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Radars à ondes entretenues (ou ondes continues) (CW)

Énergie rayonnée
Énergie réfléchie,
contient des informations
sur l'objet réfléchissant
Transmetteur
Récepteur

Figure 1 : Radar à ondes entretenues utilise deux antennes souvent

Énergie rayonnée
Énergie réfléchie,
contient des informations
sur l'objet réfléchissant
Transmetteur
Récepteur

Figure 1 : Radar à ondes entretenues utilise deux antennes souvent

Radars à ondes entretenues (ou ondes continues) (CW)

Les radars à ondes entretenues (CW) émettent sans interruption un signal hyperfréquence. L'écho est donc reçu et traité continuellement. Ce principe impose de résoudre les deux problèmes suivants:

Le passage direct de l'énergie émise vers le récepteur peut être évité par :

La capacité de mesurer une durée n'est pas nécessaire pour les radars routiers, la distance à laquelle se trouve un véhicule en excès de vitesse étant sans importance. Lorsque l'on a besoin d'une information de distance, on peut alors utiliser une modulation de la fréquence ou un codage de la phase du signal émis.

Un radar CW émettant un signal continu non modulé ne peut mesurer que la vitesse d'une cible, par l'utilisation de l'effet Doppler. Il ne peut ni mesurer de distance, ni discerner deux cibles illuminées simultanément.

Le retour d’écho au radar est preuve d’un obstacle dans la ligne de propagation de l’onde électromagnétique. Certaines caractéristiques de l’obstacle influencent celles de l’écho. Certaines agissent de concert et par exemple, l’intensité de l’écho dépend de la grosseur de l’obstacle, de ses propriétés réflectives et de sa distance au radar, mais il est impossible de déterminer quelle est l’influence de l’un ou l’autre sur le signal puisqu’on ne peut obtenir la distance avec une onde entretenue.

Par contre, le spectre de fréquence est une caractéristique plus spécifique. Ainsi, la réflexion de certains matériaux peut donner à l’écho des harmoniques de la fréquence porteuse qui peuvent alors être utilisés par des radars dits « à harmonique ». Cette propriété se retrouve par exemple dans les vêtements et les bottes; une personne ensevelie dans la neige d’une avalanche peut être retrouvée avec un tel radar. Cependant, c’est l’utilisation du décalage de l’effet Doppler-Fizeau qui est le plus souvent utilisé avec un radar à ondes entretenues.

Radar Doppler

Un radar à ondes entretenues non modulées émet une seule fréquence à amplitude constante. L’écho est soit exactement à la même fréquence pour une cible immobile, soit à une fréquence décalée si cette dernière se déplace. Dans les deux cas, la différence entre la fréquence émise et reçue est appelée le décalage Doppler et permet de trouver la vitesse radiale de déplacement de la cible par rapport au radar. Ce type de radar est appelé radar Doppler car il utilise l’effet Doppler-Fizeau. Il n’y a aucune mesure du temps aller-retour de l’onde puisque l’onde est émise en continue et on ne peut donc obtenir la distance de la cible.

Si l’utilisateur veut cette distance, il faut que le signal soit modulé en fréquence ou en amplitude. En effet, lorsque l’onde est produite par l’émetteur à une fréquence ou à une amplitude qui varie dans le temps, il est possible de noter le temps aller-retour qui correspond à une fréquence ou à une amplitude donnée. En modulant ainsi le signal radar, nous introduisons un autre type de radar aux principes différents de mesure. Par exemple, la modulation en fréquence donne le radar à onde continue modulée fréquence ou FMCW. La modulation en amplitude du signal, jusqu’à 100 %, donne un autre type.

Générateur de
radiofréquences
Diviseur de
puissance
Passe basse
Amplificateur de
radiofréquences
Mélangeur
Filtre
audio
Vers l’interface de l’ordinateur
(Processeur audio)
Puissance transmise
Antenne de
transmission
Antenne de
réception

Figure 2 : Diagramme d’un radar à onde entretenue avec transmetteur/récepteur utilisant un abaissement direct de la fréquence

Générateur de
radiofréquences
Diviseur de
puissance
Passe basse
Amplificateur de
radiofréquences
Mélangeur
Filtre
audio
Vers l’interface de l’ordinateur
(Processeur audio)
Puissance transmise
Antenne de
transmission
Antenne de
réception
Generator Leistungsteiler Sendeantenne Empfangsantenne LNA Mischstufe TP AMP

Figure 2 : Diagramme d’un radar à onde entretenue avec transmetteur/récepteur utilisant un abaissement direct de la fréquence (Image interactive)

Diagramme d'un radar à ondes entretenues

Direct conversion receiver
La structure d’un radar Doppler est simple. Les circuits du transmetteur et du récepteur peuvent être chacun un circuit imprimé à semi-conducteurs sur un seul substrat. Ce circuit transmetteur-récepteur est appelé en anglais transceiver. En général, il est fourni avec les deux antennes nécessaires. La plupart du temps ce sera une antenne patch sur circuit imprimé à double côté ou, pour une plus grande largeur de bande de fréquences, de petites antennes à cornet.

Dans le récepteur à conversion directe (dit homodyne), l’écho n’est pas converti à une fréquence intermédiaire mais la haute fréquence de transmission est utilisée pour effectuer un baissement de la fréquence. Le mélangeur travaille ainsi dans la fréquence de base et ne subit pas d’interférence avec la fréquence porteuse. Pour effectuer la conversion de l’écho, le mélangeur a besoin d’un oscillateur local ayant typiquement une puissance de 7 dBm avec un générateur de radiofréquences de 10 dBm. Comme le diviseur de puissance a une atténuation minimale de -3 dB, le signal transmis fourni au mélangeur a au moins 6 dBm.

Même si le signal est à la fréquence de base, la sortie est souvent dite erronément à la fréquence intermédiaire. Le décalage Doppler se trouve alors dans le spectre des fréquences audibles. Les échos forts sans mouvement apparaissent dans cette sortie comme une tension constante s’ils ne sont pas bloqués par des condensateurs faisant office de filtre passe-haut (ceux-ci sont utilisés pour prévenir le passage du signal fort émis dans le récepteur très sensible). La formule suivante permet de calculer la vitesse Doppler selon le décalage:

fD = 2·v   fD = Décalage Doppler [Hz]
λ = longueur d’onde de la fréquence transmise [m]
v = vitesse radiale [m/s]

λ

Prenons un radar opérant dans la bande K (λ≈ 12 mm) et comportant une carte stéréo standard ayant une fréquence de coupure de fc= 18 kHz = fD maximum.

v =  λ · fD = 12 mm· 18 kHz = 108 m/s ≈ 380 km/h


2 2

380 km/h est donc la vitesse maximale radiale maximale pouvant être mesurée avec ce radar ce qui est suffisant pour la majorité des détecteurs de mouvement.

fÈ
fÈ
fÈ + fD
fÈ + fFI
fFI
fFI + fD
fD

Figure 3 : Diagramme d'un radar Doppler à ondes entretenues avec récepteur hétérodyne

fÈ
fÈ
fÈ + fD
fÈ + fFI
fFI
fFI + fD
fD

Figure 3 : Diagramme d'un radar Doppler à ondes entretenues avec récepteur hétérodyne (Image interactive)

Superhétérodyne
En procédant à un mélange direct, la sensibilité de l’appareil est limitée car le bruit inhérent du mélangeur s’ajoute au signal de sortie. Le décalage doppler est donc surimposé à une fréquence aléatoire de basse fréquence et, dans le cas de faibles signaux provenant de cibles se déplaçant à basse vitesse, peut ne donner qu’une vitesse indéterminée.

Une amélioration importante des radars à ondes entretenues est donc l’utilisation d’un récepteur superhétérodyne. Un étage mélangeur suivi d'un filtre bande étroite génère la fréquence stable de l'oscillateur local par addition de la fréquence de l'émetteur (fÉ) avec une fréquence intermédiaire (fFI), tout en éliminant le bruit aléatoire du mélangeur. L’écho est amplifié ensuite de 30 à 40 dB avant de passer dans un second mélangeur qui réduit la fréquence à celle de base. Dans la sortie résultante, la composante de bruit du second mélangeur est très faible et peut être négligée.

Dans cet exemple, une seule antenne est utilisée pour l’émission et la réception. La séparation de l’énergie émise et reçue se fait à l’aide d’un circulateur. L’évaluation de la vitesse radiale est faite à l’aide d’un compteur et une seule cible peut être évaluée à la fois. Si le radar fait face à plus d’une cible, le décalage de chacune se superpose avec les autres et une série de filtres (ou un filtre ajustable), chacun ayant une plage de fréquences déterminée, doit être utilisé pour repérer le décalage de chaque cible. On peut ainsi savoir les différentes vitesses radiales des cibles mais on ne peut attribuer à quelle cible appartient une vitesse en particulier.

Description des modules dans le schéma fonctionnel
Applications des radars à ondes continues non modulés

Figure 4: TTRAFFIPAX SpeedoPhot, un radar de trafic allemand (© 2000 ROBOT Visual Systems GmbH)

Figure 4: TRAFFIPAX SpeedoPhot, un radar de trafic allemand (© 2000 ROBOT Visual Systems GmbH)