Modélisation et simulation de la chaine du radar à balayage de phase

Les radars

Historique :Il serait vain de chercher à attribuer l’invention du Radar à un savant en particulier, ouà unenation unique. On doit plutôt considérer le « Radar » comme le résultat de l’accumulation de nombreuses recherches menées antérieurement, et auxquelles les scientifiques de plusieurs pays ont parallèlement participé. Au fil de cette histoire, il existe néanmoins des points de repères qui correspondent à la découverte de quelques grands principes de base ou à des inventions importantes. En 1865, le physicien anglais James Clerk Maxwell développe sa théorie de la lumière électromagnétique et en 1886, le physicien allemand Heinrich Rudolf Hertz démontra son existence physique qui confirme alors la théorie.En 1904, le technicien allemand spécialiste des ondes hertziennes, Christian Hülsmeyer, invente le «Telemobiloskop», appareil de prévention des collisions en mer. Il mesure le temps de parcours de l’onde électromagnétique, sur le trajet aller-retour, entre l’antenne et un objet métallique (navire). Un calcul de la distance est donc possible. Il s’agit du premier test pratique d’un appareil qui suit les principes de ce que sera le radar plus tard. Hülsmeyer dépose un brevet de son invention en Allemagne, en France et au Royaume-Uni. En 1921, Albert Wallace Hull développe un oscillateur à haut rendement, le magnétron, qui servira plus tard comme source de l’onde radar et en 1922, A. H. Taylor et L. C. Young, du Naval Research Laboratory (USA), détectent pour la première fois un navire en bois dans une expérience assez similaire à celle de Hülsmeyer. En 1934, faisant suite à une étude systématique du magnétron, des essais sur des systèmes de détection par ondes courtes sont menés en France par la CSF (16 et 80 cm de longueur d’onde) selon les principes de Nicolas Tesla. Un brevet est déposé (brevet français n° 788795). Le premier équipa en 1934 le cargo Orégon, suivi en 1935 par celui du paquebot Normandie.

Principe de fonctionnement du radar 

  Le principe utilisé par les radars est voisin de celui de la réflexion des ondes sonores.Lorsque vous criez dans la direction d’un objet qui peut réfléchir le son de votre voix (dans un canyon ou dans une grotte par exemple), vous en entendez l’écho. Si vous connaissez la vitesse du son dans l’air, vous pouvez alors estimer la distance et la direction générale de l’objet. Le temps nécessaire à l’aller et au retour du son vers vous peut être converti en distance si vous connaissez sa vitesse. Le radar utilise des impulsions d’énergie électromagnétique à peu près de la même manière. Le signal hyperfréquence est émis en direction de la cible. Une petite partie de l’énergie transmise est réfléchie par la cible dans la direction du radar. Cette énergie renvoyée par la cible jusqu’au radar est appelée « écho », exactement comme lorsque l’on considère les ondes sonores. Un radar utilise l’écho afin de déterminer la direction et la distance de l’objet qui a réfléchi son signal. Le signal transmis par le radar est généré par un émetteur puissant puis traverse un duplexeur quil’aiguille vers l’antenne émettrice. Chaque cible réfléchit le signal en le dispersant dans un grand nombre de directions ce qui se nomme la diffusion. La rétrodiffusion est le terme  désignant la partie du signal réfléchi diffusée dans la direction opposée à celle des ondes incidentes (émises). L’écho ainsi réfléchi par la cible vers l’antenne sera aiguillé par le duplexeur vers un récepteur très sensible.Les échos détectés par le radar peuvent être finalement visualisés sur l’écran traditionnel de type PPI (plan position indicator) ou sur tout autre système de visualisation plus élaboré. L’écran type PPI permet de visualiser un vecteur dont l’origine est la position actuelle du radar et la direction l’axe de l’antenne. Ce vecteur fait le tour de l’écran à la vitesse de rotation de l’antenne, et la position de l’axe de l’antenne au moment où un écho est détecté correspond donc à la direction dans laquelle se trouve cet écho. Le principe de base du fonctionnement d’un radar primaire est donc très simple à comprendre, bien que la théorie puisse être assez complexe. Sa connaissance est cependant indispensable à la définition exacte et à l’utilisation de tout système radar. La réalisation et la mise en œuvre de radars primaires recourent à un large éventail de disciplines dans des domaines variés tels que le bâtiment, la mécanique, l’électricité, l’électronique, les micro-ondes de forte puissance (MFP), le traitement du signal et le traitement rapide de grands volumes de données numériques. Pourtant, quelques lois physiques sont de la plus grande importance.La mesure de la distance par un radar est possible du fait des propriétés de l’énergie électromagnétique:
 Cette énergie circule normalement dans l’espace en ligne droite et à vitesse constante. Elle peut être soumise à des variations minimes dues aux conditions météorologiques et atmosphériques. Les effets de l’atmosphère et de la météo sur la propagation des ondes électromagnétique seront évoqués plus loin. Cependant, lors de la discussion sur la mesure de distance, ces effets seront temporairement ignorés.
 L’énergie électromagnétique se déplace dans l’air approximativement à la vitesse de la lumière soit :
– 300 000 kilomètres par seconde ou ;
– 186 000 miles (anglo-saxons) par seconde ou ;
– 162 000 milles nautiques par seconde.
• Réflexion des ondes électromagnétiques : Les ondes électromagnétiques sont réfléchies lorsqu’elles rencontrent une surface conductrice. Si après l’émission d’un signal, on est capable de recevoir une partie de son énergie qui retourne vers la source, alors on a la preuve qu’un obstacle se trouve dans la direction de sa propagation.

Radars à onde continue 

  Les radars à onde continue génèrent un signal hyperfréquence continu. Le signal réfléchi est reçu et traité, mais le récepteur (qui dispose de sa propre antenne) n’est pas tenu d’être au même emplacement que l’émetteur. Tout émetteur de station radio civile peut être simultanément utilisé comme un émetteur radar, pour peu qu’un récepteur relié à distance puisse comparer les temps de propagation du signal direct et du signal réfléchi.Des essais ont montré que la localisation d’un avion était possible par la comparaison et le traitement des signaux provenant de trois différentes stations émettrices de télévision.
 Radars à onde continue non modulée : Le signal émis par ces équipements est constant en amplitude et en fréquence. Spécialisés dans la mesure des vitesses, les radars à onde continue ne permettent pas de mesurer les distances. Ils sont employés par exemple par la gendarmerie pour les contrôles de vitesse sur les routes (cinémomètres radars). Des équipements plus récents (LIDAR) fonctionnent dans la bande de fréquence des lasers et permettent d’autres mesures que celle de la vitesse.
 Radars à onde continue modulée : Lesignal émis est constant en amplitude mais modulé en fréquence. Cette modulation rend à nouveau possible le principe de la mesure du temps de propagation. Un autre avantage non négligeable de ce type d’équipement est que, la réception n’étant jamais interrompue, les mesures s’effectuent en permanence. Ces radars sont utilisés lorsque les distances à mesurer ne sont pas trop grandes et qu’il est nécessaire d’effectuer des mesures ininterrompues (par exemple une mesure d’altitude pour un avion ou un profil de vents par un radar météorologique). Un principe similaire est utilisé par des radars à impulsions qui génèrent des impulsions trop longues pour bénéficier d’une bonne résolution en distance. Ces équipements modulent souvent le signal contenu dans l’impulsion afin d’améliorer leur résolution en distance. On parle alors de compression d’impulsion.

Le transmetteur 

  Le transmetteur est un appareil électronique qui génère une impulsion électromagnétique de la gamme des ondes radio qui sera envoyé à l’antenne pour diffusion. Il doit pouvoir:
 Produire l’onde de radiofréquence à une puissance moyenne et de pointe désirée;
 Émettre des ondes sur une gamme de fréquences;
 Émettre de façon stable la ou les fréquences désirées afin de permettre un traitement reproductibles des données ;
 Être modulable en fréquence ou en phase pour les besoins de la formation de l’impulsion;
 Être fiable, facile à entretenir et efficace pour une très longue durée de vie. Le transmetteur radar est construit en tenant compte des appareils qu’il alimente et ce chapitre décrira ceux-ci. Les types principaux de transmetteurs sont:
 Les oscillateurs de puissance: un tube à vide ou une cavité résonnante, habituellement un magnétron, génère une impulsion de radiofréquence lorsqu’il est excité par générateur de décharges de puissance de courant continu appelé modulateur. Ce type est utilisé dans les radars non-cohérents ou pseudo-cohérents (la cohérence étant la possibilité de toujours émettre des impulsions de même phase);
 Les amplificateurs de puissance: un générateur d’onde envoie une impulsion à un amplificateur de puissance comme un amplitron, un klystron ou un amplificateur à semi-conducteurs. Les radars utilisant ce type sont la plupart du temps cohérents et plus récents. Un cas spécial est celui des antennes réseau actives où chaque éléments radiants ou chaque groupe d’éléments possède sont transmetteur.

Formes d’ondes radar 

  La forme d’onde utilisée au niveau du radar a une influence significative sur ses performances de détection. Elle doit, principalement, permettre d’assurer une bonne résolution de cibles et de minimiser les lobes secondaires. Pratiquement, elle doit aussi présenter une certaine robustesse aux contraintes du système comme la complexité supportée au niveau de l’émetteur, les limitations de bande passante et de puissance ainsi que les distorsions introduites par la chaîne radar. De plus, dans les systèmes actuels, la limite en bande spectral, ainsi que la robustesse aux interférences sont devenus incontournables dans le choix d’une forme d’onde. Tous ces critères doivent être pris en considération dans la conception et le choix des formes d’ondes.
Train d’impulsion : C’est un signal formé d’impulsions de durée très brève de haute fréquence et de grande puissance. Après l’émission d’une impulsion, suit un temps d’écoute plus ou moins long durant lequel les échos éventuels son reçus, avant qu’une nouvelle impulsion ne soit émise.La direction, la distance et parfois la taille ou l’altitude de la cible peuvent être déterminées à partir du traitement des échos de retour.
Impulsion intégrée non cohérent : La probabilité de détection d’une cible peut être augmentée en intégrant une série d’impulsions reçues. Cette intégration peut se faire de manière cohérente ou non cohérente. L’intégration cohérente appelée aussi intégration de pré-détection est basée sur la préservation de la phase et de l’amplitude du signal de retour de chaque impulsion. Par contre la détection non cohérente esteffectuée après la détection et additionne essentiellement une fraction de chaque impulsion en moyenne ; la phase de chaque impulsion est perdue après le processus de détection. L’intégration non cohérente est aussi appelée intégration post-détection.Considérons le cas d’une détection à intégration non cohérente, l’intégration non cohérente améliore la qualité de détection par le biais du rapport signal à-bruit, elle permet d’améliorer la probabilité de détection Pd Certes une détection par intégration augmente Pd mais elle nécessite un circuit d’intégration qui occasionne des délais de traitement du signal.
Signal à ondes (continues) CW : C’est un signal modulé linéairement en fréquence pendant un intervalle de temps connu. A la réception, un battement entre les signaux reçus et ceux émis est effectué.

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Table des matières

Dédicaces
Remerciements
Résumé
Liste des figures
Liste des tableaux
Liste des abréviations
Nomenclature
Introduction générale

Chapitre I
: Généralités sur les radars
I.1. Historique
I.2. Définition
I.3. Principe de fonctionnement du radar
I.4. Classification des systèmes radars
I.4.1. Radars imageurs / Radars non imageurs
I.4.2. Radars primaires
I.4.3. Radars secondaires
I.4.4. Radars à impulsions
I.4.5. Radars à onde continue
I.4.6. Radars bistatiques
I.5. Composantes principales
I.5.1. Le transmetteur
I.5.2. Le duplexeur
I.5.3. L’antenne
I.5.4. Récepteur
I.6. Positionnement de la cible 
I.6.1. Calcul de la distance
I.6.2. Mesure de la direction
I.6.3. Angle de site et altitude
I.7. Equation du radar
I.7.1. Distance maximale de détection

I.7.2. Influence du sol

I.7.3. Surface équivalente radar
I.8. Applications RADAR
I.8.1. Militaire
I.8.2. Aéronautique
I.8.3. Maritime
I.8.4. Météorologie
I.8.5. Circulation et sécurité routière
I.9. Conclusion 
Chapitre II : Réseaux d’antenne
II.1. Introduction
II.2. Les réseaux d’antennes
II.2.1. Principe
II.2.2. Diagramme de rayonnement
II.3. Réseaux d’antennes uniformes 
II.3.1. Réseaux à faisceau perpendiculaire
II.3.2. Réseau d’antenne à faisceau (End fire)
II.3.3. Réseau d’antenne à balayage
II.3.4. Réseau d’antennes linéaire ULA
II.3.4.1. Définition
II. 3.4.2. La réponse azimutale d’un réseau d’antennes linéaire ULA

II.3.4.3. Modélisation et visualisation de la géométrie d’un réseau d’antenne ULA
II.3.5 Réseau d’antennes planaire à forme rectangulaire URA
II.3.5.1. Définition
II.3.5.2. La réponse azimutale d’un réseau d’antennes rectangulaire URA
II.3.5.3. Modélisation et visualisation de la géométrie d’un réseau d’antenne URA

II.3.6. Réseau d’antennes circulaire UCA
II.3.6.1. Définition
II.3.6.2. La réponse azimutale d’un réseau d’antennes rectangulaire UCA
II.3.6.3. Modélisation et visualisation de la géométrie d’un réseau d’antenne UCA
II.4. Les répartiteurs de faisceaux
II.4.1. Les répartiteurs numériques
II.4.2. Les répartiteurs analogiques 

II.5. Conclusion
Chapitre III :Modélisation et simulation de la chaine du radar à balayage de phase
III.1. Introduction
III.2. La chaine de transmission Radar
III.3. Formes d’ondes radar
III. 3.1. Train d’impulsion
III.3.1.1. Impulsion intégrée non cohérent
III.3.2. Signal à ondes continues (CW)
III.4. Transmetteur radar 
III.5. Modélisation de l’environnement
III.5.1. Environnement considéré
III.5.1.1. Espace libre
III.5.1.2. Bruit Blanc Gaussien Additif (AWGN)
III.5.2. Modèles de cibles
III.5.2.1. Cas de cible ponctuelle
III.5.2.2.Cas de cibles réparties
III.5. 3.Modèle d’interférence
III.5. 3.1. Brouillage radar
III.6. Récepteur radar
III.6.1. Le filtrage adapté
III.7. Traitement du signal radar 
III.7.1. Traitement temporel
III.7.1.1. Théorie de la détection
III.7.1.2. Estimation effet doppler
III.7.1.3. Fonction d’ambiguïté
III.7.2. Traitement spatial
III.7.2.1. Formation de voie (Beamforming)
III.7.2.2. Formation de voie MVDR (Minimum Variance Distortionless Response)
III. Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographique

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