Introduction aux RADARS Annick PLAGELLAT‐PENARIER annick.plagellat@univ‐montp2.fr Master 2 EEA 2015‐2016 2 Plan du cours Propagation des ondes électromagnétiques Historique, principe et applications Classement des radars Equation radar Radar à impulsions Radar Doppler Radar FMCW Détection radar Radars spécialisés 1 Propagation des ondes électromagnétiques Propagation des ondes EM 4 Equation de Maxwell La propagation d’une onde EM caractérisée par la propagation d’un champ électrique et d’un champ magnétique. 4 équations de Maxwell dynamiques relient localement les divergences et rotationnels des champs électrique et magnétique aux champs électrique et magnétique eux‐mêmes, ainsi qu’aux sources de charges et de courants statiques ou dynamiques. Dans le vide : (1) Maxwell - Gauss (2) (3) Maxwell - Faraday (4) Maxwell - Ampère 0 = 1/(36109) et µ0 = 410-7 2 5 Propagation des ondes EM Ondes électromagnétiques Ces équations admettent des solutions complexes, combinaisons linéaires de fonctions du type Onde plane : grandeur physique oscillant avec la fréquence f = /2 et se propageant dans la direction du vecteur d’onde k avec une vitesse de propagation c = / | k |. La quantité s’appelle la pulsation de l’onde. Double périodicité dans le temps et dans l’espace. T=1/f = 2| k | La période temporelle T =1/f. La période spatiale ou longueur d’onde est inversementtemps proportionnelle au module du vecteur d’onde = 2|k |. espace 6 Propagation des ondes EM Une source ponctuelle qui émet de façon isotrope dans l’espace donne une onde sphérique. Tous les points à égale distance de la source sont sur la même surface d’onde sphère A distance de la source et localement, la surface d’onde est considérée comme un plan Onde plane Aspect énergétique La puissance P transportée par un champ électromagnétique à travers une surface S est le flux du vecteur de Poynting : Densité de puissance à une distance d de la source ponctuelle 3 Historique, principe de fonctionnement et applications 8 Définition RADAR : Radio Détection And Ranging Radio : Electromagnétique Détection : cibles utiles And : simultanément Ranging : localisation en 4 dimensions Instrument d’alerte et de mesure Paramètres importants: Précision, incertitude, résolution Volume surveillé, cadence 4 9 Historique (1) 1864 : James Clerk Maxwell décrit les lois de l’EM. 1889 : Heinrich Rudolf Hertz : les ondes EM sont réfléchies par les surfaces métalliques. XXe siècle, plusieurs inventeurs, scientifiques, et ingénieurs ont contribué au développement du radar: Développement de la radio et de la TSF (par Marconi), donc des antennes. 1904, le dépôt du brevet du « Telemobiloskop » : possibilité de détecter la présence de bateaux dans un brouillard très dense ==> RAD (radio détection) mais pas le AR. Années 1920 : expériences de détection avec des antennes. 1934 : essais sur des systèmes de détection par ondes courtes en France par la CSF (16 et 80 cm de longueur d'onde). Un brevet est déposé. C'est ainsi que naissent les « radars » à ondes décimétriques. 1935 : premier réseau de radars commandé par les Britanniques suite à un brevet déposé par Robert Watson‐Watt (l’inventeur dit « officiel » du radar). 10 Historique (2) Radar était quasiment prêt dans sa forme actuelle à l'aube de la Seconde Guerre mondiale. Les radars aéroportés développés pour possibilité de bombardements et à la chasse de nuit. Expérimentations sur la polarisation. Les opérateurs ont constaté la présence d'artéfacts bruit dans les images (pluie, neige, etc.) ==> des radars météorologiques après la fin des combats. premières techniques de brouillage et de contre‐mesures électroniques. Depuis utilisation des radars dans de nombreux domaines allant de la météorologie à l'astrométrie en passant par le contrôle routier et aérien. Dans les années cinquante, l'invention du radar à synthèse d'ouverture a pavé la voie vers l'obtention d'images radar à très haute résolution. 1965, Cooley et Tuckey (re)découvrent la transformée de Fourier rapide ==> traitements radar numériques utilisés aujourd'hui. 5 11 Historique (3) Depuis utilisation des radars dans de nombreux domaines allant de la météorologie à l'astrométrie en passant par le contrôle routier et aérien. Dans les années cinquante, l'invention du radar à synthèse d'ouverture a pavé la voie vers l'obtention d'images radar à très haute résolution. 1965, Cooley et Tuckey (re)découvrent la transformée de Fourier rapide ==> traitements radar numériques utilisés aujourd'hui. 12 Historique (4) Unité mobile Ce système a détecté l’attaque de Pearl Harbor 55 minutes avant le début (7 décembre 1941) Fréquence 106 MHz Longueur d'impulsion Entre 10 et 25 microsecondes Portée 250 km Dimensions 5 m de hauteur supporté par une base d'environ 2,5 m de largeur Puissance crête 8 kW en continu 100 kW en mode pulsé. 6 13 Principe de fonctionnement Ondes EM réfléchies par tout changement significatif des constantes du milieu traversé. Emission d’une onde puissante + Transmission par une antenne. Signal renvoyé avec amplitude très petite. Signaux reçus amplifiés Signal émis : Les ondes pulsées, où le radar émet une impulsion et attend le retour. Le radar à émission continue, où l'on émet continuellement à partir d'une antenne. Niveau du signal reçu dépend : Formes de la cible Sa nature Son orientation Synoptique 14 Emetteur : génère l'onde radio. Sur les radars à hyperfréquences (f>10GHz) : guide d'onde qui amène l'onde vers l'antenne. Duplexeur : dirige l'onde vers l'antenne lors de l'émission ou le signal de retour depuis l'antenne vers le récepteur lors de la réception Antenne diffuser l'onde EM vers la cible avec le minimum de perte.. Récepteur : reçoit le signal incident le fait émerger des bruits radios parasites, l'amplifie Un étage de traitement de signal permettant de traiter le signal brut afin d'en extraire des données utiles à l'opérateur 7 15 Fréquences utilisées Nom des plages de fréquences provient de la Seconde Guerre mondiale. Pour garder secret le développement de ce système, les militaires ont donné à ces plages des noms de code qui sont demeurés en usage depuis. Codes adoptés aux États‐Unis par le Institute of electrical and electronics engineers (IEEE) et internationalement par l’Union internationale des télécommunications. Choisie en fonction de l'application visée. Grande longueur d'onde (bandes HF) permettra de profiter des phénomènes de propagation et de rebond sur l'ionosphère). Seuls les objets dont la taille typique est au moins de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde sont visibles. Les bandes de fréquence civiles et militaires sont allouées de manière internationale au sein de la Conférence Mondiale des Radiocommunications 16 Fréquences utilisées 8 17 Applications Militaire : radars de détection et de surveillance aérienne au sol ou embarqués radars de veille surface sur navire de guerre identification radar (IFF) autodirecteurs de missiles brouilleurs radars satellites radar d'observation de la terre ; Aéronautique : contrôle du trafic aérien ; guidage d'approche d'aéroport ; radars d'altimétrie ; radars de navigation ; Applications 18 Maritime : radar de navigation ; radars anti‐collision ; balises radars ; Météorologie : détection de précipitations (pluie, neige, grésil, grêle, etc.) et de formations nuageuses. Circulation et sécurité routière : Contrôle de la vitesse des automobiles (cinémomètre). Radars de recul sur automobiles ; Radar fixe : Détection et mesure de vitesse jusqu’à 300 km/h Portée de l’ordre de 50 mètres Précision de vitesse de la classe ± 3 km/h 9 Classement des Radars 20 Plan du chapitre Radar monostatique et bistatique Radar primaire et secondaire Radar pulsé ou à onde continue Radar Imageur ou non‐imageur 10 21 Radar monostatique, bistatique Radar classique : radar monostatique Emetteur et Récepteur partagent une électronique et une antenne commune. Permet de réduire l'encombrement et les coûts de synchronisation entre l'émetteur et le récepteur. En contrepartie, seul le signal rétrodiffusé par la cible est reçu par le radar. Radar bistatique : Emetteur et récepteur séparés Possibilité de positionner l'émetteur et le récepteur à volonté permet d'explorer d'autres configurations de réflexion permettant d'augmenter le volume d'informations sur la cible. Utilisation d'une configuration bistatique demande une bonne synchronisation entre l'émetteur et le récepteur. Configuration multistatique : Un émetteur et plusieurs récepteurs 22 Radar primaire et secondaire Radar primaire : le signal hyperfréquence émis est réfléchis par la cible puis reçue par le radar même qui en est l'origine. L’écho de cette cible provient directement du signal émis par le radar. Intérêt principal: la cible qu'il éclaire reste passive. Radar secondaire : la cible qu'il éclaire génère (de façon active) les signaux de réponse. Il transmet un signal hyperfréquence. La cible est équipée d'un transpondeur qui les reçoit et les traite. Ensuite, sur une fréquence différente, le transpondeur met en forme et émet un message de réponse qui peut être reçu et décodé par notre radar secondaire. Cette réponse peut être l'altitude, un code d'identification, ou encore un rapport de problème à bord comme une panne totale des radiocommunications. 11 23 Radar primaire et secondaire Radar primaire : informations de direction, de hauteur et de distance de la cible, Radar secondaire : informations supplémentaires telles son identification ou encore son altitude. Radars secondaires : puissance émise plus faible. Pe : tient compte du trajet de l'onde aller et retour dans le cas du radar primaire, mais uniquement d'un « aller simple » dans le cas du radar secondaire. Puissance nécessaire < 1000 fois pour même portée. Emetteur plus simple, plus petit, et moins cher. Le récepteur peut être moins sensible. SSR : secondary surveillance radar est composé de deux éléments : une station sol interrogatrice et un transpondeur embarqué dans l'avion. Avantages du SSR : détermination de l'identité et de l'altitude, en plus de la distance et de l'azimut. Beaucoup moins sujet aux parasites que le radar primaire. Les inconvénients du SSR sont : Il ne convient pas à la surveillance au sol, à cause de la perte de précision introduite par le délai de traitement du transpondeur 24 Impulsions ou Onde continue Radars à impulsions Emettent des impulsions de signal hyperfréquence à forte puissance. Chaque impulsion suivie d'un temps de silence plus long que l'impulsion elle‐même Permet la mesure de la direction, distance, hauteur ou altitude Radars à onde continue Génération d’un signal hyperfréquence continu. Le signal réfléchi est reçu et traité Mesure de vitesse, de position 12 25 Imageurs ou non‐imageurs Un radar imageur donne une image de l'objet observé. Cartographie la Terre, les autres planètes, les astéroïdes et les autres objets célestes. Militaires : classification des cibles. Marine ou aviation civiles Non imageur Les cinémomètres radars Les altimètres. Equation Radar 13 27 Plan du chapitre Propagation des ondes radar Surface équivalente radar et furtivité Equation Radar Effets des différentes pertes sur la distance détectable Exercices 28 Propagation des ondes radar La présence du sol et de l'atmosphère modifie les performances du radar. Il faut tenir compte des ondes réfléchies par la surface terrestre, de la réfraction et de l'atténuation provoquées par le passage dans les couches atmosphériques. 14 29 Propagation des ondes radar Effet du sol : Il faut tenir compte de l'effet des ondes réfléchies par la surface de la Terre. Ces ondes peuvent arriver en phase avec l'onde directe et dans ce cas, elles viennent renforcer celle‐ci, mais elles peuvent aussi arriver avec une phase telle que l'interférence soit destructive. Effet de la courbure de la terre : la portée pratique est limitée à la zone optique. La distance maximale dmax à laquelle un objet situé à une hauteur H peut être vu depuis une antenne située à une hauteur h vaut : k 4/3 décrit l'effet de réfraction atmosphérique, R = 6366km. 30 Propagation des ondes radar Effet de la réfraction atmosphérique L'indice de réfraction de l'air diminue légèrement avec l'altitude Cette diminution est liée à la décroissance de la pression. Soit un milieu soit constitué de couches successives d'épaisseur ΔEi homogènes, caractérisées par leur indice de réfraction ni décroissant lorsque i croit. Descartes donne : provoque une légère courbure du trajet des ondes vers la Terre Erreur sur la position de la cible Augmentation effective de la portée du radar 15 31 Propagation des ondes radar 32 Propagation des ondes radar Effet de l'atténuation atmosphérique Les principaux absorbants des ondes radar dans l'atmosphère sont l'oxygène et la vapeur d'eau. La présence de gouttelettes d'eau ou de cristaux de glace va fortement augmenter l'absorption atmosphérique particulièrement aux plus hautes fréquences. La meilleure solution pour ne pas être trop gêné est de travailler à fréquence suffisamment basse pour que la longueur d'onde soit nettement supérieure au diamètre des particules : dans ces conditions, l'onde est peu atténuée et les particules sont en quelques sorte invisibles. 16 33 34 Surface Equivalente Radar La SER : propriété physique inhérente des objets indiquant l’importance relative de la surface de réflexion d'un faisceau électromagnétique qu’ils provoquent. Fonction de la forme de l’objet, de la nature de ses matériaux constitutifs ainsi que de la longueur d’onde, des angles d’incidence et de réflexion du rayonnement. Une cible de SER σ se comporte comme si elle captait σ fois la densité d'énergie dans la quelle elle est baignée et la réémettait de manière omnidirectionnelle. Influence sur la susceptibilité d’être détecté par un radar En anglais RCS : Radar Cross Section 17 35 Surface Equivalente Radar SER : comparaison du signal reflété par la cible avec le signal reflété par une sphère parfaitement lisse de section = 1m2 = Surface projetée x Réflectivité x Directivité Réflectivité : % de puissance rerayonnée Directivité : rapport entre la puissance rayonnée vers le radar et la puissance rayonnée par une source isotrope 36 Surface Equivalente Radar 18 37 Surface Equivalente Radar SER s’exprime aussi en dBsm : dB relatif à 1m2; par exemple 10m2 = 10dBsm 38 Surface Equivalente Radar SER : dépend fortement de f + f grand ==> + SER importante Détection des petites cibles avec des f élevées. 19 39 Furtivité But : diminuer la SER Pas l’invisibilité C’est la discrétion Ne pas être vu à temps Comment ? Modification des profils Utilisation de matériaux composites Kevlar Fibres de carbone Passivité Nouveau diminuer la STR : surface thermique radar Car visible par infra rouge 40 Furtivité 20 41 Equation Radar L'équation du radar est un bilan des puissances sur le trajet aller‐retour d'une onde émise. Elle fait intervenir les caractéristiques de : L’émetteur Le récepteur Les antennes d’émission et de réception La cible L’environnement 42 Equation Radar Notation et Rappels: Pt : Puissance transmise Radar impulsion : puissance crête Radar continu : puissance moyenne Pr : puissance reçue Gain d’une antenne : A : surface de l’ouverture de l’antenne : efficacité de l’antenne Ae : Surface effective de l’antenne Gt : gain de l’antenne de transmission Gr : gain de l’antenne de réception Pour commencer on suppose : Pas de désalignement de l’antenne (max en face de la cible) Pas de problème de dépolarisation Pas de perte atmosphérique Pas de désadaptation 21 43 Equation Radar Densité de puissance sur la cible avec antenne isotrope Pour une antenne directive Puissance ré‐emise par la cible Densité de puissance au niveau du radar Puissance reçue par le radar En remplaçant Aer par son expression 44 Equation Radar Si Gt = Gr = G (radar monostatique) Une forme de l’Equation Radar Si on note Si,min : puissance minimale détectable par le récepteur Rmax : distance maximale de détection 22 45 Equation Radar Pertes du système : Atténuations internes dans les circuits de l'émetteur et du récepteur. Typiquement, elles sont de l’ordre de 1 à 2 dB, pertes dues aux fluctuations de la surface équivalente, pertes dues au faisceau : dans l’équation du radar, on a supposé le gain de l’antenne constant, or ce gain varie pendant le balayage dont il faut tenir compte. Cette perte est de l’ordre de 1,5 dB Au total environ 10dB Clutter (tout objet qui génère des échos de retour parasites) Diminution de la distance minimale 46 Equation Radar Radar à impulsion avec n : nombre d’impulsions reçues par la cible durant son éclairement, dépend de Ouverture à 3dB de l’antenne (B) Taux de répétition : Tr Vitesse de rotation de l’antenne La détection est faite sur l’énergie reçue par toutes les impulsions Effet de « moyennage » Amélioration de la distance détectable 23 47 Portée maximale en présence de bruit Origines: internes (mouvement des électrons) et externes (captés par l’antenne), passives et actives. Bruit externe Bruit atmosphérique : il est généré par les perturbations atmosphériques (orage). Il est négligeable au‐dessus de 50MHz. Bruit solaire : il est généré par le soleil. Il augment avec le carré de la fréquence. Sa contribution aux fréquences radar est négligeable Reste négligeable Interne : Tous les composants électroniques surtout récepteur Plus la puissance du signal désiré est faible, plus il est difficile de le discerner du bruit (tenter d’entendre un murmure près d’une route encombrée est similaire). 48 Portée maximale en présence de bruit La capacité d’un radar à surmonter ces nuisances définit son rapport signal sur bruit (SNR) : plus le SNR est grand, plus le radar peut séparer efficacement une cible des signaux parasites alentour. 24 Equation radar 49 Qualité de la sortie d’un récepteur ==> Rapport signal à bruit S/N : Facteur de bruit 50 Equation Radar avec Si = Si,min ==> On obtient Radar : + S/N grand ==> + probabilité de détection 16dB ==> 99,99% de détection 25 Conclusion 51 La portée du radar est proportionnelle à l’énergie du signal émis à la surface équivalente de la cible. Le choix de la fréquence affecte les paramètres suivants : Dimension : plus la fréquence est élevée, plus la dimension est petite Puissance émise : plus facile pour les fréquences basses Grand gain implique des fréquences élevées Moins de pertes pour les fréquences basses Bruit : faible dans la bande 1‐10 GHz La polarisation affecte : La réflexion sur le terrain La SER des cibles 52 Exercice Exercice :Un radar à impulsions émet une puissance crête Pe = 1MW à une fréquence de 3GHz. Son antenne a un gain de 40dB. Un avion de SER = 10m2 se trouve à une distance de 100km. Déterminez successivement : 1) la densité de puissance reçue par l'avion ; 2) la puissance totale re‐rayonnée par l'avion ; 3) la densité de puissance rétrodiffusée au niveau du radar ; 4) la puissance captée par l'antenne du radar. 26 53 Exercice Un radar à impulsion à 35GHz est utilisé pour détecter des débrits de l’espace avec un diamètre de 1cm (RCS = 4,45x10‐ 5m2) . Ces paramètres sont les suivants. Pt = 2000kW G = 66dB B = 250MHz F = 5dB T= 290K (S0/N0)min = 10dB L = 10dB n=10 Calculer la distance maximale de détection en utilisant les paramètres Radar à Impulsions 27 Plan du chapitre 55 Introduction Principe du radar à impulsions Premier Radar à impulsions Critères de performances Synoptique d’un système Radar à impulsions Introduction 56 A l'origine, détection d'objets par mesure des évolutions du signal quand un obstacle extérieur venait modifier le couplage entre 2 antennes. Détection mais pas localisation Radar à impulsions = mesure de distance. Pour mesurer la distance d’un objet : Emission d’une courte impulsion, Mesurer le temps aller‐retour 28 Principe du Radar à Impulsions 57 Soit une cible à une distance R Envoi d’une impulsion de quelques µs () avec une période Tp Propagation à la vitesse de la lumière Retour après tR (temps aller‐retour) Distance : Caractéristiques du radar : Rapport cyclique (duty cycle) Largeur de l’impulsion (pulse width) Fréquence de répétition 1/Tp (PRF : pulse repetition frequency) Puissance moyenne 1° Radar à Impulsions 58 Basé sur l'utilisation d'un oscilloscope Plaques de déviation horizontale : signal en dent de scie de période Tr Plaques de déviation verticale : signal reçu Position du spot Horizontal : proportionnel au temps écoulé donc la distance Dérivation verticale : présence d’une cible 29 1° radar à impulsions 59 Mesure d’angles On retiendra pour ce cours Critères de performances 60 Pouvoir discriminateur Distance en deçà de laquelle on ne peut séparer 2 cibles 2 cibles séparées de D ==> T = 2D/c Si T > ==> échos séparés Si T < ==> échos mélangés ==> pas de distinction Pouvoir discriminateur D = c/2 30 Critères de performances 61 Pouvoir discriminateur angulaire Utilisation de la directivité des antennes 2 objets peuvent être séparés s’ils ne se trouvent pas en même temps dans le lob principal de l’antenne Plus le faisceau radar est étroit, meilleure sera la séparation angulaire Critères de performances 62 Volume de confusion : domaine d’espace à l'intérieur duquel deux cibles ne peuvent pas être distinguées. Définis à partir de 3 paramètres, pouvoirs discriminateurs En distance En site ou élévation s: (de haut en bas), plan vertical de même direction que la direction de propagation relatif à une position géographique. gisement g : (de droite à gauche) plan horizontal relatif à une position géographique. 31 Critères de Performances 63 Distance aveugle Même antenne émission et réception de l'écho. Le récepteur est bloqué pendant l'émission de l'impulsion. Si un écho revient avant l'écho ne sera pas détecté. Distance aveugle : distance en deçà de laquelle le radar est incapable de détecter un objet. Elle dépend de la durée de l'impulsion et du temps de récupération : Ambiguïté en distance La portée maximale due à la fréquence de répétition : Portée réelle est due à la puissance d’E, S/B, pertes … 64 Critères de performances Soit un radar avec les caractéristiques suivantes fp = 1/Tp = 7500Hz Tp = 133µs 20km = 10µs = 0,2m Soit une cible à 25km L'écho revient après 167µs La cible est située à 25100m (T = 167μs) ou 5100m (T = 34μs). On dit que la mesure de la distance présente une ambigüité de 20km. Remarque En pratique : ambigüité en distance > à portée réelle. Mais si SER importante ou si conditions de propagation très favorable apparition du problème 32 65 Exercice Exercice : Un radar émet un signal de 400kW avec un gain de 72dB à 8,5GHz vers Ganymède, un des satellites de Jupiter. Le signal réfléchit revient 1 heure et 7 minutes après l'émission. Le diamètre de Ganymède est de 2635km et sa réflexion en puissance est égale à 12% de celle d'une sphère métallique. a) A quelle distance du radar se trouve Ganymède ? b) Quelle est la longueur d'onde du signal émis par le radar ? c) Quelle est la surface équivalente radar de Ganymède ? d) Déterminer la puissance du signal reçu. Exercice 66 Un radar pulse possèdent les paramètres suivants Puissance émise Pt = 1kW ; Fréquence du signal = 30GHz ; T° = 290K ; Fréquence de répétition = 100kHz ; Largeur du pulse = 0,05µs ; Gain de l'antenne =10dB ; Pertes du système L = 10dB ; Facteur de bruit = 6dB; SER = 30m2 ; k = 1,38 10‐23 J/K ; (S0/B0)min = 15dB, B = bande passante = 20MHz Calculer l'ambiguïté en distance de ce radar. Quelle est la distance maximale détectable par ce radar. Comparer les deux distances et commenter ces résultats. 33 Le Radar Doppler à onde continue Plan du chapitre 68 Effet Doppler‐Fizeau Principe du radar Doppler Calcul de la vitesse d’un mobile Ambiguïté en vitesse Exercices 34 Effet Doppler‐Fizeau 69 Effet Doppler‐Fizeau: décalage de fréquence d'une onde acoustique ou électromagnétique l’émission et la réception lorsque la cible bouge. Doppler a montré le phénomène pour les ondes sonores en 1842 Fizeau a montré le phénomène pour des ondes électromagnétiques en1848 On parle d’effet Doppler La sirène d'un véhicule est différente selon que le véhicule se rapproche du récepteur (le son devient plus aigu) ou qu'il s'éloigne (le son devient plus grave). 70 Principe du Radar Doppler Principe Contrairement aux radars à impulsions le radar doppler est un radar à ondes continues ou radar CW (Continuous Wave). Un mobile situé à l'instant d'origine à une distance D0 du radar et qui se déplace à la vitesse vd produit un temps de trajet + : cible s’éloignant ‐ : cible se rapprochant Expressions mathématiques Signal émis: Signal reçu: + : approche ‐ : éloignement 35 Principe du Radar Doppler 71 Vitesse radiale Déplacement de la cible avec un angle ==> la vitesse mesurée : projection sur la radiale au radar, soit la vitesse réelle fois le Cosinus de l'angle Vitesse réelle : 0 pour un déplacement perpendiculaire 1 pour un déplacement vers le radar. 72 Synoptiques 36 Radar Pulse Doppler 73 VCM : Visualisation des Cibles Mobiles MTI : Moving Target Indicator Radar Pusle 74 Le récepteur du radar classique traite une impulsion unique avec : f et A constantes, connue Toute l’information utile est dans le spectre Discrimination en distance fixée par Discrimination en vitesse : Impossible de discriminer ≠de fd telle que fd < 1/ Donc discrimination de vitesse telle que fd > 1/ Exemple : = 10cm et = 4µs fd =250 kHz vd = 12,5 km/s = 45000 km/h !!!!!!!!!! 37 Radar Pulse Doppler 75 Pour avoir accès à la vitesse augmenter la durée de mesure Radar Pulse Doppler : le traitement est fait sur n impulsions cohérentes Largeur du spectre : 1/ Spectre de raies de largeur 1/nTr Exemple : = 10cm et nTr= 4ms fd =1/nTr = 250 Hz vd = 12,5 m/s=45km/h Ambiguïté en vitesse 76 Soit Radar pulse doppler avec Fréquence de répétition du pulse fr Fréquence du signal f0 fd : fréquence Doppler Spectre du signal traité par le récepteur f0 f0 +fr – fd f f0 +fr Si fd = fr/2 ==> ambiguïté en vitesse 38 Radar Pulse Doppler 77 En pratique : Il faut choisir entre ambiguïté en vitesse et ambiguïté en distance On confond 2 cibles avec D = cTr/2 On confond 2 cibles avec vr = /2Tr = 3cm et fr =50kHz vd = 750 m/s et D = 3km = 3cm et fr =1kHz vd = 15 m/s et D = 150km Exercices 78 Exercice 1:Un radar Doppler de contrôle de vitesse automobile, émet des ondes à F = 24,125GHz et avec une fréquence de répétition F0 = 30kHz. L'angle Doppler α entre l'axe du faisceau radar et l'axe de déplacement des véhicules mesurés est égal à 25°. a) Quelle est la longueur d'onde du signal émis ? b) Quelle est la vitesse maximale mesurable par ce radar ? c) A quelle vitesse correspond une fréquence Doppler mesurée égale à 5277Hz ? Donner le résultat en km/h. Exercice 2 :Un radar doppler émet un signal à 9 GHz. Quelle est la fréquence doppler produite : a) par un avion volant à 820000m/h dans la direction du radar, b) par une voiture roulant à 120km/h dans la direction du radar, c) par une voiture roulant à 33,3m/s dans une direction faisant un angle de 10° avec la direction du radar. 39 Exercices 79 Exercice 3 :Un radar aérien Doppler de contrôle d'approche émet une onde électromagnétique de fréquence F = 3GHz. La durée des impulsions émises est égale à 1µs et la période de répétition T0 est de 100µs. a) Quelle est la longueur d'onde du signal émis ? Quelle est la fréquence de répétition du pulse? b) Quelle est la distance maximale mesurable par ce radar? c) Quelle est la vitesse maximale mesurable par ce radar ? d) Quelle est la distance aveugle de ce radar? e) Deux avions en cours d'atterrissage se suivent avec un écartement de 120m. Que voit le contrôleur aérien et pourquoi? Radar FMCW 40 Principe du Radar FMCW 81 Fréquence d'émission est modulée linéairement. Communément appelé chirp (« gazouillis ») Par définition chirp : un signal pseudo‐périodique modulé en fréquence autour d'une fréquence porteuse Un son modulé linéairement en fréquence imite le chant d'un oiseau Il permet la mesure de distance. 82 Principe du Radar FMCW Détermination de R : Taux de modulation : fm Gamme de modulation : f Fréquence mesurée fR On a : fR=fb=f1‐f2 On en déduit Donc comme alors 41 83 Synoptique 84 Altimètre 42 Différences Radar pulse et FMCW FMCW : 85 Pulse : Courte distance Radar imageur et non imageur Avantages : Longue distance Radar imageur Avantages : Simplicité de mise en œuvre, Pas de distance aveugle, Résolution Portée maximale Inconvénients : Inconvénients : Mise en oeuvre, Distance aveugle, Portée maximale Résolution Applications : altimètre, radar anticollision,… Applications : radar météo, radar maritime, …1 86 Exercice Soit un radar FMCW ayant les caractéristiques données dans la figure ci‐dessous : Déterminer la distance de la cible si la fréquence IF est de 25MHz et de 10MHz. 43 Détection radar Plan 88 Notion de filtrage Radar à corrélation Radar à compression d’impulsions La détection radar 44 Notion de filtrage 89 Problématique de la détection radar Filtrage du signal : Assurer la meilleure visibilité du signal dans le bruit , Meilleures performances de pouvoir séparateur et de précision. Traitement final seuil pour ne laisser passer que les signaux utiles Echos faibles pouvant ne pas être sélectionnés, Risque de « fausse alarme » Filtrage non optimal 90 Le spectre du signal impulsionnel = infini filtrer le signal avec un filtre de largeur limitée pour optimiser le rapport signal / bruit En diminuant la largeur de bande, on réduit la puissance de bruit, mais on dégrade le signal, En augmentant la largeur de bande, on augmente la qualité du signal, mais on augmente la puissance de bruit. Les calculs montrent que le rapport signal sur bruit passe par un maximum pour une largeur de bande : f=1,2 45 91 Filtrage optimal Filtre qui maximise le rapport signal / bruit (S/B): filtre adapté DSP : b (bruit blanc) hi(t) Hi(f) ∆ B(f)= Filtre : F(f) B : puissance moyenne de bruit ho(t) Ho(f) / ∆ =cte; dB(f) = variation de B = b(f).df=b|F(f)|² df b|F(f)|² df : sur f>0 car on ne considère que le spectre réel |F(f)|² df S= puissance moyenne = ho²(t)/2 et D’où Max en t=0 si Hi(f)F(f) est réel car toutes les composantes seront en phase et les amplitudes s’ajouteront Arg{Hi(f)}=‐Arg{F(f)} 92 Filtrage optimal S/B 0 df et /2 Meilleur filtre est celui qui suit le plus fidèlement le spectre du signal : atténue ces parties faibles et atténue peu les parties importantes |F(f)|=|Hi(f)| et Arg{Hi(f)}=‐Arg{F(f)} F(f)=Hi*(f) ² ² or Théorème de Wiener Kitchin : = = E donc max ∗ é Donc TFI de |Hi(f)|² = Fonction d’autocorrélation ho(t) idéal est le résultat de la fonction d’autocorrélation du signal avant le filtre 46 Filtrage optimal 93 Le récepteur optimal est une corrélation entre l’observation x(t) et la conjuguée d’une copie du signal émis conservée jusqu’à l’instant t0 d’observation Résultat intercorrélation : Triangle Radar à corrélation 94 Problème : Pour augmenter la résolution, il faut diminuer la durée de l'impulsion. S/B augmente avec la largeur de l’impulsion Pour bonne détection: il faut impulsion longue ==> ??????? 47 Radar à compression d’impulsions 95 But : concilier une grande portée et une bonne résolution Le principe : Impulsion très courte envoyée à l'entrée d'une ligne dispersive. Impulsion avec spectre de fréquences très étendu, Ligne dispersive apporte un retard variable Sortie de la ligne dispersive, les fréquences de l'impulsion seront donc étalées dans le temps. A la réception,il faut utiliser une ligne dispersive complémentaire qui présente une caractéristique inverse de la ligne dispersive d'émission. L'impulsion est alors comprimée dans le temps. Radar à compression d’impulsions 96 Le signal reçu n’a pas changé de caractéristique, seul le signal émis a été allongé. SAW : Surface Accoustic Waves RAC : Reflectory Array Composants 48 Radar à compression d’impulsions 97 Autre solution : Générer un signal “chirp” Bande de fréquence f centrée sur f0 modulé par une porte. Réception : intercorrélation Résultat intercorrélation Sinus cardinal Largeur 1/ f Centré sur tr Radar à compression d’impulsions 98 49 Radar à compression d’impulsions La détection radar 99 100 Décisions concernant la présence ou non d’une cible dans un volume d’espace donné à un instant donné. Décision : comparaison entre le signal reçu et un seuil. trop haut, des cibles ne seront pas détectées, trop bas, un pic de bruit peut donner lieu à une fausse alarme 50 La détection radar 101 Pfa densité de proba : loi de Rayleigh Pfd pour une cible non fluctuante densité de proba loi de Rice La détection radar 102 Le taux de fausses alarmes dépend de l’intensité du signal provenant des interférences, du bruit de l’environnement, des échos parasites et des brouillages électroniques. Près du radar, les échos fixes, comme les échos de sols ou les émetteurs radio, sont généralement plus intenses que le bruit de fond. À plus grande distance, c’est le bruit de fond ambiant qui devient le contributeur majeur. Comme l’équation ne tient pas compte de cette dépendance, un filtre bien réglé à grande distance peut donner un haut taux de fausses alarmes à faible distance du radar. Pour maintenir un taux de fausses alarmes constant, il faut créer un seuil qui s’adapte à cette variation : c’est le rôle du circuit CFAR (Constant FalseAlarm Rate). Ce seuil est calculé en permanence. 51 La détection radar 103 Le principe de ce traitement est que lorsque du bruit est présent, il sera assez homogène spatialement et temporellement dans la région d’intérêt Radars spécialisés 52 Plan 105 Radar panoramique ou radar de veille Radar SAR Radar à balayage électronique Radar météorologique Radar de poursuite Radar panoramique 106 Le plus utilisé Il explore l'espace qui l'entoure et détecte les cibles qui s'y trouvent. Il utilise une antenne qui tournent régulièrement autour de son axe. Contraintes : L'espace surveillé, doit être maximum. Le faisceau doit être large et adapté de manière à couvrir la surface la plus importante. La résolution angulaire doit être la plus faible possible dans le plan de gisement. Cela est possible si l'aérien est de grande dimension horizontale devant la longueur d'onde. 53 Radar panoramique 107 Espace exploré : Forme torique Exploration effectuée de manière régulière. Les vitesses de rotation d'antenne sont de l'ordre de 6 tours/min pour les radars longue portée et 12 à 15 tours/min pour les radars moyennes portées, jusqu'à 60 tours/min pour courte portée. Visualisation du signal radar sur un scope PPI : Panoramic Plane Indicator Radars de contrôle aérien 108 Radar d'atterrissage Radar primaire Plupart des aéronefs ont leurs propres moyens d’atterrissage sans visibilité utilisant le procédé ILS (Instrument Landing System ) seul ou en association avec d’autres moyens (inertie, sonde altimétrique). L’utilisation d’un radar sol spécialisé, le GCA (Ground Control Approach ) permet de réaliser cette même fonction avec un avion doté seulement de la radio et guidé par un contrôleur au sol. Ce radar doit alors mesurer simultanément le site, l’azimut et la distance de l’aéronef, par rapport à son point de posée. La solution retenue est celle d’un radar à deux antennes l’une en site l’autre en gisement, reliées cycliquement au même émetteur‐ récepteur . 54 Radar d’atterrissage 109 Chaque antenne a des ouvertures adaptées au volume à explorer de telle manière que le volume analysé soit d’environ – 1 + 16° en site, ± 30° en gisement. Tout objet se présentant dans ce volume est vu par l’un des deux aériens. Lorsqu’il se rapproche de l’axe, il est alternativement vu par les deux aériens. Le balayage des deux aériens est visualisé sur le même écran, ce qui permet un guidage complet de l’aéronef. Radar d’atterrissage 110 55 Radar SAR 111 Radar SAR : Synthetic Aperture Radar En français : radar à synthèse d’ouverture Radar imageur Mono‐statique ou multi‐statique Il effectue un traitement des données reçues afin d'améliorer la résolution azimutale. Le traitement effectué permet d'affiner l'ouverture de l'antenne. On parle donc de synthèse d'ouverture. Ouverture de l’antenne est grande A opposer aux "radars à ouverture réelle" (RAR ou real aperture radar en anglais) pour lesquelles la résolution azimutale est simplement obtenue en utilisant une antenne d'émission/réception possédant un lobe d'antenne étroit dans la direction azimutale. Outil de cartographie de la surface de la terre et de la mer Radar SAR 112 L'antenne du radar est fixée sur une face latérale d'un porteur Comme le radar se déplace, le même point est illuminé plusieurs fois, on obtient une série de données pour chaque point sous le radar (module et phase). En combinant la variation d'amplitude et de phase de ces retours, le traitement de synthèse d'ouverture permet d'obtenir des images des zones observées comme si on utilisait une large antenne à très grande résolution Le traitement se fait par transformée de Fourier, il est en général calculé en postraitement ou en traitement à distance par un ordinateur puissant. 56 Radar à balayage électronique 113 Radar qui utilise une antenne constituée d'antennes élémentaires alimentées avec des signaux dont la phase est ajustable Le déphasage de l'émission entre chacune des ouvertures permet de recréer électroniquement un diagramme similaire à une antenne parabolique. En variant le déphasage, on change la direction sondée et on peut ainsi balayer selon la verticale et l'horizontale sans avoir à faire bouger l'antenne. Balayage beaucoup plus rapide qu’un système mécanique Très utilisé en défense navale et aérienne Radar à balayage électronique 114 Radar américain Anti‐missile Installé en Alaska 57 Radar météorologique 115 Radar à impulsions, impulsions de très courte durée suivi d'un temps mort beaucoup plus long pour « écouter » les échos de retour venant des précipitations. Polarisation horizontale But : repérer la position, l'intensité et le déplacement de ces dernières. Radar de poursuite 116 Il mesure les coordonnées d’une cible et délivre les informations qui sont utilisées pour déterminer sa trajectoire et prédire sa position future : distance, site, azimut, fréquence Doppler Tous les radars peuvent être considérés comme des radars de poursuite. On désigne sous le nom de radars de poursuite ceux qui peuvent effectuer cette opération en temps réel et avec une précision suffisante Ils sont divisés en deux catégories : Continue: mesurent sans interruption les coordonnées d’une cible (ou d’un faible nombre) placée dans le champ de leur antenne ; Discontinue (Track ‐ While ‐ Scan) : permettent la poursuite simultanée de plusieurs cibles. 58 Radar de poursuite 117 Utilisation : contrôle des trajectoires d’engins sol‐air ou air‐air d’interception, lanceurs de missiles ou de satellites, détermination des trajectoires d’avions, de missiles, de satellites dans des buts divers : interception, alerte, établissement d’éphémérides. L’aérien : circulaire, lobe étroit, symétrique, et de révolution. But : ramener le faisceau dans la direction radar‐cible par un mouvement du lobe d’antenne, soit mécanique soit électronique (commande de déphasage). Trois méthodes pour générer le signal d’erreur : Angulaire par scanning Angulaire par monopulse Position du lobe de l’antenne séquentielle Radar de poursuite 118 1° méthode : Angulaire par scanning rotation conique du lobe de l’antenne source de la parabole légèrement défocalisée animée d’un mouvement de rotation rapide (100 tours par seconde par exemple). L’axe décrit un cône d’ouverture θ0 , Si la cible est sur l’axe de symétrie, elle donne lieu à des échos d’amplitudes toutes égales. Si elle est décentrée d’un angle γ < θ0/2, les signaux reçus sont alors modulés sinusoïdalement en amplitude proportionnellement à γ et passent par un maximum 59 Radar de poursuite 119 Signal reçu k : coefficient d’erreur : angle du plan contenant la cible = 2 termes 120 Radar de poursuite 60 Radar de poursuite 121 2° méthode : Angulaire par monopulse Mesures angulaires en traitant séparément chaque impulsion de retour. Principe: si on considère mesure dans une seule dimension Envoie un pulse sur 2 antennes décalées Mesure la différence et la somme entre les deux signaux de retour 122 61 Radar de poursuite 123 Différence de phase entre les deux trajets 124 Radar de poursuite 62 Radar de poursuite 125 3° méthode : Position séquentielle du lobe de l’antenne Méthode équivalente à la 1° méthode L’antenne commute entre deux positions Mesure de la différence entre les deux signaux reçus La signe donne la direction de déplacement de l’antenne Radar de poursuite 126 Comparaison 1° et 3° méthodes nécessitent plusieurs pulses pour avoir un calcul précis de la position Fluctuation de la SER des cibles influence la mesure 2° méthode : architecture du radar plus compliquée 1° méthode : la plus utilisée 63 127 http://radars‐darricau.fr/livre/1‐Pages/Sommaire.html 64