3.

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.

1.

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.

2.

Antennes

Les antennes radar doivent avoir une directivité élevée pour envoyer un faisceau étroit. Étant donné que la largeur du faisceau est proportionnelle à la longueur d'onde du rayonnement, et inversement proportionnelle à la largeur de l'antenne, on mit au point, à la fin des années 1930, le radar fonctionnant sur ondes centimétriques.

Les autres avantages du radar à ondes centimétriques sont, d'une part, sa faible sensibilité aux mesures défensives de l'ennemi (brouillage), et d'autre part, une résolution plus haute de l'image des cibles. En faisant tourner l'antenne, et donc le faisceau radar, on balaye l'espace. La forme la plus simple de balayage est obtenue par la rotation lente et continue de l'antenne. Les radars au sol, utilisés pour détecter les avions, comportent souvent deux radars, l'un balayant horizontalement pour détecter l'avion et déterminer son azimut (distance angulaire horizontale), l'autre balayant verticalement, dès qu'un avion a été signalé, pour en déterminer l'altitude. Aujourd'hui, les antennes radar sont souvent disposées en réseaux, avec pointage et coordination par ordinateur.

3.

Récepteurs

Un récepteur doit amplifier et mesurer un signal extrêmement faible à une fréquence extrêmement haute. Les amplificateurs mobiles ne pouvant remplir directement cette fonction, le signal est converti et amplifié par un circuit superhétérodyne à une fréquence intermédiaire d'environ 30 MHz. La fréquence très élevée du signal radar nécessite l'utilisation d'un oscillateur et d'un mélangeur de signaux avec une précision beaucoup plus élevée que pour les récepteurs radio ordinaires. Des circuits appropriés ont été mis au point, utilisant comme oscillateurs des tubes haute puissance à hyperfréquences : les klystrons. La fréquence intermédiaire est amplifiée de manière classique. Le signal est ensuite envoyé dans un ordinateur.

4.

Traitement informatique

La plupart des radars modernes convertissent les signaux analogiques reçus en une séquence de signaux binaires au moyen d'un convertisseur analogique-numérique. Les nombres sont traités par ordinateur pour extraire les informations concernant la cible. Au préalable, les signaux issus d'objets qui n'intéressent pas l'utilisateur sont éliminés par un filtre VCM (Visualisation des Cibles Mobiles). Le signal est ensuite réduit en éléments de fréquence distincts au moyen d'un transformateur de fréquence. Enfin, lorsque les signaux issus de plusieurs impulsions sont combinés, la détection de la cible est déterminée par le processeur de taux constant d'alertes erronées.

Les systèmes radar dont la fonction principale est de détecter des cibles doivent en indiquer la présence ou l'absence. En cas de présence d'une cible, le radar va soit la détecter correctement, soit la manquer. S'il n'y a pas de cible, le radar peut indiquer qu'aucune cible n'est présente, ou désactiver une fausse alerte. Le processeur de taux constant d'alertes erronées doit optimiser la part des détections effectives par rapport aux fausses alertes.

5.

Les écrans radar

Les écrans radar modernes ressemblent à des terminaux de jeux vidéo complexes. La détection, la vitesse et la position de la cible peuvent être superposées sur des cartes indiquant des routes ou d'autres points de repère marquants. Certains radars, embarqués sur des avions ou des satellites, traitent les échos de sol et affichent une image haute résolution de la surface terrestre. Les objets de la taille d'un camion sont souvent détectables à grande distance, même la nuit, par temps pluvieux. La plupart des progrès récents dans le domaine des écrans et des traitements de signaux radar résultent des progrès réalisés en informatique et en électronique.

6.

Le modulateur d'impulsions

Un radar classique comporte un autre élément important : le modulateur d'impulsions. Ce dispositif fournit continûment au magnétron de l'émetteur des impulsions présentant les caractéristiques requises en tension, en intensité, en durée et en espacement. L'impulsion doit commencer et s'arrêter brusquement, mais l'intensité et la tension ne doivent pas varier sensiblement pendant l'impulsion.