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Radar en 2 ou 3 dimensions

Figure 1 : Diagramme de rayonnement typique d’un radar 2D Radar balayant l’horizon sur 360 degrés avec un faisceau plat ou en cosécante carrée.

Figure 1 : Diagramme de rayonnement typique d’un radar 2D Radar balayant l’horizon sur 360 degrés avec un faisceau plat ou en c cosécante carrée.

Radar en 2 ou 3 dimensions

Radar 2D

Un radar de surveillance aérienne balaie une zone d'un certain volume autour du radar afin de repérer des cibles avec faisceau doit être adapté pour cette tâche spécifique. Généralement, l'antenne forme un faisceau plat ou en cosécante carrée. Ce genre de balayage est appelé 2D car un tel radar ne peut mesurer que deux coordonnées pour déterminer la position des objectifs (distance et azimut). Il ne peut détecter deux avions volants à des altitudes différentes avec ces deux coordonnées, il ne voit alors qu’une cible unique ayant une plus grande dimension.

Pour la troisième coordonnée, les informations sur l’altitude de la cible doivent être fournies par un second radar spécialisé (radar de site) donnant l’angle d'élévation et l’azimut. Les deux types, le radar de surveillance et le radar de site, ne peuvent donc mesurer que deux coordonnées (2D), mais ayant une coordonnée commune, ils peuvent en tirer la troisième. Ce fut l’usage au début de la technologie radar (juste avant la Seconde guerre mondiale) et durant un certain nombre d’années.

Cet arrangement est relativement coûteux mais pour les militaires ce facteur était secondaire. Cependant, pour le contrôle aérien civil, il a fallu trouver une solution plus simple et moins couteuse. Les radars 2D sont utilisés seulement pour la surveillance de l’espace aérien alors que l'information sur l’altitude est ensuite fournie par le questionnement du transpondeur des avions par un radar secondaire.

Figure 2 : Diagramme d'un radar 3D typique, un mélange de balayage vertical par un faisceau électronique et de déplacement mécanique azimutal permet de balayage volumique grâce à un faisceau de crayon.

Figure 2 : Diagramme d'un radar 3D typique, un mélange de balayage vertical par un faisceau électronique et de déplacement mécanique azimutal permet de balayage volumique grâce à un faisceau de crayon.

Radar 3D

Lorsque les données en trois dimensions sont acquises par un seul radar, on parle de radar 3D. Il existe plusieurs façons d’obtenir ce résultat. L’une d’elle est celle du radar météorologique utilisant un faisceau-crayon très étroit produit par une antenne parabolique. Cette dernière balaie sur 360 degrés en azimut et séquentiellement sur un certain nombre d’angles en élévation, allant de l’horizon vers le zénith. L’angle d’élévation est modifié après chaque balayage pour le balayage suivant et ce scénario sera répété sur de nombreux angles afin de balayer tout le volume d'air autour du radar jusqu’à la portée maximale utile. Selon le type de radar et la stratégie de sondage, un balayage complet prend de 5 à 15 minutes.

Cette approche n'est cependant pas appropriée pour un radar de surveillance aérienne parce que les avions très rapides peuvent parcourir une énorme distance en très peu de temps. Un avion à vitesse supersonique parcourt près de 300 km en 15 minutes. Il a donc fallu déployer un effort technique considérable pour développer un radar de surveillance 3D permettant des balayages ultra-rapides. La solution fut d’émettre plusieurs faisceaux en même temps et d’utiliser plusieurs récepteurs en parallèle pour identifier le retour de chaque faisceau.

Un tel radar était le radar de puissance moyenne MPR. Son énorme antenne parabolique avait 36 cornets d'alimentation pour donner 12 faisceaux étroits différents alignés l'un au-dessus de l'autre, chacun à un angle d’élévation différent. Une puissante impulsion était donc transmise simultanément dans toutes les 12 directions pendant le temps de transmission à un azimut donné par deux amplificateurs conçus pour utiliser l’onde générée par des klystrons d’une puissance allant jusqu'à 20 mégawatts. Les échos reçus étaient ensuite traités par un certain nombre de récepteurs, chacun ajusté à un faisceau spécifique, pour en tirer la distance et l’angle d'élévation de la cible. Ceci étant reproduit à chaque angle d’azimut, le radar pouvait obtenir la position en 3D des cibles.

Les radars de surveillance 3D plus récents utilisent des antennes réseau à commande de phase. Les dispositifs plus anciens utilisent une antenne plane ou linéaire dont le faisceau était orienté séquentiellement en azimut et en élévation dans une zone angulaire limitée selon un angle d’illumination variable. Il existe deux possibilités pour effectuer un balayage complet avec ces antennes : soit l'antenne tourne en azimut et balaie électroniquement en élévation, soit quatre antennes planaires statiques couvrent chacune un quadrant autour du site. Les échos sont traités de la même façon.

L'antenne tournante présente un inconvénient majeur : chaque angle d'élévation étant balayé séquentiellement dans le temps, l'antenne ne doit pas tourner trop vite pour éviter les interdépendances temporelles entre les impulsions successives ce qui causerait des trous dans les données. Par contre, la version utilisant des antennes statiques agit comme quatre radars sondant simultanément l'espace et les données sont traitées par un seul processeur et affichées simultanément. Ce système radar est donc beaucoup plus flexible et peut être utilisé comme radar multifonction. Les radars modernes sont toujours des radars multifonctions.

Depuis l'avènement des techniques numériques de mise en forme des faisceaux et du traitement numérique parallèle de tous les canaux de réception, le problème de synchronisation est complètement surmonté. Cependant, toute la zone balayée doit être illuminée avec de puissantes impulsions, comme dans le cas du MPR.

Un nouveau type d’antenne, l’ « antenne en nid-de-pie » brevetée par l'Institut Fraunhofer pour la physique des hautes fréquences et les techniques radars, permettrait un balayage de tout l'hémisphère autour du site radar et pourrait remplacer les antennes réseau à commande de phase conventionnelles dans le futur.