Ces technologies vont du radar à ondes continues (CW), simple, abordable et compact, utilisé par les forces de l'ordre pour verbaliser les excès de vitesse, aux antennes à réseau de phase actif (APAS) complexes, employées dans les systèmes radar terrestres, navals et aéroportés. Un radar APAS ou AESA (radar à orientation électronique active) typique se compose de centaines, voire de milliers, de modules émetteurs/récepteurs (T/R), rendus possibles par des dispositifs à semi-conducteurs haute performance.
À mesure que les technologies radar atteignent des fréquences plus élevées et des bandes passantes plus larges, de nouvelles applications, auparavant inimaginables, ont émergé. L'imagerie micro-ondes non ionisante, ultra-large bande et à faible coût fournit des informations distinctes des techniques d'imagerie existantes et offre des applications prometteuses dans les domaines médical et de la santé. La reconnaissance gestuelle par radar à résolution submillimétrique offre aux consommateurs de nouvelles façons d'interagir avec les appareils. Les technologies radar ont également permis le développement de la conduite autonome et des drones, grâce à leurs capacités d'autonomie et leurs systèmes d'évitement des collisions. La bande THz, avec ses propriétés spectrales uniques liées à la composition chimique et biologique, attire les communautés scientifiques et non scientifiques en raison de ses applications potentielles en imagerie, détection et télédétection. Alors que le radar offre des applications de plus en plus diversifiées, nous aimerions passer brièvement en revue les principes intemporels du radar.

Principe de fonctionnement :
Le radar repose sur sa capacité à recueillir des informations physiques sur une ou plusieurs cibles : position, vitesse, direction, forme, identité ou simplement leur présence. Ceci est réalisé par le traitement des ondes électromagnétiques réfléchies dans le cas des radars primaires, ou à partir d'une réponse émise dans le cas des radars secondaires. Dans la plupart des configurations, le système radar génère un signal RF ou micro-ondes pulsé et le dirige vers la cible. L'antenne émettrice reçoit ensuite le signal.
Le schéma fonctionnel de base d'un système radar à impulsions est présenté sur la figure 1. Sur ce schéma, le générateur de fréquence de répétition d'impulsions (PRF) constitue l'élément central du système. Ce générateur joue un rôle crucial dans la synchronisation de tous les composants du système radar grâce à ses connexions avec le modulateur d'impulsions, le duplexeur ou commutateur émission/réception, et le processeur d'affichage. De plus, les connexions au récepteur permettent le filtrage pour la protection de l'étage d'entrée ou le contrôle de gain temporel, tel que le contrôle de sensibilité en fonction du temps (STC).

 
Figure 1. Exemple de schéma fonctionnel d'un système radar à impulsions.

Explication de l'équation radar :
L'équation radar décrit les principales variables de performance d'un radar et permet de comprendre les mesures prises pour garantir des performances optimales. Cette équation peut être présentée sous différentes formes. L'équation 1 illustre une forme de l'équation radar qui donne la portée maximale d'un radar en mètres. Pour mieux comprendre l'équation et les hypothèses utilisées, il est conseillé de consulter la démonstration 2.


 (1)

Où :
  R = distance maximale en mètres ;
  P_{_T}    = puissance émise en watts
  ; G_{_T}   = gain de l'antenne d'émission ;
  G_{_R}   = gain de l'antenne de réception
  ; λ = longueur d'onde du signal radar en mètres ;
  α = section efficace radar (SER) de la cible en mètres carrés
  ; k = constante de Boltzmann ;
  T = température ambiante en kelvins ;
  B_{_n}    = bande passante du bruit du récepteur en hertz ;
  F_{_n}    = facteur de bruit ;
  S/N = rapport signal/bruit minimal requis.

La démonstration commence par l'analyse d'un modèle simple de propagation par diffusion sphérique pour un radiateur isotrope (ou antenne ponctuelle). Les systèmes radar utilisent des antennes directionnelles pour concentrer l'énergie rayonnée sur la cible. Le gain de l'antenne est défini comme le rapport entre la puissance dirigée vers la cible et la puissance d'une antenne isotrope idéale. L'équation reflète le gain de l'antenne directionnelle, avec G_{_T}  et G_{_R} respectivement pour l'émission et la réception. Si la même antenne est utilisée pour l'émission et la réception, l'équation se simplifie en remplaçant les deux termes par G.
Une partie de la densité de puissance émise atteignant la cible est réfléchie dans différentes directions, tandis qu'une autre partie est réémise vers le système radar. La quantité de cette densité de puissance incidente réémise vers le radar dépend de la section efficace radar (SER ou α) de la cible. La SER (α), exprimée en unités de surface, mesure la taille de la cible vue par le radar.
L'antenne radar intercepte une partie de ce signal réfléchi par la cible. La puissance de ce signal est égale à la densité de puissance réfléchie à l'antenne multipliée par la surface effective de l'antenne. Les principaux facteurs limitant le récepteur sont le bruit et le rapport signal/bruit (SNR) qui en résulte.
La puissance du bruit (limite théorique) à l'entrée du récepteur est appelée bruit de Johnson ou bruit thermique. Ce bruit est dû au mouvement aléatoire des électrons et est proportionnel à la température. La puissance du bruit disponible à la sortie du récepteur sera toujours supérieure au bruit de Johnson, en raison du bruit supplémentaire généré au sein du récepteur. Par conséquent, l'équation 1 prend en compte ce bruit interne en multipliant la puissance du bruit de Johnson par le facteur de bruit F_{_n} et le gain du récepteur.
L'équation 1 décrit la portée maximale de notre cible radar en fonction de la puissance de l'émetteur, du gain de l'antenne, de la SER de la cible, du facteur de bruit du système et du rapport signal/bruit minimal. En réalité, il s'agit d'un modèle simplifié des performances du système. De nombreux autres facteurs influencent ces performances, notamment les modifications apportées aux hypothèses utilisées pour établir cette équation. Deux autres éléments à considérer sont les pertes du système et l'intégration d'impulsions, qui peuvent être appliquées lors du traitement du signal. Des pertes système se produisent sur les trajets d'émission (LT₎  et de réception (LR₎.
Dans une application radar à impulsions classique, on peut supposer que plusieurs impulsions sont reçues d'une cible donnée pour chaque position de l'antenne radar (puisque la largeur du faisceau de l'antenne radar est supérieure à zéro, on peut supposer que le radar reste pointé sur chaque cible pendant un certain temps) et, par conséquent, peuvent être intégrées pour améliorer les performances du système radar. Cette intégration n'étant pas nécessairement optimale, un terme d'efficacité d'intégration E_{_i}(n), basé sur le nombre d'impulsions intégrées, est utilisé pour décrire l'amélioration apportée par l'intégration. En incluant ces termes, l'équation du radar devient :
   (2)

Où : E _{_i} (n) = facteur d'efficacité d'intégration ; LT = pertes de propagation ; _LR = pertes de réception. Pour les radars multi-antennes, la portée augmente proportionnellement au nombre d'éléments, à condition que tous les éléments offrent des performances identiques. Conclusions sur l'équation du radar : La puissance du signal au niveau du récepteur radar est directement proportionnelle à la puissance émise, au gain de l'antenne (ou à la taille de son ouverture) et à la section efficace radar (SER), c'est-à-dire au degré de réflexion du signal radar par la cible. Plus important encore, elle est inversement proportionnelle à la quatrième puissance de la distance à la cible. Compte tenu de la forte atténuation du signal lors de ses allers-retours vers la cible, une puissance élevée est fortement souhaitable. Cependant, atteindre une puissance élevée est difficile en raison de problèmes pratiques tels que la chaleur, l'effondrement de tension, les besoins en puissance dynamique, la taille du système et le coût.

Dans le prochain article, nous aborderons les caractéristiques, les techniques de compression et la mesure des signaux radar pulsés.
Références :
1. https://atap.google.com/soli/
2.    http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5992-1386EN.pdf?id=2715324

Auteur:

Giovanni D'Amore,
Responsable marketing de marque -
Produits RF et micro-ondes
Keysight Technologies

Depuis la fin du XIXe siècle, le radar a considérablement évolué, donnant naissance à un ensemble de technologies qui prennent aujourd'hui en charge un large éventail d'applications. Celles-ci vont du radar à ondes continues (CW), simple, abordable et compact, utilisé par les forces de l'ordre pour verbaliser les excès de vitesse, aux systèmes radar à antenne active à balayage électronique (AESA), complexes, utilisés dans les applications terrestres, navales et aéroportées. Un radar AESA typique se compose de centaines, voire de milliers, de modules émetteurs-récepteurs (T/R), rendus possibles par des dispositifs à semi-conducteurs haute performance.

À mesure que les technologies radar atteignent des fréquences plus élevées et des bandes passantes plus larges, de nouvelles applications, auparavant inimaginables, ont vu le jour. L'imagerie micro-ondes ultra-large bande, non ionisante et à faible coût, fournit des informations distinctes des techniques d'imagerie existantes et offre des applications prometteuses dans les domaines médical et de la santé. La reconnaissance gestuelle par radar à résolution submillimétrique offre aux consommateurs de nouvelles façons d'interagir avec les appareils^leursd'autonomie et d'évitement des collisions. La bande THz, avec ses propriétés spectrales uniques liées à la composition chimique et biologique, attire les communautés scientifiques et non scientifiques en raison de ses applications potentielles en imagerie, détection et télédétection. Face à la diversification croissante des applications du radar, nous souhaitons rappeler brièvement ses principes fondamentaux.

Principe de fonctionnement

Le principe du radar repose sur sa capacité à recueillir des informations physiques sur une ou plusieurs cibles : position, vitesse, direction, forme, identité, ou simplement leur présence. Ceci est réalisé grâce au traitement des ondes électromagnétiques réfléchies dans le cas des radars primaires, ou à partir d'une réponse émise dans le cas des radars secondaires. Dans la plupart des configurations, le système radar génère un signal radiofréquence (RF) ou micro-ondes pulsé et le dirige vers la cible. L'antenne émettrice reçoit ensuite le signal en retour.

Le schéma fonctionnel de base d'un système radar à impulsions est présenté sur la figure 1. Sur ce schéma, le de fréquence de répétition d'impulsions (PRF), ou temporisateur principal, constitue l'élément central du système. Ce générateur joue un rôle crucial dans la synchronisation de tous les composants du système radar grâce à ses connexions au modulateur d'impulsions, au duplexeur (ou commutateur émission/réception) et au processeur d'affichage. De plus, les connexions au récepteur permettent le filtrage pour de l'étage d'entrée ou le contrôle de gain temporisé, tel que le contrôle de sensibilité en fonction du temps (STC).

Figure 1. Exemple de schéma fonctionnel d'un système radar à impulsions

Explication de l'équation radar

L'équation radar décrit les principales variables de performance d'un radar et permet de comprendre les mesures prises pour garantir des performances optimales. Cette équation peut être présentée sous différentes formes. L'équation 1 illustre l'une d'elles et donne la portée maximale d'un radar en mètres. Pour une meilleure compréhension de l'équation et des hypothèses sous-jacentes, il est conseillé au lecteur de consulter sa démonstration².

                                              (1)

Où:

         = distance maximale en mètres

         = puissance transmise en watts

         gain de l'antenne d'émission

         gain de l'antenne de réception

          = longueur d'onde du signal radar en mètres

          = Section équivalente radar (SER) de la cible en mètres carrés

           constante de Boltzmann

           = température ambiante en kelvins

        = bande passante du bruit du récepteur en hertz

         = facteur de bruit

          = rapport signal/bruit minimal requis

La démonstration débute par l'analyse d'un modèle simple de propagation par diffusion sphérique pour un radiateur isotrope (ou antenne ponctuelle). Les systèmes radar utilisant des antennes directionnelles pour concentrer l'énergie rayonnée sur la cible, le gain de l'antenne est défini comme le rapport de la puissance dirigée vers la cible à la puissance d'une antenne isotrope idéale. L'équation reflète le gain directif de l'antenne, avec et pour l'émission et la réception, respectivement. Si la même antenne est utilisée pour l'émission et la réception, l'équation se simplifie en remplaçant les deux termes par .

Une partie de la densité de puissance émise atteignant la cible est réfléchie dans différentes directions, tandis qu'une autre partie est réémise vers le système radar. La quantité de cette densité de puissance incidente réémise vers le radar dépend de la section efficace radar (SER ) de la cible. La SER, exprimée en unités de surface, mesure la taille de la cible telle qu'elle est perçue par le radar.

L'antenne radar intercepte une partie du signal réfléchi par la cible. L'intensité de ce signal est égale à la densité de puissance de retour à l'antenne multipliée par la surface effective de celle-ci. Les principaux facteurs limitant le récepteur sont le bruit et lerapport signal/bruit (SNR) qui en résulte.

La puissance du bruit (limite théorique) à l'entrée du récepteur est appelée bruit de Johnson ou bruit thermique. Elle résulte du mouvement aléatoire des électrons et est proportionnelle à la température. La puissance du bruit disponible à la sortie du récepteur sera toujours supérieure au bruit de Johnson, en raison du bruit supplémentaire généré au sein du récepteur. Par conséquent, l'équation 1 prend en compte ce bruit interne en multipliant la puissance du bruit de Johnson par le facteur de bruit et le gain du récepteur.

L'équation 1 décrit la portée maximale de notre cible radar en fonction de la puissance d'émission, du gain d'antenne, de la SER de la cible, du facteur de bruit du système et du rapport signal/bruit minimal. En réalité, il s'agit d'un modèle simplifié des performances du système. De nombreux autres facteurs influencent ces performances, notamment les modifications apportées aux hypothèses utilisées pour établir cette équation. Deux autres éléments doivent être pris en compte : les pertes du système et l'intégration d'impulsions, qui peuvent être appliquées lors du traitement du signal. Les pertes du système se manifestent aussi bien à l'émission qu'à la réception .

Dans une application radar à impulsions classique, on peut supposer que plusieurs impulsions sont reçues d'une cible donnée pour chaque position de l'antenne radar (puisque la largeur du faisceau de l'antenne est supérieure à zéro, on peut supposer que le radar restera pointé sur chaque cible pendant un certain temps). Ces impulsions peuvent donc être intégrées pour améliorer les performances du système radar. Cette intégration n'étant pas nécessairement optimale, un terme d'efficacité d'intégration, basé sur le nombre d'impulsions intégrées, sera utilisé pour décrire l'amélioration apportée. En tenant compte de ces termes, l'équation du radar devient :

                                          (2)

Où:

   = facteur d'efficacité d'intégration

         = pertes dans le circuit de transmission

         = pertes sur le trajet de réception

Pour les radars multi-antennes, la portée du radar augmentera proportionnellement au nombre d'éléments, à condition que tous les éléments offrent des performances identiques.

Conclusions sur l'équation radar

L'intensité du signal reçu par le radar est directement proportionnelle à la puissance émise, au gain de l'antenne (ou à la taille de son ouverture) et à la surface équivalente radar (SER), c'est-à-dire à la capacité de la cible à réfléchir le signal radar. Plus important encore, elle est inversement proportionnelle à la quatrième puissance de la distance à la cible. Compte tenu de l'atténuation significative du signal lors de son trajet aller-retour, une puissance élevée est fortement souhaitable. Cependant, atteindre une telle puissance est complexe en raison de contraintes pratiques telles que la chaleur, l'effondrement de tension, les besoins en puissance dynamique, la taille du système et le coût.

Dans le prochain article, nous aborderons les caractéristiques, les techniques de compression et la mesure du signal radar pulsé.

Références :

1.       https://atap.google.com/soli/

2.       http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5992-1386EN.pdf?id=2715324