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CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT DES CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT DES RADARSRADARS
INTRODUCTIONINTRODUCTION
Radiocommunication et détection
Le principe général d’une liaison de Le principe général d’une liaison de RadiocommunicationRadiocommunication
Système récepteur
Système émetteur
Message d’information
Message d’informat
ionSignal
Bruit
Rapport S/B
Le pb ??? Transmettre un message entre deux points (un signal modulé)
La qualité de récupération du message est mesurée par :
)(2
)(2
10log10
tB
tS
R
En détection, les méthodes, moyens de traitement, principes et systèmes sont identiques à ceux employés en télécommunication mais la nature du problème considéré est très différente.
Le signal émis interagit avec un obstacle et donne lieu à la formation d ’un signal secondaire « ECHO »
Les principales structures d’émission rencontrées sont les suivantes :
interaction
OBSTACLE
Signal non chargé d’information
ECHO
SYST EMET
SYST RECEPT
1er cas : Systèmes mono statiques (=0)
interaction
OBSTACLESignal non chargé d’information
ECHO
SYST EMET
SYST RECEPT
2ème cas : Systèmes bistatiques
OBSTACLE
Signal non chargé d’informationSYST EMET
REC 1
1
REC 2 REC N
2
N
………..
ECHO 1
ECHO 2
ECHO N
Centre de gestion et
d’exploitation des
données
S1
S2
SN
3ème systèmes multistatiques
Comparaison entre les différents systèmesComparaison entre les différents systèmes
* Le monostatique est le plus simple
* Le multi - statique est complexe mais il est efficace
La détection Identification
Calcul du signal ECHO relève de la théorie de DIFFRACTION
Théorie générale de diffraction nécessite :
- Nature de l ’obstacle « Difficile » !!!
Très faible énergie complexité
Deux points de vue peuvent être adoptés
A- Détection pureA- Détection pure
On cherche seulement à détecter la présence de l ’écho dans le bruit (dans le récepteur)
Si l ’écho est identifié l ’obstacle est détecté
En pratique : S/B est très faible Pd et Pfa
Pd et Pfa sont définies à partir d ’un seuil k
Conclusion
- Pour un rapport S/B donné
- ayant fixé Pfa, on peut calculer Pd
Bruit
Signal
Seuil
S/B
Pd
Pfa
en relation
0,10
0,30
0,40
0,50
0,05
0,20
0,35
0,700,720,80
0,90
0,95
0,98
0,99
0,995
0,998
0,999
4 6 8 10 12 14 16 18
10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11
10-12
10-3
S/B
Pd
Courbes de détection pour une cible non fluctuante
Conclusion :
Si l ’obstacle est détecté, on mesure ensuite :
* Sa distance (retard de l ’écho/signal émis)
* Sa direction : (,), et : direction de l ’antenne
* éventuellement sa vitesse radiale dr
B- Reconnaissance d ’obstacleB- Reconnaissance d ’obstacle
1- Par identification à un catalogue
Comparaison des paramètres extraits avec un catalogue après détection
2- Par reconnaissance des formes
Analyser le signal écho et chercher à extraire des informations sur l ’obstacle : grosseur, forme détaillée, nature des matériaux constitutifs
3- Par imagerie
On envisage que les systèmes RADAR
RARAdio dio DDetection etection AAnd nd RRanginganging
RADAR est un appareil qui permet de :
* Détecter la cible
* Préciser sa distance R et sa direction (,)
* Mesure de sa vitesse (Effet DOPPLER )
* Exploitation fine du signal pour « Reconnaissance des formes »
A- Détection de la cible : S/B, Pfa et Pd
B- Mesure de la distance R
C
Rt 2
2
tCR
D ’ou
Emetteur
RécepteurR
(,)
Cible
C-La mesure de direction est donnée par l’axe de l’antenne, en supposant celle-ci très directive.
3dB
l
: ouverture en degrés à mi-puissancel : dimension d’antenne en mètres : longueur d’onde en mètre
l
70
ExempleExemple : pour =20cm (1,5 GHz) et l=14m, on a =1°pour =3cm (10GHz) , on obtient aussi =1° avec l=2,1m seulement.
Schéma le plus simple d ’un RADARSchéma le plus simple d ’un RADAR
Emetteur
Récepteur
Indicateur
Antennes
Duplexeur
Récepteur
Indicateur
AntenneEmetteur
Inconvénient du montage N°1Inconvénient du montage N°1
- Nécessité de deux antennes
- Difficultés de pointage simultané des deux antennes
Solution
Utilisation d ’un DUPLEXEUR
Indicateur : appareil qui présente les informations du radar
Duplexeur : aiguilleur électronique (alternat)
L ’émetteur : se compose de deux parties:
- le ou les étages hyperfréquences
- le modulateur qui fournit à l ’étage de puissance l ’énergie nécessaire à son fonctionnement
Utilisation des radars :
- Capteurs, indicateurs de présence ou de vitesse, contrôle du trafic, détection et inventaire des ressources naturelles, détection de pollution, météorologie, …..
Les RADARS sont classés en deux catégoriesLes RADARS sont classés en deux catégories
Radars à impulsions Radars à ondes continues
Pulse radar C.W radars
Signal de fréquence f0 Emetteur
f0
TR
Duplexeur
Vers RécepteurSignal impulsionnel
A
0
TR
-Principe-
LE RADAR A IMPULSIONSLE RADAR A IMPULSIONS
TRTR
t
L ’émetteur envoie des impulsions brèves (qcq nano-secondes à qcq centièmes de secondes)
: la durée des impulsions
TR : la période de répétition
Les grandeurs importantes à considérés sont :Les grandeurs importantes à considérés sont :
1- La puissance crête
2- L’énergie contenue dans une impulsion émise
3- La puissance moyenne émise
4- La longueur d’onde utilisée :
5- La sensibilité
6- Distance Aveugle
7- Distances Ambiguës
1- La puissance crête Pc : c’est la puissance émise pendant l’impulsion de durée . QcQ W <Pc <MW
2- L’énergie contenue dans une impulsion émise
.cPw
En pratique, peut varier de 100ns à 10µs environ.
3- La puissance moyenne émise
RT
w
RT
cPmP
RTRf
1
fR est généralement comprise entre 100Hz et quelques dizaines de KHz. Pm peut varier de quelques mw à quelques Kw.
4- La longueur d’onde utilisée :
quelques mètres a quelques mm
5- La sensibilité
La puissance du signal reçu qui conduit à une valeur donnée (souvent 3 dB) du rapport S/B en sortie du récepteur.
A- Soit f la L.B du récepteur et T la température absolue. T0=290 K Le bruit qui prend naissance dans le récepteur est du type blanc et gaussienblanc et gaussien.
fkTBeP
Si le récepteur était parfait, et de G en sortie une puissance :
BsPfGkTBeGP
En pratique, on a : fGFkTBsP
F est le facteur de bruit du récepteur F>1
Tout ce passe comme si on avait un bruit (F-1)PB supplémentaire à l’entrée du récepteur supposé parfait).
+
(F-1)PBe
PBe
FGPBe=PBs
FGPBePBe Récepteur parfait de
gain G
Récepteur de gain réel GFacteur de
bruit F
FPB=FkTf
b-Si on ajoute un signal S, de puissance PS à l’entrée du récepteur, le rapport S/B en sortie est :
FfkTSP
BePFG
SPG
B
S
...
.
Alors, la sensibilité est la puissance PS un signal qui conduit à une valeur donnée de S/B jugée limite pour la détection. Appelons (S/B)0 cette valeur.
0)/.( BSfFkTSP
Exemple : pour un récepteur de largeur de bande f=1MHz, et de facteur de bruit F=8dB, on trouve, à température ambiante (17°C290°K)
wattsP1410.5 pour (S/B)=3dB
Cela met en évidence l’extrême sensibilité des récepteurs et la nécessité de les protéger
6- Distance Aveugle
on ne peut effectuer de mesures pendant la durée de l’impulsion d’émission :
t : réception impossible
Les distances telles que 2R/C ne peuvent être mesurées. On les appelle distances aveugles :
2
CR
ne peuvent être examinées
10%0
0
0
0
Impulsion émise
Ionisation du TR de protection du récepteur
+tdesio
désionisation
En pratique
Alors, distance aveugle effective :
Cette relation est plus contrainte que la relation théorique précédente et conduit à ne pouvoir détecter les cibles trop proches
)(2 désiontC
R
7- Distances AmbiguësCe sont les distances telles qu’en présence d’une cible donnée, le train d’échos reçu coïncide avec les impulsions émises.
EQUATION DE PROPAGATION DU RADAREQUATION DE PROPAGATION DU RADAR
Problème de la portée d ’un Radar R réception de signaux très faibles
Rôle de l ’antenne RADAR????
Convertir l ’énergie électrique une onde e.m
Rôle de l ’antenne à l ’émission ????
- Notion de Gain
4
),(eE
ddE
G
énergie émise par cette antenne dans une direction donnée
Gain =_____________________________________________
énergie qui serait émise dans cette direc par une ant iso
Rôle de l ’antenne à la réception ????
Notion de surface effective
cc
c
c
c
cc
c
Signal radioélectrique émis par une source O
L ’énergie émise par la sce O à t=0, se trouve donc répartie à t sur une sphère de rayon C.t
La densité d ’énergie à une distance D de la source O est alors par unité de surface :
d
dE
DdS
dE2
1
La mise en marche de l ’antenne par cette énergie
Aiguillage vers le récepteur
La quantité d ’énergie recueillie par l ’antenne dépend de ses caractéristiques
Exp : soit une antenne « ouverture plane à loi d ’éclairement uniforme »
24
SG
4
2.GA
dS
dEG
dS
dEARE .
4
2.
A : surface effective ou surface radioélectrique de l ’antenne
ER : énergie captée par l ’antenne
Réflexion des ondes par une cible. Notion de surface Réflexion des ondes par une cible. Notion de surface équivalenteéquivalente
Une cible se comporte comme une antenne
rerayonnementCible
L ’énergie réémise par une cible dans la direction du radar est extrêmement variable, elle dépend de l ’orientation de la cible par rapport au radar
N.B : La fréquence a un effet sur la réflexion
On définit la faculté de rerayonnement d ’une cible par sa surface équivalente
énergie réémise par la cible dans la direction du radar
= ----------------------------------------------------------------
la densité d ’énergie qu ’elle perçoit
Les valeurs de surfaces équivalentes couramment admises sont :
- petit avion à réaction 0,5 m2 à 2 m2
- avion moyen 2 à 10 m2
- transport léger 10 à 20 m2
- moyen courrier 30 à 50 m2
- avion intercontinental 50 à 100 m2
EQUATION DE PROPAGATIONEQUATION DE PROPAGATION
Ou équation de bilan énergétique liant Er à l ’Ee
On considère un radar de caractéristiques:
* gain d ’antenne G
* surface effective de l ’antenne
* puissance crête émise Pc
* durée de l ’impulsion émise
+ une cible de placée à une distance D
4
2.GA
L ’énergie émise à chaque impulsion par le radar est : Pc
Si l ’antenne est omnidirectionnelle, cette énergie serait répartie uniformément dans ttes les directions
A une distance D du radar, la densité d ’énergie traversant une surface unitaire serait alors :
24
.
0 D
cP
dS
dE
Par définition du gain GG
D
cP
dS
dE.
24
.
1
La cible est de , par hyp, elle capte fois la densité d ’énergie :
1
dS
dE
et le réémet de manière omnidirectionnelle
L ’énergie captée par la cible s ’écrit donc :
..24
.
1G
D
cP
dS
dEcE
La densité d ’énergie réémise par la cible, est au niveau du radar donc à la distance D de la cible
24
1...
24
.242 D
GD
cP
D
cE
dS
dE
L ’antenne du radar capte une énergie :
24
2.
2
dS
dEG
dS
dEArE
Finalement
43)4(
.2.2..
D
GcPrE
En pratique, il faut tenir compte :
* des pertes dans la propagation du signal
* des pertes dans les circuits hyperfréquences du radar
* des pertes dues au traitement du signal dans le récepteur
* des pertes dans l ’extraction du signal et l ’exploitation de l ’information
* des pertes dues au mouvement de l ’antenne.
LD
GcPrE
.43)4(
.2.2..
Application pratique de l ’équation de propagationApplication pratique de l ’équation de propagation
Le besoin d ’adopter par les radaristes d ’une méthode de calcul simple « DECIBEL DB »
Définition du décibel
2
110log10
2
1P
P
dBP
P
2
110log10
2
1E
E
dBE
E
ou
Nous adopterons les unités MKSA et nous exprimons le rapport
rEdBjoule
joulesrE log10)(1
)(
LD
GcPJouledBrE
.4.3)4(
.2.2..log10/
))log(10)log(10.4).4log(10.3(
)log(10)log(10.2
)log(10.2).log(10/
LD
GcPJouledBrE
dBGoudBGG )()log(10
dBLoudBLL )()log(10
mdBDDdB
mdB
mdB
JouledBcPcP
/)log(10
33).4log(30
2/)()log(10
/)()log(10/).().log(10
Exemple 1 :
Pc=10MW, =2µs, G=45dB, =1m2, L=8dB, D=500km, =10cm
Pc.=20 Joules=13dB
G=45dB, G2=90dB
=0,1m=-10dB 2=-20dB
=1m2 = 0dB
D=5.105 = 57 dB D4=228 dB
L=8 dB
(4)3=33 dB
+ -
13
90
20
0
228
8
33
103 -289Er=-186 dB/Joule
Ordre de grandeur des signaux perçus par les radarsOrdre de grandeur des signaux perçus par les radars
Exp 1 : Pc(signal reçu)=1,25 10-13 W
Le récepteur radar doit être très sensible utilisation des sensibilités de l ’ordre 10-15W
La sensibilité du récepteur n ’est pas un seuil de perception du signal, il faut ajouter le bruit du radar
La puissance de bruit d ’un récepteur de facteur de bruit 4 dB et de bande 1 MHz est :
FoTKFB ...
dBF
dBF
dBoTK
4
60
204.
B=-130 dB/W=10-13 W
On voit donc que les niveaux du signal utile et du bruit du récepteur sont comparables
Le signal ne parvient pas seul au radar, il est accompagné d ’un bruit non négligeable
Cette méthode ne tient pas compte du filtrage du bruit et du signal par le récepteur radar
ConclusionConclusion
Le problème radar est celui de la reconnaissance d ’un signal en provenance d ’une cible lorsqu’il est mélangé avec du bruit
Le bruit vient perturber la détection du signal utile et ceci de plusieurs manières :
* en venant se superposer au signal utile et le masquer,
* en créant des signaux qui peuvent être pris pour des signaux utiles,
* en déformant le signal utile
FILTRAGE EN PRESENCE DE BRUIT FILTRAGE EN PRESENCE DE BRUIT EQUATION DU RADAREQUATION DU RADAR
1- Aspect aléatoire du bruit
Le bruit est généralement qualifié par sa puissance ou sa densité spectrale
On lui attribue une formulation mathématique (besoins pratiques)
)(2cos)()( tftttn
2- Puissance moyenne d ’un bruit - Effet du filtrage2- Puissance moyenne d ’un bruit - Effet du filtrage
Un des paramètres du bruit directement accessible à la mesure est : la densité spectrale b
b : la puissance émise dans une bande de fréquence unitaire
fBTKB ..
B : puissance moyenne du bruit
K : constante de Boltzman
TB : température équivalente du bruit
f : bande d ’observation
fBb /
3- traitement du signal en présence de bruit
Filtrage ou traitement cohérent
Détection ou
traitement non
cohérent
Seuil ou critère de décisionAmpli
Le problème du radariste est donc de discerner le signal utile dans le bruit qui l ’entoure
* Le filtrage aura pour but « d ’atténuer » au maximum le bruit tout en préservant le signal
* La détection a pour rôle de mettre le signal sous une forme compatible à la comparaison avec n seuil
Décider que le signal est un signal utile, c ’est-à-dire un écho en provenance d ’une cible placée dans le champ d ’observation du radar
EQUATION DU RADAREQUATION DU RADAR
A- Détection d ’une cible silencieuse
()
D
RADAR
Gt , Gr
LoTKFD
GcP
B
S
....4.3)4(
.2.2..
Si la cible observée par le radar n ’émet aucun signal parasite, et si le radar n ’est soumis à aucun brouillage artificiel, le bruit qui accompagne le signal a pour densité spectrale :
oTKFob ..
G : gain de l ’antenne du radar
: longueur d ’onde utilisée
: surface équivalente de la cible
Pc : puissance crête émise
: durée de l ’impulsion émise (ou analysée)
(S/B) rapport signal sur bruit imposé au radar
F : facteur de bruit du radar
K : constante de Boltzman
To : température de référence normalisée = 290°K
D : distance cible radar
L : pertes sur le signal utile
Le coefficient de pertes L tient compte :
- des pertes à l ’émission entre la sortie de l ’émetteur et le point de mesure du gain de l ’antenne,
- des pertes à la réception entre le point de mesure du gain de l ’antenne et le point de référence,
- des pertes subies par l ’onde dans son trajet aller et retour ou pertes atmosphériques,
- des pertes dues au traitement du signal (filtrage, circuits spéciaux) et à l ’exploitation de l ’information,
- des pertes dues au mouvement de l ’antenne et à la forme de son faisceau,
etc….
Détection d ’une cible brouilleuseDétection d ’une cible brouilleuse
bB()
()GB
D
RADAR
Gt , Gr
Dans certains cas, la cible observée par le radar, peut être porteuse d ’un brouilleur émettant du bruit dans la bande du radar
l
G
D
BGBbb1
.4
2..
2.4
.1
bB : la densité spectrale du bruit émise par le brouilleur.
GB le gain de l ’antenne du brouilleur dans la direction du radar
b=b0+b1=K.To.F+b1
Généralement b1>>b0 (sinon le brouilleur ne sera pas efficace)
lD
GBGBbbb.4.2)4(
2...1
LD
GcPrE
.4.3)4(
.2.2..
Equation de propagation
BGBbLD
GcP
B
S
.
1.
'.2).4(
...
Equation du radar sur une cible brouilleuse
G : gain de l ’antenne du radar
: surface équivalente de la cible
Pc : puissance crête émise
: durée de l ’impulsion émise
(S/B) : rapport signal sur bruit imposé au radar
bB : densité spectrale du bruit émis par le brouilleur
GB : gain du brouilleur dans la direction du radar
D : distance cible radar
L ’ : pertes sur le signal utile
Détection d ’une cible dans un milieu brouilleurDétection d ’une cible dans un milieu brouilleur
**
bi()
GiDigri
Gr
D
- Di : distance brouilleur radar
- bi : la densité spectrale de bruit émise par chaque brouilleur
- Gi : le gain de chaque brouilleur dans la direction du radar
- gri : le gain à la réception dans la direction de chaque brouilleur
- li : les pertes atmosphériques retour et hyper réception
- Ge son gain à l ’émission
- Gr : son gain maximum à la réception
FTKil
rig
iD
iGibbibb .0.1
.4
2..
2.4
.0
Soit comme rGirig . Si i est le taux de lobes secondaires
FTK
iD
RGi
il
iGibb .0.2
..
.2)4(
2..
et comme
LD
rGeGcPrE
.4.3)4(
.2....
FTKRGi
iDil
iGib
LD
rGeGcP
B
S.0...
2..2)4(
2..
.4.3)4(
.2....
Equation du radar dans un milieu brouilleurEquation du radar dans un milieu brouilleur
CELLULE DE RESOLUTION D’UN RADAR A IMPULSIONS
C’est le volume compris entre deux calottes sphériques (de centre : le radar), distantes de C/2 ( : durée d’impulsion), et qui s’appuie sur le contour à –3dB du lobe d’antenne.
C/2
GMAX
3dB
Ce volume est aussi appelé : volume de confusion du Radar.Toute cible contenue dans ce volume donne lieu à un écho (car l’énergie incidente y est significative), mais si deux cibles y sont contenues, le radar ne peut séparer leurs échos leurs échos à la réception.
écho 1
écho 2
t1=2R1/C
t2=2R2/Ct
émission
Cible à la distance R1
Cible à la distance R2
Exemple
Si l’écart temporel qui sépare deux échos :
)12(2
12 RRC
ttt
est inférieur ou égal à la durée d’impulsion , l’écho reçu est unique et les cibles ne peuvent être distinguées l’une de l’autre.
)12(2
RRC
t
212C
RR D ’ou confusion
C/2 est la profondeur du volume de confusion
DIFFERENTS TYPES DE RADARDIFFERENTS TYPES DE RADAR
Les radars se différencient entre eux par la manière dont ils explorent l’espace à l’aide de leur antenne, et les fonctions qu’ils doivent assurer, nous allons en examiner quelques types les plus significatifs.
LE RADAR PANORAMIQUE OU DE VEILLE PLANELE RADAR PANORAMIQUE OU DE VEILLE PLANE
Dans ces radars, l’espace est exploré par une rotation continue du faisceau radar autour d’un axe vertical. Le volume exploré est de forme torique. L’exploration de l’espace est effectuée de manière régulière ; les vitesses de rotation d’antenne sont de l’ordre de 6 tours par minute pour les radars à grande portée, 12 à 15 tours par minute pour les radars de moyenne portée.
Le volume exploré est fonction :de la forme du diagramme d’antennede la portée du radar
Les informations sont présentées sur un tube cathodique (Scope PPI) panoramique. (Panoramic Position Indicator)
NORD
OUEST EST
SUD
NORD
OUESTEST
SUD
A
B
TR
Sur le scope, un rayon lumineux AB tourne en synchronisme avec l’antenne. Le point A figure le Radar, et la longueur AB est graduée en distance.
La déviation sur le rayon AB est telle que le spot parcouru par un rayon pendant le temps qui sépare deux impulsions émises.
Le diagramme de l’aérien assure une large couverture verticale dans une section angulaire horizontal étroit (forte ouverture en site et faible ouverture en gisement), de façon à prendre en compte tous les obstacles dans un même gisement, quel que soit leur site.
(E)(W)
(N)
(S)
A
BDistances ambiguës
: Zone des distances aveugles
: échos de sol proche: nuages
: obstacles mobiles
: Obstacles fixes
LE RADAR DE SITOMETRIELE RADAR DE SITOMETRIE
Dans ce cas, le faisceau d’antenne est orienté de telle manière que sa plus faible ouverture soit dans le plan vertical.L’exploration de l’espace est obtenue par balancement du réflecteur après une orientation préalable dans un secteur déterminé, à partir des informations du radar panoramique.
Cibles
nuage
échos de sol
limites du balayage
Le scope est peu rémanent de façon à pouvoir changer rapidement de secteur exploré. Ce secteur choisi d’après les indications du radar panoramique est indiqué à l’opérateur qui peut alors agir sur la position de l’aérien.L’altitude est mesurée en prenant le centre de plot en site, les cibles sont identifiées par leur distance.