Les Principes du Radar

Propagation anormale

L’atmosphère terrestre n’est par un milieu homogène. La pression de l’air et le contenu en humidité varient verticalement et horizontalement ce qui lui donne une densité variable. Comme l’indice de réfraction est proportionnel à la densité, le faisceau d’un radar changera continuellement de trajectoire à mesure qu’il s’élève. Dans le vide, le faisceau se déplacerait en ligne directe comme dans la figure 1. Dans une atmosphère standard, la diminution de l’indice de réfraction fait courber le faisceau mais plus lentement que la courbure de la Terre. Si la température ou l’humidité ne varie pas de façon standard, le faisceau ne suivra pas la propagation normale. Il existe trois catégories de propagation anormale: la sous-réfraction, la super-réfraction et la propagation en conduit. Le plus souvent, sera la situation de super-réfraction qui sera erronément appelée propagation anormale parce que c’est la plus facile à repérer.

Super-réfraction

Couche d’inversion

Figure 2 : Inversion atmosphérique causant super-réfraction ou même réfraction en conduit près du sol.

Couche d’inversion

Figure 2 : Inversion atmosphérique causant super-réfraction ou même réfraction en conduit près du sol.

La super-réfraction se produit quand la température est stable ou augmente avec l’altitude, ou bien que l’humidité diminue avec la hauteur. Ces conditions d’inversion de température ou d’humidité se produite le plus souvent lors d’une nuit claire sous un anticyclone alors que la température au sol chute par radiation mais que l’air change peu de température en altitude. En même temps, l’humidité relative au sol augmente et on assiste à la formation de rosée ou même de brouillard.

Dans ces conditions, le faisceau radar courbe plus que la normale vers la Terre et peut rencontrer des cibles au-dessus desquels il aurait passé normalement. Cela a pour effet d’allonger la portée utilise du radar mais comme le calcul de la position et de la hauteur de la cible se base sur l’atmosphère standard, la cible est mal positionnée par le programme de traitement. Il peut même arriver que les cibles soient au-delà de la portée maximale entre deux impulsions radars, ces échos de seconde impulsion seront donc placés erronément à l’intérieure de la portée maximale.

Si l’inversion est marquée, le faisceau peut même frapper la Terre ce qui donnera de forts échos radars. Ces échos de sol augmenteront en étendue à mesure que la température diminue durant la nuit et diminueront au matin avec le réchauffement. Ils seront très bruyants, variant d’intensité avec le temps et la position.

Une autre situation propice à ce type de propagation anormale se produit à l’avant d’un front chaud alors que les précipitations humidifie l’air près du sol et y diminue la température. Dans ce cas, de vrais échos de précipitations ou des cibles radars se mélangeront à ceux de la propagation anormale.

Propagation en conduit

Couches d’inversion

zone d’ombre

Figure 3 : Transmission par conduit en altitude.

Couches d’inversion

zone d’ombre

Figure 3 : Transmission par conduit en altitude.

Si l’inversion est très marquée et mince, la loi de Snell-Descartes sur la réfraction ne permettra pas à une onde électromagnétique de sortir de la couche. Elle subira une réflexion totale entre sommet de la couche et le sol, ou si l’inversion est en altitude, entre le haut et le bas de la couche d’inversion comme dans la figure 2. Un signal VHF ou UHF peut ainsi être transmis à de très grandes distances, bien au-delà de l’horizon. C’est un aspect très connu des radioamateurs.

Un faisceau radar va subir le même sort. Si l’inversion est près du sol, il y aura des retours vers le radar à chaque fois que le faisceau frappe le sol ce qui donne des cercles concentriques d’échos de propagation anormale à l’écran. Par contre, si le conduit est en altitude, des échos à plusieurs fois la portée maximale peuvent être perçus par le radar qui les placera de manière erronée dans à l’intérieur de la portée maximale.

Sous-réfraction

Lorsque la température de l’air diminue ou que l’humidité augmente plus rapidement que la normale avec l’altitude, la situation inverse de la super-réfraction se produit. Le faisceau est dévié vers le haut par rapport à la normale ce qui raccourci la portée maximale du radar, particulièrement aux plus bas angles de site. Cependant, cela est généralement difficile à noter à moins d’avoir une confirmation indépendante de la hauteur de la cible. On retrouve généralement la sous-réfraction lors de conditions de temps très convectif.

Réfraction	Gradient de l’indice de réfraction	Diagramme explicatif	Conditions favorables
négative (sous-réfraction)	>0		Neige ou temps très instable Diminution très rapide de la température ou aug­mentation de l’humidité avec l’altitude.
Aucune	0		Couche homogène sans de changement d’indice de réfraction.
Faiblement positive	de 0 à −4·10−8		Pluvieux, si la température et humidité diminuant plus lentement avec l’altitude que dans l’atmosphère standard.
Positive et normale	−4·10−8		Temps maussade et atmosphère standard avec la température variant de 6,5 degrés Celsius et la pression de vapeur d’eau de 3,5 hPa par kilomètre d’altitude.
Positive et en augmentation	de −4·10−8 à −17,5·10−8		Temps dégagé après le coucher du soleil, la température diminue en surface mais pas en altitude: formation d’une une inversion de température.
Positive et critique	−17,5·10−8		Ciel dégagé après le coucher du soleil avec inversion bien développée.
Super-réfraction	Moins de −17,5·10−8		Forte subsidence sous un anticyclone et inversion de température très marquée avec humidité seulement près du sol. Situation fréquente à l’intérieur des continents lors de nuit claires et tôt le matin. Au-dessus de plan d’eau, comme la mer, ce phénomène se produit si la surface des eaux est plus froide et humide que les basses couches de l’atmosphère.

Table 1: Classification de la réfraction selon les conditions atmosphériques.