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Radar pulsé

Radar principle:
An electromagnetic pulse travels at the speed of light from an antenna to an airborne target. There the energy is reflected and the echo signal moves back at the same speed and is received by the antenna. The time measurement (in the picture symbolized with stop watches) permits to calculate the distance of airborne target from the run time and the known speed.

Figure 1 : Principe de sondage par impulsions.

transmitted energie
echo signal

Figure 1 : Principe de sondage par impulsions.

Hintergrundbild transparente Animation:
Ein elektromagnetischer Impuls bewegt sich (mit Lichtgeschwindigkeit) von einer Antenne bis zu einem Flugziel. Dort wird die Energie reflektiert und das Echo bewegt sich mit gleicher Geschwindigkeit zurück und wird von der Antenne empfangen. Auf einem Oszilloskop läuft zeitgleich ein Leuchtfleck mit. Zum Zeitpunkt des Empfangs des Echosignales wird dort ein Echoimpuls geschrieben. Der Abstand dieses Echoimpulses zum Sendeimpuls ist proportional zur Zielentfernung.

Figure 1 : Principe de sondage par impulsions.

Radar pulsé

Table des matières « Radar pulsé »
  1. Signal transmis
  2. Écho
  3. Diagramme de fonctionnement
  4. Utilisations
Impulsion émise
Écho
τ
Τ

Figure 2 : Relation entre les impulsions et les échos.

Impulsion émise
Écho
τ
Τ

Figure 2 : Relation entre les impulsions et les échos.

Un radar pulsé est un appareil de télédétection qui émet des impulsions puis se met en mode écoute de l’écho renvoyé par les cibles dans l’environnement. Au contraire des radars à ondes entretenus, le transmetteur est mis hors-circuit durant le temps d’écoute. Cette méthode d’écholocation est caractérisée par la transmission d’impulsions de très courtes de durée τ de l’ordre de ≈ 0,1 à 1 µs et d’un temps d’écoute Τ beaucoup plus long (>> τ) de l’ordre de 1 ms, comme démontré dans la figure 2. La distance à la cible est déterminée par le temps aller-retour du signal (pour un radar stationnaire) ou par la comparaison du spectre Doppler entre le signal émis et l’écho par rapport à la distance (pour un radar mobile). Les radars pulsés sont surtout conçus pour la détection à longue portée et émettent donc des impulsions très puissantes.

Une différence importante avec les autres types de radar est la nécessité d’une coordination efficace du temps de chacun des processus dans le circuit du radar. La bordure avant de l’impulsion est le temps de référence de tout le processus. Celui-ci se termine par la réception du front d’onde de l’écho. Tout retard systématique dans le circuit interne du processeur doit être pris en compte pour obtenir le temps aller-retour réel et donc de distance de la cible. Toute variation temporelle aléatoire qui peut s’y ajouter influencera directement la précision du radar.

Signal transmis

La forme de l’onde transmise peut être décrite mathématiquement par :

s(t) = A(t)· sin[2πf(t)·t + φ(t)] (1)

Figure 3 : Décomposition du spectre de fréquences associé à une onde carré à la fréquence de la porteuse ftx

Figure 3 : Décomposition du spectre de fréquences associé à une onde carré à la fréquence de la porteuse ftx

La fonction A(t) est la variation de l’amplitude de l’impulsion avec le temps, c’est-à-dire sa modulation. Dans le cas le plus simple, le transmetteur émet durant de courtes périodes τ et est hors-circuit le reste du temps. A(t) est ainsi égal à 1 durant τ et zéro autrement. La fonction temporelle est déterminée par la fréquence de répétition des impulsions et le cycle d’utilisation. Comme les échos revenant au radar sont sujets à diverses pertes, une modulation de l’amplitude différente du signal dans ce cas ne donne aucun avantage à son décodage dans le récepteur. Par contre, une telle onde carrée peut être décomposé en un spectre de fréquence égal à une fonction sin x)/x. L’essentiel de la puissance transmise (attention l’échelle est logarithmique dans la figure 3) est dans la région de fréquences BHF = 2/τ autour de la fréquence de l’onde porteuse ftx.

La fréquence de répétition des impulsions (FRI), leur durée τ et le temps d’écoute (Τ − τ) ont une influence sur les performances du radar : distance aveugle près du radar et portée maximale non-ambigüe. La longueur de l’impulsion τ affecte également la cellule de résolution ΔR du radar :

ΔR = 0.5·τ·c (2)

Plus l’impulsion est courte, mieux le radar peut résoudre deux cibles situés l’une derrière l’autre, au lieu d’obtenir un seul gros objet. Cependant, la largeur de bande de l’onde porteuse BHF augmente avec la diminution de la largeur de l’impulsion :

BHF = τ−1 (3)

Le raccourcissement de l’impulsion limite aussi la portée maximale dans le cas simple. En effet, l’énergie Ep contenue dans l’impulsion dépend de sa longueur et plus cette dernière est courte, plus elle est faible à une distance donnée du radar et moins il y a de probabilité qu’une puissance mesurable soit retournée au radar.

Pour la portée maximale, l’énergie est donc le facteur crucial et non la puissance d’émission :

Ep = Ps· τ = Pmoj· Τ = Pmoj avec Ep = énergie de l’impulsion
PS = puissance du transmetteur
Pmoj = puissance moyenne
(4)

fFRI

Des améliorations significatives peuvent être apportées en modulant l’enveloppe de l’impulsion (compression d’impulsion) où une impulsion longue est comprimée en une plus courte. La relation entre la durée de l’impulsion transmise et celle retournée est résolue par la décompression au niveau du récepteur. La position individuelle des cibles sondées par l’impulsion compressée peut aussi être obtenue par le temps aller-retour.

La fonction φ(t) de l’équation (1) exprime la différence de phase dans le temps du signal. La phase initiale émise par le transmetteur est toujours la même et son évolution temporelle sera extrapolée facilement dans le cas d’un radar cohérent. Dans le cas d’un radar cohérent à la réception (ou pseudo-cohérent), la phase initiale est aléatoire et doit être notée pour fin de comparaison avec l’écho. Si elle n’est pas notée, le radar est dit « incohérent ». Cette notion est importante pour la modulation intra-impulsion des impulsions compressées et l’analyse du décalage Doppler.

Écho

La forme de l’onde de l’écho est influencée par de nombreux phénomènes qui ne permettent pas de la connaître avant son arrivée au radar. Pour simplification, les longueurs de l’impulsion et de l’écho sont considérées comme d’égale longueur. Cela permet de faire un rapport simple entre l’énergie de l’écho et du signal de sondage (utilisé dans l’équation fondamentale du radar) sans tenir compte de la différence possible introduit par :

Afin de concevoir un récepteur ou un filtre adapté qui minimise ces effets de déformation, plusieurs canaux de réceptions doivent être utilisés en parallèle. Dans un circuit sélectif, l’écho ayant le meilleur rapport signal sur bruit (incluant les interférences) est choisi pour le reste du traitement. La « position » de cet écho optimal est aussi conservée.

En général la largeur de bande du récepteur est aussi mince que possible pour éliminer le bruit extérieur aux fréquences que peux prendre l’écho. Par conséquent, BHF = 1/τ est le plus souvent la largeur de bande utilisé de chaque côté de la porteuse d’un radar pulsé. Le bruit restant peut être filtré avec un récepteur qui somme les échos provenant de plusieurs impulsions en prenant comme hypothèse que la cible est immobile durant ces sondages successifs. Comme le bruit est aléatoire, la somme du bruit est beaucoup plus faible que le signal réel de l’écho et le rapport signal sur bruit est bien meilleur.

Diagramme de fonctionnement
Antenne
Transmetteur
Duplexeur
Récepteur
Modulateur
Synchronisateur
Affichage

Figure 4 : Diagramme de fonctionnement d’un radar primaire pulsé

Transmetteur Duplexeur Antenne Récepteur Modulateur Synchronisateur Affichage Impulsions azimutales Impulsions azimutales

Figure 4 : Diagramme de fonctionnement d’un radar primaire pulsé (Image interactive)

La conception d’un radar pulsé varie selon que le transmetteur et le récepteur sont colocalisés (monostatique) ou à deux endroits différents (bistatique) :

Description des modules dans le schéma synoptique
Utilisations

Les radars pulsés sont surtout utilisés pour la détection à longue portée, principalement dans les domaines militaire, du contrôle du trafic aérien, de la météorologie et de la détection par satellite.