de discerner le signal utile dans le bruit qui l ’entoure

* Le filtrage aura pour but « d ’atténuer » au maximum le bruit tout en préservant le signal

* La détection a pour rôle de mettre le signal sous une forme compatible à la comparaison avec n seuil

Décider que le signal est un signal utile, c ’est-à-dire un écho en provenance d ’une cible placée dans le champ d ’observation du radar

EQUATION DU RADAREQUATION DU RADAR

A- Détection d ’une cible silencieuse

()

D

RADAR

Gt , Gr

LoTKFD

GcP

B

S

....4.3)4(

.2.2..

Si la cible observée par le radar n ’émet aucun signal parasite, et si le radar n ’est soumis à aucun brouillage artificiel, le bruit qui accompagne le signal a pour densité spectrale :

oTKFob ..

G : gain de l ’antenne du radar

: longueur d ’onde utilisée

: surface équivalente de la cible

Pc : puissance crête émise

: durée de l ’impulsion émise (ou analysée)

(S/B) rapport signal sur bruit imposé au radar

F : facteur de bruit du radar

K : constante de Boltzman

To : température de référence normalisée = 290°K

D : distance cible radar

L : pertes sur le signal utile

Le coefficient de pertes L tient compte :

- des pertes à l ’émission entre la sortie de l ’émetteur et le point de mesure du gain de l ’antenne,

- des pertes à la réception entre le point de mesure du gain de l ’antenne et le point de référence,

- des pertes subies par l ’onde dans son trajet aller et retour ou pertes atmosphériques,

- des pertes dues au traitement du signal (filtrage, circuits spéciaux) et à l ’exploitation de l ’information,

- des pertes dues au mouvement de l ’antenne et à la forme de son faisceau,

etc….

Détection d ’une cible brouilleuseDétection d ’une cible brouilleuse

bB()

()GB

D

RADAR

Gt , Gr

Dans certains cas, la cible observée par le radar, peut être porteuse d ’un brouilleur émettant du bruit dans la bande du radar

l

G

D

BGBbb1

.4

2..

2.4

.1

bB : la densité spectrale du bruit émise par le brouilleur.

GB le gain de l ’antenne du brouilleur dans la direction du radar

b=b0+b1=K.To.F+b1

Généralement b1>>b0 (sinon le brouilleur ne sera pas efficace)

lD

GBGBbbb.4.2)4(

2...1

LD

GcPrE

.4.3)4(

.2.2..

Equation de propagation

BGBbLD

GcP

B

S

.

1.

'.2).4(

...

Equation du radar sur une cible brouilleuse

G : gain de l ’antenne du radar

: surface équivalente de la cible

Pc : puissance crête émise

: durée de l ’impulsion émise

(S/B) : rapport signal sur bruit imposé au radar

bB : densité spectrale du bruit émis par le brouilleur

GB : gain du brouilleur dans la direction du radar

D : distance cible radar

L ’ : pertes sur le signal utile

Détection d ’une cible dans un milieu brouilleurDétection d ’une cible dans un milieu brouilleur

**

bi()

GiDigri

Gr

D

- Di : distance brouilleur radar

- bi : la densité spectrale de bruit émise par chaque brouilleur

- Gi : le gain de chaque brouilleur dans la direction du radar

- gri : le gain à la réception dans la direction de chaque brouilleur

- li : les pertes atmosphériques retour et hyper réception

- Ge son gain à l ’émission

- Gr : son gain maximum à la réception

FTKil

rig

iD

iGibbibb .0.1

.4

2..

2.4

.0

Soit comme rGirig . Si i est le taux de lobes secondaires

FTK

iD

RGi

il

iGibb .0.2

..

.2)4(

2..

et comme

LD

rGeGcPrE

.4.3)4(

.2....

FTKRGi

iDil

iGib

LD

rGeGcP

B

S.0...

2..2)4(

2..

.4.3)4(

.2....

Equation du radar dans un milieu brouilleurEquation du radar dans un milieu brouilleur

CELLULE DE RESOLUTION D’UN RADAR A IMPULSIONS

C’est le volume compris entre deux calottes sphériques (de centre : le radar), distantes de C/2 ( : durée d’impulsion), et qui s’appuie sur le contour à –3dB du lobe d’antenne.

C/2

GMAX

3dB

Ce volume est aussi appelé : volume de confusion du Radar.Toute cible contenue dans ce volume donne lieu à un écho (car l’énergie incidente y est significative), mais si deux cibles y sont contenues, le radar ne peut séparer leurs échos leurs échos à la réception.

écho 1

écho 2

t1=2R1/C

t2=2R2/Ct

émission

Cible à la distance R1

Cible à la distance R2

Exemple

Si l’écart temporel qui sépare deux échos :

)12(2

12 RRC

ttt

est inférieur ou égal à la durée d’impulsion , l’écho reçu est unique et les cibles ne peuvent être distinguées l’une de l’autre.

)12(2

RRC

t

212C

RR D ’ou confusion

C/2 est la profondeur du volume de confusion

DIFFERENTS TYPES DE RADARDIFFERENTS TYPES DE RADAR

Les radars se différencient entre eux par la manière dont ils explorent l’espace à l’aide de leur antenne, et les fonctions qu’ils doivent assurer, nous allons en examiner quelques types les plus significatifs.

LE RADAR PANORAMIQUE OU DE VEILLE PLANELE RADAR PANORAMIQUE OU DE VEILLE PLANE

Dans ces radars, l’espace est exploré par une rotation continue du faisceau radar autour d’un axe vertical. Le volume exploré est de forme torique. L’exploration de l’espace est effectuée de manière régulière ; les vitesses de rotation d’antenne sont de l’ordre de 6 tours par minute pour les radars à grande portée, 12 à 15 tours par minute pour les radars de moyenne portée.

Le volume exploré est fonction :de la forme du diagramme d’antennede la portée du radar

Les informations sont présentées sur un tube cathodique (Scope PPI) panoramique. (Panoramic Position Indicator)

NORD

OUEST EST

SUD

NORD

OUESTEST

SUD

A

B

TR

Sur le scope, un rayon lumineux AB tourne en synchronisme avec l’antenne. Le point A figure le Radar, et la longueur AB est graduée en distance.

La déviation sur le rayon AB est telle que le spot parcouru par un rayon pendant le temps qui sépare deux impulsions émises.

Le diagramme de l’aérien assure une large couverture verticale dans une section angulaire horizontal étroit (forte ouverture en site et faible ouverture en gisement), de façon à prendre en compte tous les obstacles dans un même gisement, quel que soit leur site.

(E)(W)

(N)

(S)

A

BDistances ambiguës

: Zone des distances aveugles

: échos de sol proche: nuages

: obstacles mobiles

: Obstacles fixes

LE RADAR DE SITOMETRIELE RADAR DE SITOMETRIE

Dans ce cas, le faisceau d’antenne est orienté de telle manière que sa plus faible ouverture soit dans le plan vertical.L’exploration de l’espace est obtenue par balancement du réflecteur après une orientation préalable dans un secteur déterminé, à partir des informations du radar panoramique.

Cibles

nuage

échos de sol

limites du balayage

Le scope est peu rémanent de façon à pouvoir changer rapidement de secteur exploré. Ce secteur choisi d’après les indications du radar panoramique est indiqué à l’opérateur qui peut alors agir sur la position de l’aérien.L’altitude est mesurée en prenant le centre de plot en site, les cibles sont identifiées par leur distance.