Marine Zeebrugge
Les radars modernes
Radar
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Radars classiques

Les radars classiques servent à la navigation:
  • Les radars embarqués dans les navires et les avions servent à détecter les obstacles (autres navires ou avions) et permettent de suivre plus aisément certaines voies pour entrer dans le port ou pour naviguer dans la Manche: des routes à suivre obligatoirement ont été établies.

  • Les radars au sol permettent de suivre le vol des avions pour le guidage lors de l'atterrissage. Les grands ports et les estuaires comme l'Escaut Occidental ont également des installations de radar pour controler la navigation.

Ce type de radar correspond le plus au radar comme nous le connaissons: une antenne tournante qui envoie un rayon concentré de très haute fréquence (1GHz ou plus, généralement 10Ghz) et capte l'écho en retour. La plupart des radars travaillent en mode discontinu: le radar envoie une impulsion très courte (par exemple d'une microseconde), écoute pendant une milliseconde puis émet à nouveau,... La fréquence de répétition (prf ou pulse repetition frequency) est ici de 999Hz. Cette fréquence détermine la portée du radar.

Magnétron et modulateur

L'émetteur se compose d'un magnétron qui envoie une impulsion de très haute puissance (un radar pour la navigation maritime a une puissance instantanée de 25kW). Comme le magnétron ne travaille qu'une microseconde par milliseconde, la puissance moyenne est assez faible, de l'ordre de 250W (le magnétron est moins puissant qu'un magnétron dans un four à micro-ondes). Le magnétron fonctionne pendant un court instant, pendant qu'il est alimenté en haute tension.

Le modulateur génère les impulsions à partir de la haute tension, c'est une sorte d'interrupteur électronique qui travaille à haute vitesse. La tension de chauffage du filament est présente en permanence.


Circulateur

Duplexeur

Le signal est envoyé à l'antenne via un guide d'onde qui est une sorte de tuyau creux. Il produit moins de pertes qu'un cable coaxial. Le signal en retour est reçu par la même antenne et arrive via le même guide d'onde. Le signal émis et l'écho en retour passent donc par le même canal.

Le récepteur est connecté sur le même guide d'onde, mais pour éviter sa destruction par le puissant signal émis par le magnétron, il doit être protégé pendant l'émission. Le circuit qui protège le récepteur est appellé un duplexeur. Pour les puissance normales on utilise un circulateur à ferrite, pour les puissances plus élevées un tube TR (transmit receive switch) et/ou un réseau de diodes PIN.

Le circulateur se compose d'un anneau en ferrite et de 3 entrées/sorties. Le signal "tourne" uniquement dans un sens, il peut aller de la porte 1 à la porte 2, de la porte 2 à la porte 3 (et éventuellement de la porte 3 à la porte 1). La ferrite est fortement magnétisée par un champ magnétique axial, ce qui produit une vitesse de propagation différente dans les deux sens.

Supposons que le signal est envoyé via la porte 1. Il se dirige des deux cotés, mais à cause de sa vitesse de propagation différente il arrive en phase sur l'entrée 2 et en anti-phase sur l'entrée 3. Le signal peut ainsi être prélevé sur la porte 2 tandis qu'il n'y a pratiquement pas de signal sur la porte 3. Le circulateur doit être adapté à la fréquence d'émission du magnétron pour avoir un déphasage correct.

Le circulateur ne peut pas être ouvert car cela pourrait modifier le champ magnétique interne, ce qui changerait la fréquence à laquelle le circulateur est étalonné.

La perte dans le sens conducteur est très faible (quelques dB), elle est de 30dB dans le sens inverse à la conduction. Une telle atténuation est suffisante pour protéger le récepteur dans les radars usuels. Si nécessaire on peut ajouter un autre système de protection sur l'entrée du récepteur.

Un autre type de duplexeur est le T/R switch. Il se compose d'un tube à décharge gazeuse. Quand le radar émet, la forte énergie émise transforme le gaz en plasma conducteur qui bloque alors le passage du signal vers le récepteur. Le gaz met un certain temps à être ionisé: pour réduire les risques de destruction du récepteur om met souvent une tension continue sur le tube pour qu'il y ait une ionisation, mais pas de plasma.

La diode PIN est une diode spéciale qui a une zone intrinsèque (entre la zone N et P) qui est faiblement dopée. Cette zone est donc peu conductrice dans les circonstances normales. Quand on applique un signal de très haute fréquence sur la diode, les électrons présents dans la couche intrinsèque n'ont pas le temps de sortir de la zone et transforment la zone intrinsèque en zone de basse impédance. En mettant la diode en conduction, on la transforme en conducteur, en la polarisant dans le sens inverse on ouvre la diode. La large zone intrinsèque fait que la capacité parasite de la diode ouverte est très faible. Cet effet est également présent avec les diodes normales, mais l'effet est particulièrement exploité dans les diodes PIN utilisées comme interrupteur hautes fréquences.

La diode PIN peut servir comme interrupteur ON ou OFF selon la configuration (TR switch et ATR switch, anti transmit receive switch). Elle permet de couper la liaison entre l'antenne et le récepteur, et à la fois mettre l'entrée du récepteur à la masse pendant l'émission, ce qui produit une atténuation très importante du signal.

Récepteur

Le récepteur se compose d'abord d'un préamplificateur low noise suivi d'un mixer qui va mélanger le signal d'antenne au signal d'un oscillateur local (hérérodyne). En cela le récepteur ne différe pas tellement d'un récepteur de radio (superhétérodyne). A la sortie, nous avons un signal de fréquence plus basse (50MHz) qui peut plus aisément être amplifié. Les étages amplificateurs privilégient une bande de fréquence et atténuent les signaux hors de cette bande. Cela permet de réduire les parasites.

Le magnétron ne produisant pas une fréquence très stable, il est nécessaire de continuellement adapter la fréquence de l'oscillateur local pour que la fréquence intermédiaire obtenue se trouve au milieu de la bande passante de l'ampli. Cette operation s'appelle auto-tune.


Signal vidéo
L'écho a une longueur minimale qui correspond à la durée de l'impulsion d'émission. Les navires plus "courts" que la durée d'émission peuvent être détectés, mais leur longueur minimale correspond à la durée du signal émis.
Le signal a la fréquence intermédiaire est alors détecté comme le signal vidéo d'une télévision (du temps de l'analogique). Le signal démodulé est d'ailleurs appellé signal vidéo. C'est une simple détection d'amplitude. Il y a également un discriminateur qui produit un signal positif ou négatif selon la dérive de la fréquence et qui permet de modifier la fréquence de l'oscillateur local (auto tune).

Le signal vidéo ainsi obtenu peut être directement envoyé à un oscilloscope (pour controle), mais il doit encore être traité pour pouvoir être affiché sur un vrai écran de radar de type PPI (Plan Position Indicator). Le signal vidéo représenté sur oscilloscope correspond au type d'écran radar de type A (le premier système de visualisation qui existait).

Le signal reçu est très faible et dépasse à peine des parasites. De plus, les échos sont beaucoup plus puissants pour les cibles rapprochées. Pour avoir une image acceptable:

  • On va d'abord appliquer une correction mathématique (sensitivity time control ou STC) où on réduit la sensibilité du récepteur après l'émission (main bang) et on l'augmente pour les échos plus lointains (durée de transit plus longue). Les echos de proximité sont en effet plus puissants que les échos lointains, mais ne contiennent pas nécessairement de cibles (il peut s'agir de vagues ou de réflections produites par les lobes arrières). Sans réduction de la sensibilité, l'amplificateur moyenne fréquence pourrait être saturé par les échos proches.

  • On va ensuite adapter le gain des étages amplificateurs en continu, on obtient ainsi une caractéristique logaritmique de l'amplification. Cette caractéristique fait que les cibles très réfléchissantes n'augmentent que faiblement l'intensité du point lumineux. Si la première correction était purement mécanique (dépendant de la distance) on va ici adapter l'amplification en continu pour avoir un niveau de bruit de fond constant (Constant false alarm rate). Tout ce qui dépasse ainsi le bruit de fond est visible à l'écran.

  • Certains radars utilisent également une correction plus globale qui va adapter le gain à chaque région de l'écran (pour corriger l'effet de conditions météo locales). Tous les radars n'ont pas cette correction et il est normalement possible de la débrancher.
A gauche la courbe STC en rouge qui va limiter l'amplification pour les cibles proches (réduction du gain juste après l'émission). En bleu, on a la courbe correspondante de l'amplification. On voit directement deux contacts (qui dépassent le niveau d'amplification).

La courbe STC permet entre autre d'éviter l'effet de soleil: (sunburst) où le centre de l'écran est fortement éclairé et la périphérie moins. L'antenne radar est directrice, mais transmet également au récepteur des signaux provenant de certains angles (lobes arrières et latéraux). La correction STC doit être adaptée à chaque navire après le placement de l'antenne.

La durée de l'impulsion radar détermine les caractéristiques du radar: une impulsion très courte ne permet pas d'envoyer une puissance élevée et les cibles lointaines ne sont pas détectées. Par contre une impulsion longue rend le radar aveugle pour les cibles proches. l'écho touche en effet déjà l'antenne alors que l'émetteur est encore en fonctionnement.

Pour éviter ce problème, on va adapter la longueur de l'impulsion à la portée voulue du radar. Pendant la navigation dans un port (petite vitesse), on va utiliser des impulsions courtes, pendant le déplacement normal on va utiliser des impulsions plus longues pour voir plus loin.

Plan Position Indicator

L'indication se fait actuellement via un écran scpécifique qui montre sur un plan tout ce qui se trouve autour du navire. Une cible proche du navire se trouve près du centre de l'écran, tandis qu'une cible plus éloignée se trouve plus près des bords de l'écran. Au début du radar on utilisait un oscilloscope adapté à phosphore lent. Le tracé restait visible pendant plus d'un tour de l'antenne et chaque illumination d'un point du phosphore augmentait sa luminosité.

Le phosphore utilisé a une très longue persistance pour que chaque excitation (balayage d'électrons) augmente la luminosité du point qui apparait sur l'écran. On peut ainsi réduire les parasites (gouttes de pluie, petites vagues) qui n'apparaissent jamais au même endroit.

Les premiers écrans avaient une bobine de déflection rotative synchronisée avec la rotation de l'antenne: la bobine pointe vers le haut (déflection du point vers le haut) quand l'antenne pointe vers la proue du navire. Deux signaux sont nécessaire pour cette synchronisation: un top de proue (A) qui indique que le radar pointe vers l'avant du navire et des tops d'azimuth (B), il y a par exemple 360 tops par rotation de l'antenne. Ces tops sont générés dans l'ensemble de l'antenne et servent à synchroniser le petit moteur synchrone qui commande la bobine de déflection de l'oscilloscope.

C'est toujours la rotation de l'antenne (plus lourde et sensible aux effets du vent) qui synchronise la rotation du moteur de déflection, jamais l'inverse. Dans notre exemple l'antenne (ainsi que la bobine de déflection) fait un tour complet toutes les trois secondes.

Le signal C est le signal d'émission. Il commande le magnétron et si nécessaire le TR switch et bloque le récepteur pendant l'émission. Le temps d'émission est ici de 0.5µs et le temps de répétition de 800µs.

Le signal D est le signal en dents de scie qui va faire dévier le point lumineux du centre de l'écran vers l'extérieur, selon la position de la bobine. Cela correspond un peu à la base de temps d'un oscilloscope classique, mais ici le plan horizontal est en rotation constante et il n'y a pas de déflection verticale mais une modulation du pinceau d'électrons comme dans une télévision. Le signal de l'antenne radar, amplifié et détecté est d'ailleurs appellé signal vidéo, comme dans une télévision analogique.

Dans notre exemple, avec une fréquence de répétition de l'émission (PRF) de 800µs on a une fréquence des dents de scie de 1250Hz.

Le signal E est le signal vidéo qui va être envoyé au wehnelt qui va moduler le point lumineux (modulation Z dans les oscilloscopes). Le récepteur est totalement bloqué pendant l'émission. Ce bloquage total est nécessaire pour éviter la saturation de l'ampli. C'est le creux dans la courbe E.

Pendant la réception, ce signal montre les échos reçus par l'antenne. Plus l'écho apparait rapidement après l'émission, et plus la cible est proche. Les signaux très faibles ne sont pas montrés sur l'oscilloscope, ils sont noyés dans le bruit de fond. Ce signal est un signal déjà corrigé (controle automatique du gain). Il adapte automatiquement le gain de l'ampli pour avoir un niveau de bruit de fond constant. Il est ainsi possible d'adapter automatiquement l'amplification aux conditions atmosphériques (pluie, vagues,...). Ce systèem tient également compte que les échos de cibles proches sont plus puissants. Les signaux qui dépassent du niveau moyen du bruit de fond (stabilisé) font apparaitre un point sur l'écran de l'oscilloscope.

Plus tard on s'est passé du moteur asservi à la rotation de l'antenne et on utilise des bobines de déflection classiques comme dans une télévision. Le top de proue synchronise un oscillateur qui produit un sinus et un cosinus. Ce sinus et cosinus permettent de dessiner un rond sur l'écran.

Le sinus et le cosinus sont multipliés avec le signal en dent de scie (qui indique la déflection par rapport au centre de l'image). On a ainsi un spot

  • qui de déplace continuellement de centre de l'image vers l'extérieur (synchronisé avec les tops de l'émetteur) par un signal en dents de scie de f = 1250Hz,

  • qui tourne en synchronisme avec la rotation de l'antenne (sinus et cosinus avec une très basse fréquence, si notre antenne fait un tour toutes les trois secondes, la fréquence des signaux est de 0.333Hz).

  • qui est modulé en amplitude par le signal vidéo et qui fait apparaitre un point plus ou moins clair selon la puissance de l'écho.
Assez rapidement après l'apparition du balayage par électrodes X et Y (sinus et cosinus) on a vu apparaitre les écrans numériques. Chaque point de l'écran (il fait par exemple 1000 points par ligne et il y a 1000 lignes) est associé à une mémoire numérique.

Un processeur détermine le point qui va être écrit (basé sur le signal sinus, cosinus et dent de scie) et donc la position de mémoire qui sera modifiée. La valeur de cette position est augmentée d'une valeur qui correspond au signal vidéo instantané. A chaque rotation de l'antenne, la valeur du point est augmentée si la cible se trouve toujours au même endroit, produisant un point bien lumineux au bout de quelques tours d'antenne.

La lecture s'effectue ligne par ligne (comme un ancien écran de télévision ou d'ordinateur): la valeur de la position de mémoire est lue et produit un point plus ou moins clair. Simultanément la valeur de la position est très légèrement réduite: cela correspond à la persistance du point lumineux.

Ce système numérique a une plus grande souplesse: il permet de mieux absorber les parasites et il permet de modifier le temps de persistance, ce qui n'est pas possible avec un écran de radar analogique. Un traitement numérique est également possible: il est possible de dessiner des trainées pour indiquer la trajectoire des navires, mais on peut également prévoir la position des cibles dans la minute à venir (si le cap et la vitesse sont maintenus).

L'écran radar peut également recevoir des données GPS, ce qui permet d'afficher la position exacte du navire. Il est même possible d'afficher en surimpression (ou en une autre couleur) une carte de la région avec la forme des côtes, la profondeur marine, les routes marines à suivre pour la navigation au long cours, les zones à éviter,...

Plus tard l'écran d'ordinateur à tube cathodique a été remplacé par un écran LCD qui permet une résolution plus élevée, mais le principe de la numérisation est resté le même.

Durée d'émission

La durée de l'émission détermine la portée du radar. On a donc interêt à allonger la durée d'émission. Mais pendant que le radar émet, il ne voit pas les échos. Une durée d'émission plus longue ne permet pas de discerner deux cibles situées l'une derrière l'autre (elles se confondent en une seule tache). On va donc adapter la durée d'émission à la portée qu'on veut obtenir.

Une impulsion de 0.5µs produit une zone de 75m de rayon autour du navire dans laquelle le radar ne voit rien. Deux cibles situées à moins de 75m l'une de l'autre produisent également un seul contact radar.

Il est également interessant d'avoir une fréquence de répétition la plus élevée possible, ce qui permet par intégration des différents échos de mieux faire apparaitre les cibles sur l'écran. Mais une fréquence de répétition plus élevée limite la portée du radar. Une fréquence de répétition de 800µs (1250Hz) limite la portée du radar à environ 100km: les échos plus lointains sont reçus alors que le radar émet à nouveau.

Pour réduire les parasites certains systèmes vont légèrement modifier la fréquence de répétition selon un cycle déterminé (staggered PRF). Cela permet de réduire certains parasites issus d'autres radars ou d'autres appareils utilisant la même bande de fréquences. Comme la fréquence de répétition varie, la position de l'émetteur parasite varie également à chaque impulsion. Les cibles balayées par notre radar sont stables dans le temps, tandis que les cible balayées par un autre radar se déplacent de façon incohérente. L'intégration des échos fait alors disparaitre ces échos parasites.

Il existe d'autres types de radar (radars monopulse ou à émission continue) pour des applications particulières.

Bande de fréquences

Le radar peut utiliser plusieurs bandes de fréquences selon sa fonction. Les radars de navigation utilisent principalement la bande X qui produit un bon compromis (fréquences centrées sur 10GHz, longueur d'onde de 3cm).

Les bandes L (1 à 2GHz) et S (2 à 4GHz) ont une plus longue portée et sont principalement utilisées pour la surveillance (radars cotiers, radars longue portée trafic aérien).

La bande K (18GHz et plus) est utilisée pour les radars à courte portée (radars pour déterminer les excess de vitesse, radars de proximité pour voitures intelligentes,...). Ce radar est également utilisé pour détecter les précipitations. L'atténuation du signal est plus importante et la portée du radar est très réduite.

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