Upload
odille-lafond
View
112
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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.