radar

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Présentation

radar, appareil émettant et recevant des ondes électromagnétiques, utilisé pour localiser des objets dans l'espace et déterminer leur distance. Le terme radar est un nom de code adopté au cours de la Seconde Guerre mondiale par l'US Navy, signifiant « radio detection and ranging » (système de détection et de télémétrie par ondes radio). Les appareils de ce type n'indiquent pas seulement la présence et la distance d'un objet éloigné, la « cible », mais déterminent également sa position dans l'espace, sa taille, sa forme ainsi que sa vitesse et sa direction. Mis au point à l'origine comme instrument de guerre, le radar est aujourd'hui également utilisé dans d'autres domaines, comme la navigation, le contrôle du trafic aérien, la météorologie et la radioastronomie.

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Mise au point

Les radars émettent des ondes radioélectriques, dont la longueur d'onde varie de quelques centimètres à environ 1 m. Les objets passant dans le faisceau réfléchissent ces ondes et les renvoient à l'émetteur. Les concepts de base du radar sont fondés sur les équations régissant les ondes électromagnétiques, formulées par le physicien britannique James Clerk Maxwell en 1864. Ces principes furent vérifiés en 1886 par les expériences du physicien allemand Heinrich Hertz. L'ingénieur allemand Christian Hülsmeyer fut le premier, en 1904, à suggérer l'utilisation d'échos radio dans un appareil de détection afin d'éviter les collisions en navigation. Un dispositif similaire fut proposé en 1922 par l'inventeur italien Guglielmo Marconi. Par la suite, le radar fut développé progressivement, grâce à l'action de nombreux savants, ingénieurs et techniciens.

On peut distinguer trois étapes dans l'histoire de ses débuts. Au cours des années 1920, diverses expérimentations de détection à l'aide d'ondes radio furent réalisées avec succès (Appleton en Angleterre en 1924, Breit et Tuve, Hyland, Taylor et Young aux États-Unis, Mesny et David en France). Au milieu des années 1930, elles débouchèrent sur des applications concrètes grâce aux progrès de l'électronique. On installa ainsi en France, sur la ligne Maginot, des radars à ondes continues, d'une portée d'une dizaine de kilomètres. De même, on équipa le paquebot Normandie d'un appareil de détection électromagnétique à ondes décimétriques, capable de détecter les icebergs dans le brouillard.

À partir de 1935, les recherches s'orientèrent vers la réalisation de radars à impulsions, à la suite de deux mémorandums du Britannique R. Watson-Watt. En 1938, deux chercheurs français, Ponte et Gutton, mirent au point l'un des dispositifs les plus importants en ce domaine : le tube à faisceau électronique, appelé magnétron à cavité résonante, qui émet des impulsions haute fréquence (radar à ondes centimétriques). Diverses entreprises françaises construisirent alors des radars pour la Défense nationale. Les Allemands installèrent leurs propres systèmes ; mais, fondant sa stratégie sur l'offensive, le III^e Reich accorda moins d'importance au radar et développa plutôt la radionavigation. Parallèlement, une ligne de stations radars fut installée le long des côtes sud et est de l'Angleterre afin de détecter les agresseurs aériens ou maritimes. Ce système joua un rôle essentiel dans la bataille d'Angleterre (août-octobre 1940), au cours de laquelle la Luftwaffe (armée de l'air de l'Allemagne nazie) ne parvint pas à affirmer sa suprématie dans le ciel britannique. À partir de 1940, la collaboration des Britanniques avec les Américains donna aux Alliés une avance décisive dans cette technologie, supériorité technique qui se maintint jusqu'à la fin de la guerre. Leurs laboratoires spécialisés employèrent des milliers de savants, et leurs usines des dizaines de milliers de techniciens, construisant plusieurs centaines de types de radars pour tous les usages militaires.

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Fonctionnement

Les ondes radio se propagent à 300 000 km/s environ, qui correspond à la vitesse de la lumière dans le vide et (en première approximation) dans l'atmosphère. Le radar se compose d'un émetteur, d'une antenne, d'un récepteur et d'un indicateur. Contrairement à la radiodiffusion, où l'émetteur envoie des ondes que des récepteurs capteront, les émetteurs et récepteurs radar sont généralement situés au même endroit. L'émetteur diffuse, au moyen d'une antenne, un faisceau d'ondes électromagnétiques concentrées dans la direction souhaitée. Lorsque ces ondes rencontrent un objet, elles s'y réfléchissent, formant un « écho radar ». L'antenne capte le signal d'écho, qui est ensuite amplifié et transformé en signal visuel sur l'écran ou « indicateur », qui est parfois un moniteur d'ordinateur.

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Les émetteurs

Pour fonctionner correctement, l'émetteur radar doit émettre une grande quantité d'énergie puis recevoir, détecter et mesurer une fraction infime de celle-ci (environ un milliardième de milliardième), retournée sous forme d'écho. Comment détecter ce minuscule écho en présence du signal de recherche, extrêmement puissant ? La solution, apparue vers 1938, est celle du radar à impulsions (par opposition au radar à ondes continues) : une impulsion est émise pendant 0,1 à 5 microsecondes, puis l'émetteur reste silencieux pendant quelques centaines de microsecondes. En phase de diffusion d'impulsions, le récepteur est isolé de l'antenne au moyen d'un tube commutateur TR (transmission-réception) ; entre les impulsions, l'émetteur est déconnecté de l'antenne au moyen d'un tube commutateur ATR (anti-TR).

Un radar à ondes entretenues diffuse, non pas des impulsions, mais un signal continu. Le radar Doppler, souvent utilisé pour mesurer la vitesse d'un objet (par exemple une voiture ou une balle) transmet des signaux à une fréquence constante. Les signaux qui se réfléchissent sur les objets se déplaçant par rapport à l'antenne seront de fréquences différentes en raison de l'effet Doppler. Le nom complet de l'effet Doppler est « effet Doppler-Fizeau », du nom du physicien Hippolyte Fizeau (1819-1896), qui étendit aux ondes électromagnétiques l'effet découvert par Doppler dans la propagation des ondes sonores : élévation de fréquence quand l'émetteur se rapproche, glissement vers les basses fréquences quand il s'éloigne (pour en faire l'expérience, il suffit de se placer au bord d'une route et d'écouter le bruit d'une automobile qui passe).

Si un récepteur radar est réglé pour ne pas tenir compte des échos ayant la même fréquence que l'émetteur et pour amplifier sélectivement les échos dont les fréquences varient, il n'indiquera que les cibles mobiles. Par exemple, il détectera un avion volant près du sol, qu'il faut distinguer des objets fixes (relief, bâtiments). C'est avec de tels « radars à élimination d'échos fixes » que la police mesure la vitesse des automobiles.

Le radar à modulation de fréquence (FM) émet un signal continu de fréquence changeant constamment. Pendant le temps pris pour émettre, réfléchir et recevoir un signal, la fréquence d'émission change. La différence entre la fréquence de l'écho et celle de l'émetteur, à l'instant de la réception de l'écho, est ensuite mesurée, puis convertie en distance entre l'émetteur et l'objet. Ces systèmes sont plus précis que les radars à impulsions, bien que leur portée soit plus courte.