Radar: Echos of Silent Vigilance, dévoilement de la sentinelle technologique

Par Fouad Sabry

Qu'est-ce que le radar

Le radar est un système qui utilise des ondes radio pour déterminer la distance (télémétrie), la direction et la vitesse radiale des objets par rapport au site. Il s'agit d'une méthode de radiodétermination utilisée pour détecter et suivre les avions, les navires, les engins spatiaux, les missiles guidés, les véhicules à moteur, cartographier les formations météorologiques et le terrain.

Comment vous en bénéficierez

(I) Informations et validations sur les sujets suivants :

Chapitre 1 : Radar

Chapitre 2 : Réseaux multiéléments

Chapitre 3 : Doppler radar

Chapitre 4 : Radar à synthèse d'ouverture

Chapitre 5 : Radiogoniométrie

Chapitre 6 : Réseau actif à balayage électronique

Chapitre 7 : Fréquence de répétition des impulsions

Chapitre 8 : Radar imageur

Chapitre 9 : Historique du radar

Chapitre 10 : Radar impulsionnel-Doppler

(II) Répondre aux principales questions du public sur le radar.

À qui s'adresse ce livre

Professionnels, étudiants de premier cycle et des cycles supérieurs, passionnés, amateurs et ceux qui souhaitent aller au-delà des connaissances ou des informations de base pour tout type de radar.

 

• Langue: Français
• Éditeur: Un Milliard De Personnes Informées [French]
• Date de sortie: 20 juin 2024

Aperçu du livre

Radar

Échos de la vigilance silencieuse : dévoilement de la sentinelle technologique

Fouad Sabry est l'ancien responsable régional du développement commercial pour les applications chez Hewlett Packard pour l'Europe du Sud, le Moyen-Orient et l'Afrique. Fouad est titulaire d'un baccalauréat ès sciences des systèmes informatiques et du contrôle automatique, d'une double maîtrise, d'une maîtrise en administration des affaires et d'une maîtrise en gestion des technologies de l'information de l'Université de Melbourne en Australie. Fouad a plus de 25 ans d'expérience dans les technologies de l'information et de la communication, travaillant dans des entreprises locales, régionales et internationales, telles que Vodafone et des machines commerciales internationales. Actuellement, Fouad est un entrepreneur, auteur, futuriste, axé sur les technologies émergentes et les solutions industrielles, et fondateur de l'initiative One billion knowledge.

Un milliard de connaissances

Radar

Échos de la vigilance silencieuse : dévoilement de la sentinelle technologique

Fouad Sabry

Copyright

Radar © 2024 par Fouad Sabry. Tous droits réservés.

Aucune partie de ce livre ne peut être reproduite sous quelque forme que ce soit ou par quelque moyen électronique ou mécanique que ce soit, y compris les systèmes de stockage et de récupération d'informations, sans l'autorisation écrite de l'auteur. La seule exception est celle d'un critique, qui peut citer de courts extraits dans une critique.

Couverture conçue par Fouad Sabry.

Bien que toutes les précautions aient été prises dans la préparation de ce livre, les auteurs et les éditeurs n'assument aucune responsabilité pour les erreurs ou omissions, ou pour les dommages résultant de l'utilisation des informations contenues dans ce livre.

Table des matières

Chapitre 1 : Radar

Chapitre 2 : Réseaux phasés

Chapitre 3 : Radar Doppler

Chapitre 4 : Radar à ouverture synthétique

Chapitre 5 : Orientation

Chapitre 6 : Réseau actif à balayage électronique

Chapitre 7 : Fréquence de répétition des impulsions

Chapitre 8 : Radar imageur

Chapitre 9 : Histoire du radar

Chapitre 10 : Radar Doppler à impulsions

Appendice

À propos de l'auteur

Chapitre 1 : Radar

Le radar est un système de radiolocalisation qui mesure la distance, l'azimut et la vitesse radiale à l'aide d'ondes radio. Il peut cartographier les conditions météorologiques et les caractéristiques du terrain, ainsi que détecter et suivre les engins aériens, maritimes et spatiaux, ainsi que les missiles guidés et les automobiles. Un système radar se compose d'un émetteur qui génère des ondes électromagnétiques dans la gamme radio ou micro-ondes, d'une antenne pour envoyer et recevoir des signaux (souvent la même antenne est utilisée pour les deux) et d'un récepteur et d'un processeur pour analyser les données. L'emplacement et la vitesse des objets peuvent être déterminés à l'aide d'ondes radio (pulsées ou continues) envoyées par l'émetteur et réfléchies vers le récepteur.

Plusieurs pays ont travaillé sur le radar en secret à des fins militaires avant, pendant et après la Seconde Guerre mondiale. Le magnétron à cavité, inventé au Royaume-Uni, a contribué au développement de systèmes compacts capables d'une précision inférieure au mètre. À l'origine un acronyme pour « radio detection and ranging », le terme « RADAR » a été créé en 1940 par la marine américaine. Depuis lors, radar est devenu un nom commun en anglais et dans d'autres langues, et sa majuscule initiale a été abandonnée.

Le contrôle du trafic aérien et terrestre, l'astronomie radar, la défense aérienne, les systèmes antimissiles, les radars marins pour localiser les points de repère et autres navires, les systèmes anti-collision des avions, les systèmes de surveillance océanique, les systèmes de surveillance de l'espace extra-atmosphérique et les systèmes de rendez-vous, la surveillance des précipitations météorologiques, les systèmes d'altimétrie et de contrôle de vol, les systèmes de localisation de cibles de missiles guidés, les véhicules autonomes et les radars à pénétration de sol ne sont que quelques-unes des nombreuses applications modernes du radar. Afin d'extraire des informations utiles d'environnements extrêmement bruyants, les systèmes radar modernes de haute technologie utilisent le traitement numérique du signal et l'apprentissage automatique.

Il existe des systèmes similaires qui utilisent différentes parties du spectre électromagnétique pour le radar. Le lidar est l'une de ces techniques, et il diffère du radar en ce qu'il utilise une lumière laser infrarouge plutôt que des ondes radio. Lorsque les véhicules autonomes entreront sur le marché, le radar sera probablement utilisé pour aider le véhicule à garder un œil sur son environnement et à éviter tout incident.

Le physicien allemand Heinrich Hertz a démontré la réflectivité des ondes radio en 1886. En 1895, Alexander Popov, professeur de physique à l'école de la marine impériale russe de Cronstadt, a utilisé un tube cohéreur pour créer un appareil capable de détecter les coups de foudre à grande distance. Un émetteur à éclateur a été ajouté l'année suivante. En 1897, il effectuait des essais de cette technologie dans la mer Baltique pour faciliter la communication entre deux navires lorsqu'il a remarqué un battement d'interférence provoqué par le passage d'un troisième navire. Popov a mentionné la possibilité d'utiliser ce phénomène pour la détection d'objets dans son rapport, mais il n'a pas donné suite à cette idée. et dans les années 1920, a conduit l'établissement de recherche britannique à de nombreuses percées utilisant des techniques radio, telles que le sondage de l'ionosphère et la détection de la foudre à longue distance. Avant de s'intéresser à la transmission en ondes courtes, Watson-Watt est devenu un expert en radiogoniométrie grâce à ses expériences sur la foudre. Comme il avait besoin d'un bon récepteur pour ses recherches, il a demandé à Arnold Frederic Wilkins, le « petit nouveau », de rechercher les meilleurs récepteurs à ondes courtes sur le marché. Après avoir lu sur l'effet de « décoloration » (le terme commun pour l'interférence à l'époque) décrit dans le manuel d'un modèle de bureau de poste général, Wilkins faisait son choix.

Les scientifiques de la marine américaine A. Hoyt Taylor et Leo C. Young ont fait cette découverte en 1922 de l'autre côté de l'Atlantique lorsqu'ils ont installé un émetteur et un récepteur de part et d'autre du fleuve Potomac et ont observé que le signal reçu s'estompait lorsque les navires passaient par le trajet du faisceau. La marine n'a pas immédiatement donné suite au rapport de Taylor, qui suggérait que ce phénomène pourrait être utilisé pour détecter la présence de navires par faible visibilité. Ce phénomène a été remarqué pour la première fois par Lawrence A. Hyland, chercheur au Naval Research Laboratory (NRL), huit ans plus tard.

La forme moderne de radar a été développée indépendamment et en secret par des scientifiques du Royaume-Uni, de France, d'Allemagne, d'Italie, du Japon, des Pays-Bas, de l'Union soviétique et des États-Unis avant la Seconde Guerre mondiale. Suivant l'exemple de la Grande-Bretagne dans le développement des radars avant la Seconde Guerre mondiale, le Canada, la Nouvelle-Zélande et l'Afrique du Sud ont fait de même, et la Hongrie a développé sa propre technologie radar au milieu du conflit.

L'année 1934 en France, après des recherches approfondies sur le magnétron à anode fendue, la branche de recherche de la Compagnie générale de la télégraphie sans fil (CSF) dirigée par Maurice Ponte avec Henri Gutton, Pour paraphraser, « Sylvain Berline et M.

Hugon, a commencé à travailler sur un système de détection d'obstacles par radio, en 1935, le paquebot Normandie a fait installer certains de ces composants.

Ceux de la France et de l'Union soviétique, cependant, présentaient un fonctionnement en ondes continues qui ne fournissait pas les performances de pointe associées aux radars contemporains.

Les premiers vrais radars étaient des systèmes à impulsions, de plus, l'Américain Robert M. Wilson a présenté le premier dispositif aussi simple en décembre 1934.

Page, dans les essais expérimentaux et l'évaluation de la Marine.

Cette conception est suivie d'un système pulsé présenté en mai 1935 par Rudolf Kühnhold et la firme GEMA [de en Allemagne, puis d'un autre en juin 1935 par une équipe du ministère de l'Air dirigée par Robert Watson-Watt en Grande-Bretagne.

En 1935, Watson-Watt délégua à Wilkins la tâche d'évaluer les rapports d'un rayon de la mort allemand basé sur la radio. Wilkins a renvoyé des chiffres montrant que le système ne pouvait pas fonctionner. Lorsque Watson-Watt a poursuivi avec une question sur les utilisations potentielles de ce système, Wilkins a mentionné les avions comme une source possible d'interférences radio. Cette découverte a abouti à l'expérience Daventry, qui a eu lieu le 26 février 1935 et impliquait un bombardier volant autour d'un champ où un récepteur GPO avait été installé et un puissant émetteur à ondes courtes de la BBC. Hugh Dowding, membre de l'Air pour l'approvisionnement et la recherche, a été tellement impressionné par le potentiel de leur système après avoir détecté avec succès l'avion qu'il a immédiatement approuvé le financement de son développement opérationnel continu.

Lorsque Watson-Watt a été nommé surintendant de la nouvelle station de recherche de Bawdsey du ministère britannique de l'Air le 1er septembre 1936, à Bawdsey Manor, près de Felixstowe, dans le Suffolk, les progrès de la technologie radar ont décollé. Grâce à leurs efforts, les stations de détection et de suivi aériens « Chain Home » le long des côtes est et sud de l'Angleterre étaient prêtes à être utilisées lorsque la Seconde Guerre mondiale a éclaté en 1939. Sans ce système, la Royal Air Force aurait toujours eu besoin d'un grand nombre d'avions de chasse, que la Grande-Bretagne n'avait pas, dans les airs pour répondre rapidement, perdant la bataille d'Angleterre. La Grande-Bretagne aurait peut-être perdu la bataille d'Angleterre si elle avait dû se fier uniquement aux observations d'individus au sol pour détecter les avions allemands. Dans le « système Dowding », qui compilait les rapports sur les avions ennemis et coordonnait une réponse, le radar jouait un rôle clé dans les deux processus.

Lorsque le groupe a reçu les ressources nécessaires pour développer et produire des systèmes radar fonctionnels, il a commencé à les déployer en 1935. Les cinq premiers systèmes Chain Home (CH) ont été mis en service en 1936 et, en 1940, ils couvraient l'ensemble du Royaume-Uni et de l'Irlande du Nord. CH était rudimentaire même pour son époque ; plutôt que d'émettre et de recevoir à partir d'une antenne focalisée, il éclairait la zone devant lui avec un signal et utilisait l'un des radiogoniomètres de Watson pour localiser la source des signaux réfléchis. Cela nécessitait des antennes plus puissantes et de meilleure qualité pour les émetteurs CH que celles des systèmes concurrents, mais permettait un déploiement rapide grâce à l'infrastructure déjà existante.

Le magnétron à cavité, développé au Royaume-Uni, a contribué au développement de systèmes compacts capables d'une précision inférieure au mètre. Lors de la mission Tizard de 1940, la Grande-Bretagne a donné cette technologie aux États-Unis.

Le besoin d'une résolution, d'une portabilité et d'une fonctionnalité plus élevées dans les radars pendant la guerre a incité le développement de nouvelles technologies, telles que le système de navigation supplémentaire Oboe, sur lequel s'appuyait l'avion Pathfinder de la Royal Air Force.

Le radar peut vous dire où se trouve quelque chose en vous donnant son relèvement et sa portée à partir du scanner radar. En conséquence, il trouve une application généralisée partout où un positionnement précis est un must absolu. Le radar a d'abord été utilisé par l'armée pour détecter les menaces terrestres, aériennes et maritimes. Des applications pour les avions, les navires et les voitures ont ainsi émergé dans le secteur civil. Les fonctions de sécurité courantes comprennent l'ouverture automatique des portes, l'éclairage et la détection des intrus.

L'émetteur du système radar envoie des signaux d'ondes radio (signaux radar) selon un schéma prédéterminé. Lorsque ces ondes entrent en collision avec un objet, certaines d'entre elles seront réfléchies ou dispersées dans toutes les directions, tandis que d'autres seront absorbées par l'objet et voyageront plus profondément à l'intérieur. Les matériaux à haute conductivité électrique, comme la plupart des métaux, l'eau et les sols humides, sont d'excellents réflecteurs des signaux radar. Pour cette raison, les altimètres radar peuvent être utilisés dans certaines situations. Pour que la détection radar ait lieu, les signaux radar réfléchis doivent atteindre le récepteur radar. En raison de l'effet Doppler, la fréquence des ondes radio changera légèrement selon que l'objet se rapproche ou s'éloigne de l'émetteur.

Il est courant que les récepteurs radar soient situés à proximité de l'émetteur radar, mais ce n'est pas toujours le cas. Les signaux radar réfléchis et captés par l'antenne de réception sont généralement très faibles. Des amplificateurs électroniques peuvent être utilisés pour les amplifier. Les signaux radar sont récupérés à l'aide de techniques de traitement du signal plus complexes.

Les systèmes radar peuvent détecter des objets à des distances relativement longues car les ondes radio ne sont que faiblement absorbées par le milieu qu'elles traversent, contrairement à d'autres longueurs d'onde électromagnétiques comme la lumière visible, la lumière infrarouge et la lumière ultraviolette. Le brouillard, les nuages, la pluie, la neige et le grésil sont tous des exemples de phénomènes météorologiques qui peuvent obscurcir la visibilité mais laisser passer les ondes radio. La vapeur d'eau, les gouttes de pluie et les gaz atmosphériques (en particulier l'oxygène) absorbent ou diffusent certaines fréquences radio, ce qui est évité lors de la conception des radars.

Au lieu d'utiliser la lumière naturelle du Soleil ou de la Lune, ou les ondes électromagnétiques émises par les objets cibles eux-mêmes (comme le rayonnement infrarouge), le radar utilise ses propres transmissions pour les détecter et les suivre (chaleur). Bien que ni les yeux humains ni les caméras optiques ne puissent voir les ondes radio, ils peuvent être utilisés pour éclairer artificiellement des objets.

Les ondes électromagnétiques se réfléchissent ou se dispersent à la frontière entre les matériaux s'ils traversent l'un d'entre eux et en rencontrent un autre avec une constante diélectrique ou une constante diamagnétique différente. Les ondes radar (radio) sont normalement diffusées à partir de la surface d'un objet solide dans l'air ou dans le vide, ou lorsqu'il y a une différence significative de densité atomique entre l'objet et son environnement. Le radar est particulièrement efficace pour détecter les avions et les navires car ils sont faits de matériaux électriquement conducteurs comme le métal et la fibre de carbone. Les véhicules militaires ont un matériau absorbant les radars, composé de substances résistives et parfois magnétiques, pour réduire la réflexion radar. Si vous vouliez rendre quelque chose invisible la nuit avec vos yeux, c'est ce que vous feriez avec les ondes radio.

La taille de l'onde radar (longueur d'onde) et la forme de la cible déterminent la façon dont l'onde radar se disperse. Si la longueur d'onde est inférieure à la taille de la cible, l'onde se réfléchira sur celle-ci comme la lumière rebondissant sur un miroir. Il est possible que vous ne puissiez pas voir la cible si la longueur d'onde est nettement plus longue que sa taille. Les résonances sont essentielles à la détection, mais pas à l'identification, des cibles par la technologie radar basse fréquence. La diffusion de Rayleigh, le phénomène responsable de la coloration du ciel et des couchers de soleil de la Terre, décrit ce phénomène. Des résonances peuvent se produire si les deux échelles de longueur sont à peu près identiques. De nombreux systèmes radar modernes utilisent des longueurs d'onde plus courtes (quelques centimètres ou moins) qui peuvent imager des objets aussi petits qu'une miche de pain, alors que les premiers radars utilisaient de très grandes longueurs d'onde qui étaient plus grandes que les cibles et recevaient donc un signal vague.

La réflexion des ondes radio courtes sur les coins et les courbes est analogue à l'éclat d'une sphère de verre.

Les cibles les plus réfléchissantes pour les courtes longueurs d'onde ont des angles de 90° entre les surfaces réfléchissantes.

Un réflecteur d'angle a trois surfaces parallèles qui se rejoignent dans un angle droit, un peu comme l'intérieur d'un cube.

Les ondes qui traversent l'ouverture de la structure seront réfléchies dans la même direction qu'elles sont venues.

Ils sont fréquemment utilisés comme réflecteurs radar, ce qui améliore la détectabilité de cibles autrement difficiles.

Les bateaux équipés de réflecteurs d'angle, par exemple, augmentent leur visibilité pour faciliter les efforts de sauvetage et éviter les collisions.

Dans le même ordre d'idées, les coins intérieurs et les surfaces/bords perpendiculaires aux directions de détection probables ne sont pas des caractéristiques des objets conçus pour échapper à la détection, à cause desquelles les avions furtifs finissent par avoir l'air « bizarres ».

Même avec ces mesures, une certaine réflexion se produira toujours en raison de la diffraction, d'autant plus à des longueurs d'onde plus grandes.

De longs fils ou bandes conducteurs, égaux à une demi-longueur d'onde, semblables à la balle, réfléchissent beaucoup de lumière mais ne renvoient aucune partie de cette énergie d'où elle vient.

La section efficace radar mesure la quantité de réflexion ou de diffusion des ondes radio par un objet.

La puissance Pr revenant à l'antenne de réception est donnée par l'équation :

{\displaystyle P_{r}={\frac {P_{t}G_{t}A_{r}\sigma F^{4}}{{(4\pi )}^{2}R_{t}^{2}R_{r}^{2}}}}

où

Pt = puissance de l'émetteur

Gt = gain de l'antenne d'émission

Ar = ouverture équivalente (surface) de l'antenne de réception ; elle peut également être exprimée par {{G_{r}\lambda ^{2}} \over {4\pi }} , où

\lambda = longueur d'onde transmise

Gr = gain de l'antenne de réception

σ = section efficace radar, coefficient de dispersion, de la cible

F = facteur de propagation du motif

Rt = distance entre l'émetteur et la cible

Rr = distance entre la cible et le récepteur.

Lorsque l'émetteur et le récepteur se trouvent au même emplacement physique, Rt = Rr et le terme Rt² Rr² peut être remplacé par R4, , où R désigne une plage.

Cela donne :

P_{r}={{P_{t}G_{t}A_{r}\sigma F^{4}} \over {{(4\pi )}^{2}R^{4}}}.

Étant donné que la puissance reçue tombe en quatrième puissance de la portée, les signaux faibles ne peuvent être détectés qu'à partir de cibles extrêmement éloignées.

Pour améliorer la portée de détection et diminuer la puissance d'émission des radars Doppler à impulsions, l'équation radar est légèrement modifiée par l'ajout d'un filtrage et d'une intégration d'impulsions.

Pour une transmission sans brouillage dans le vide, l'équation ci-dessus peut être simplifiée en F = 1. Le facteur de propagation prend en compte les facteurs environnementaux tels que les trajets multiples et l'ombrage. Les effets de perte de chemin sont également pris en compte dans le monde réel.

Lorsque la distance entre le radar et le réflecteur change, la fréquence change en conséquence. Selon l'impact de cette situation sur la détection, les performances du radar peuvent en souffrir ou s'améliorer. Par exemple, la dégradation du signal se produit lorsque l'indication de cible mobile interagit avec le Doppler à des vitesses radiales spécifiques.

L'effet Doppler est utilisé pour améliorer les performances des systèmes radar en mer, du guidage radar semi-actif, du guidage radar actif, du radar météorologique, des avions militaires et de l'astronomie radar. Pendant le processus de détection, cela fournit des données sur la vitesse de la cible. Cela permet également de détecter de petits objets dans un environnement avec des objets proches, relativement lents et de tailles beaucoup plus grandes.

La configuration active ou passive du radar détermine la quantité d'effet Doppler. Le signal d'un système radar actif est diffusé puis reçu après avoir été réfléchi. Pour que le radar passif fonctionne, un objet doit transmettre activement un signal à une antenne de réception.

Pour un radar opérationnel, le décalage de fréquence Doppler ressemble à ceci :, où F_{D} est la fréquence Doppler, F_{T} est la fréquence d'émission, V_{R} est la vitesse radiale et C est la vitesse de la lumière :

F_{D}=2\times F_{T}\times \left({\frac {V_{R}}{C}}\right) .

La radioastronomie et les contre-mesures électroniques peuvent bénéficier d'un radar passif :

F_{D}=F_{T}\times \left({\frac {V_{R}}{C}}\right) .

La seule partie du vecteur vitesse qui compte est la partie radiale. À un angle de 90 degrés par rapport au faisceau radar, la vitesse relative du réflecteur est nulle. Les décalages de fréquence Doppler sont les plus importants pour les cibles se déplaçant perpendiculairement au faisceau radar.

Lorsque la fréquence d'émission ( F_{T} ) est pulsée, en utilisant une fréquence de répétition d'impulsion de F_{R} , le spectre de fréquences résultant contiendra des fréquences harmoniques supérieures et inférieures F_{T} à une distance de F_{R} .

Cela signifie que la mesure Doppler n'est non ambiguë que si le décalage de fréquence Doppler est inférieur à la moitié de F_{R} , La fréquence de Nyquist, pour lui donner son nom propre, Étant donné que l'absence de cette condition rend la fréquence renvoyée indiscernable de l'addition ou de la soustraction d'une fréquence harmonique, nécessitant ainsi :

{\displaystyle |F_{D}|<{\frac {F_{R}}{2}}}

Ou en remplaçant par F_{D} :

{\displaystyle |V_{R}|<{\frac {F_{R}\times {\frac {C}{F_{T}}}}{4}}}

Par exemple, un avion voyageant à 1 000 mètres par seconde serait trop rapide pour qu'un radar météorologique Doppler avec une fréquence d'impulsion de 2 kilohertz et une fréquence d'émission de 1 gigahertz puisse mesurer avec précision sa vitesse radiale (2 200 mph).

Le champ électrique, qui est la polarisation de l'onde, est toujours perpendiculaire à la direction de propagation dans le rayonnement électromagnétique. Les signaux radar envoyés dans l'espace peuvent être modifiés en apparence en manipulant leur polarisation. Les radars peuvent détecter une grande variété de réflexions grâce à leur capacité à basculer entre la polarisation horizontale, verticale, linéaire et circulaire. La polarisation circulaire, par exemple, est utilisée pour réduire l'impact des précipitations sur un signal. Dans la plupart des cas, les surfaces métalliques peuvent être identifiées par les retours de polarisation linéaire. Les radars de navigation utilisent des retours de polarisation aléatoires, qui indiquent généralement une surface fractale comme des roches ou du sol.

En raison des différences dans l'indice de réfraction de l'air, l'horizon radar fait dévier légèrement un faisceau radar de sa trajectoire droite dans le vide. Le faisceau s'élève toujours au-dessus du sol en raison de la courbure de la Terre, même lorsqu'il est émis perpendiculairement au sol. De plus, le faisceau s'étale et le signal s'affaiblit lorsqu'il traverse le milieu.

Plusieurs facteurs limitent la portée maximale des radars conventionnels :

La visibilité, qui est affectée par l'altitude.