RADAR

Lutte contre les échos parasites

Les objectifs intéressant le radar sont le plus souvent des cibles mobiles telles que des véhicules terrestres (automobiles) ou des objets volants. Ces objectifs (appelés cibles utiles) sont généralement détectés par le radar en même temps que tous les autres échos présents dans le champ de l'antenne et qu'on désigne par l'expression de cibles parasites (ou d'échos de clutter, d'un mot anglais signifiant une accumulation d'objets en désordre). Parmi les échos de clutter, on peut citer les échos atmosphériques renvoyés par les gouttelettes d'eau constituant les nuages, ainsi que les échos appelés « anges », dus à des irrégularités de l'atmosphère, sans oublier tous les échos d'objets situés à la surface du sol (arbres, rochers, immeubles, pylônes électriques), et plus généralement la surface du sol, qui se comporte plus ou moins comme un miroir dépoli. Ces parasites représentent une masse énorme d'échos parmi lesquels il est difficile d'identifier les cibles utiles, surtout si elles sont à basse altitude.

Il est souvent nécessaire que le radar fasse lui-même le tri entre tous ces échos, pour ne conserver que ceux qui sont utiles. Plusieurs procédés sont utilisés séparément ou simultanément.

Un premier, très efficace contre les échos de pluie et de nuage, consiste à émettre une onde électromagnétique polarisée circulairement. La lumière fournie par les projecteurs lumineux classiques n'est pas polarisée, mais on peut la transformer en une onde polarisée linéairement en la filtrant par un système approprié (tels ceux qui sont utilisés pour la fabrication des verres protecteurs « anti-soleil »). La lumière polarisée linéairement est alors constituée de vibrations parallèles entre elles et perpendiculaires à la direction de propagation (cf. lumière). Une telle lumière est éteinte par passage dans un second polarisant dont le plan de polarisation est perpendiculaire à celui du premier filtre. L'association de deux lumières identiques, polarisées chacune dans deux directions perpendiculaires, fournit une lumière polarisée circulairement, car tout se passe comme si la vibration « tournait en rond » dans un certain sens. Si une telle lumière éclaire des objets sphériques comme des gouttes de pluie, ceux-ci renvoient une lumière toujours polarisée circulairement mais (tournant) dans l'autre sens, alors que les échos utiles tels que les échos transmis par les avions sont constitués, de façon statistiquement identique, de deux ondes circulaires, polarisées la première dans un sens et la seconde dans l'autre. Si l'antenne du radar ne peut recevoir qu'un sens de polarisation circulaire, il est donc possible d'atténuer considérablement les échos de pluie, de nuages et de brouillard.

Un deuxième procédé de lutte contre les cibles parasites de clutter est fondé sur le fait que celles-ci sont immobiles ou de faible vitesse par rapport à celles des cibles utiles. Or, lorsqu'une cible est animée d'une vitesse (radiale) par rapport au radar, la fréquence des signaux reçus de la cible diffère de celle des signaux émis correspondants, le « glissement » de fréquence étant proportionnel à la vitesse radiale de la cible par rapport au radar. C'est l'effet Doppler-Fizeau. Il est dès lors possible d'utiliser dans le récepteur un système permettant d'éliminer tous les échos dont le glissement Doppler-Fizeau est trop faible pour pouvoir correspondre à des cibles utiles. D'ailleurs, on peut également mesurer le glissement Doppler-Fizeau des échos utiles reçus par le radar, de façon à mesurer la vitesse radiale des cibles utiles. C'est ainsi que l'on détecte les conducteurs d'automobiles ayant dépassé les vitesses limites. Ce procédé permet aussi d'apprécier le danger que représente un avion ennemi et d'utiliser au mieux les armes défensives dont on dispose. Les progrès effectués dans le domaine du filtrage Doppler-Fizeau sont considérables, surtout depuis que l'on utilise pour mesurer le glissement Doppler-Fizeau de petits calculateurs arithmétiques construits à cette fin (on préférera le nom de « processeur numérique de traitement de signal », ou D.S.P., de l'anglais Digital Signal Processor).

Radars à balayage électronique

Pour modifier la zone éclairée par l'antenne d'un radar classique, c'est-à-dire la zone analysée par l'appareil, il faut faire tourner le projecteur, de la direction déjà analysée à la nouvelle direction choisie. À cause de l'inertie du projecteur, ce mouvement ne peut être que continu et faiblement rapide et ne permet donc pas facilement de s'arrêter dans les zones intéressantes. C'est pourquoi la quasi-totalité des radars de veille tourne régulièrement autour d'un axe vertical. À titre d'exemple, avec un radar équipé d'une antenne projecteur qui illumine à un instant donné un dièdre d'axe vertical de 0,36⁰ d'ouverture, l'antenne tournant régulièrement à six tours par minute, on connaît la position géographique des cibles toutes les 10 secondes. Le temps passé sur une cible est de 10 millisecondes, qu'on ait affaire à dix ou à cent cibles. Si, au contraire, en présence de dix cibles, l'antenne radar était capable de passer immédiatement d'une direction à une autre, on disposerait d'une seconde par cible avec la même cadence de renouvellement des informations. Chaque cible pourrait donc recevoir la puissance du radar pendant cent fois plus de temps (elle recevrait donc 100 fois plus d'énergie), ce qui permettrait soit de réduire par 100 la puissance de l'appareil, soit de multiplier par la racine quatrième de 100 (c'est-à-dire plus de 3) la portée du radar. Une telle antenne éviterait de gaspiller l'énergie de celui-ci en ne l'utilisant que dans des directions intéressantes.

Le problème est donc de s'affranchir de l'inertie mécanique de l'antenne : il faut pouvoir, l'antenne restant fixe, modifier quasi instantanément la direction du rayonnement. Or l' onde électromagnétique émise par le radar est cohérente, comme l'est la lumière fournie par un laser (cf. lasers), ce qui implique que la direction du rayonnement est celle pour laquelle toutes les vibrations émanant de l'antenne sont en phase. En d'autres termes, un observateur A, situé dans cette direction et assez loin de l'antenne, « voit » toutes les vibrations qui lui arrivent des différents points de l'antenne augmenter et décroître rigoureusement en même temps, alors qu'un observateur B, situé dans une autre direction, reçoit des différents points de l'antenne des vibrations déphasées, certaines vibrations étant dans un sens quand d'autres sont dans un autre, l'ensemble s'annulant pratiquement. Si l'on veut que l'antenne rayonne vers B, il suffit de modifier au départ les phases relatives des vibrations électromagnétiques émises par les différents points de l'antenne, de façon qu'elles soient en phase lorsqu'elles arrivent à l'observateur B. Pour cela, on tapisse l'antenne projecteur de dispositifs modificateurs de phase, dits déphaseurs, dont on peut commander à volonté et instantanément le déphasage qu'ils introduisent, pour modifier instantanément la direction du rayonnement de l'antenne. On sait réaliser de tels déphaseurs réagissant en des temps de l'ordre de la microseconde, par exemple en utilisant des aimants artificiels particuliers dits « ferrites » ou des dispositifs spéciaux à semi-conducteurs. Une antenne ainsi équipée de déphaseurs et de leur système de commande est appelée (improprement) à balayage électronique. De plus, avec une telle antenne, on est capable de modifier la forme du diagramme de rayonnement (et non seulement sa direction), pour passer par exemple d'un rayonnement à dièdre d'arête verticale à un rayonnement conique autour d'une direction quelconque, transformant ainsi instantanément un radar de veille en radar de poursuite. On arrive ainsi à la notion de radar multifonction, c'est-à-dire capable d'assumer la fonction de plusieurs radars classiques différents. Les ordres de grandeur des temps de transformation (quelques microsecondes) sont tels qu'un opérateur humain est incapable de les exploiter avec efficacité. Aussi, un radar disposant d'une antenne à balayage électronique est nécessairement « piloté » par un calculateur arithmétique qui, suivant un logiciel soigneusement mis au point, décide lui-même des changements de forme du diagramme de rayonnement en fonction du comportement des cibles détectées par l'appareil et/ou selon le déroulement d'un tir défensif de missiles. On parle de « balayage électronique passif » lorsque l'onde d'un seul émetteur traverse les quelques milliers de déphaseurs « passifs ». Au contraire, si chaque déphaseur utilise son propre (petit) émetteur, on parle d'« antenne active à balayage électronique ».

Parmi les antennes un peu particulières, ils convient de signaler l'utilisation de plus en plus fréquente à bord d'aéronefs de radars dits « S.A.R. » (pour Synthetic Aperture Radar), qui utilisent par exemple, pour remplacer une antenne physique de 30 mètres, une petite antenne mais qui se déplace de 30 mètres pendant le temps de la mesure (par exemple, une mesure de 0,1 seconde sur un aéronef volant, en ligne droite, à 300 mètres par seconde).

Utilisation de calculateurs numériques

Deux exemples d'utilisation de « machines à calculer » numériques ont été signalés ci-dessus : calculateur de type « universel » pour la gestion d'un radar à balayage électronique, et calculateur spécialisé pour le traitement des glissements Doppler-Fizeau.

Nombreux sont les exemples d'utilisation de calculateurs de type universel dans les systèmes de détection par radar : l'augmentation continue de la « puissance » de ces machines facilite la tâche dans des systèmes (contrôle de la navigation aérienne, par exemple) qui nécessitent de volumineux logiciels (plus de 500 000 « lignes de code ») opérant en « temps réel ». On citera la gestion et l'exploitation des informations d'un radar de veille tridimensionnelle moderne ; dans le champ d'action d'un tel appareil, on détecte jusqu'à cinq cents avions dont les trois coordonnées peuvent être mesurées avec précision ; d'autres informations sont parfois fournies (indicatif d'identification, puissance de l'écho, etc.). Aucun opérateur humain ne serait à même d'exploiter cette énorme quantité d'informations ; seul un système informatique le peut, en stockant les informations obtenues par le radar et en faisant les calculs (cap et vitesse des cibles par exemple) utiles pour présenter à l'utilisateur les renseignements dont il a besoin à un instant donné, et dont la nature change au cours du temps.

En amont, au sein même de l'équipement radar, l'évolution aussi bien des codeurs analogique-numérique (transformant avec une vitesse et une précision en augmentation constante les informations analogiques électroniques reçues par le radar en informations numériques qui permettent le calcul) que des organes numériques de calcul est telle qu'on effectue pratiquement toujours le traitement de signal (filtrage adapté de compression d'impulsion, détermination des glissements Doppler-Fizeau, mesures angulaires, etc.) sous forme numérique. L'apparition de processeurs de plus en plus puissants (plusieurs centaines de milliards d'opérations par seconde, ou plusieurs centaines de « gigaflops », dans le jargon des spécialistes) permet d'introduire dans les radars de nouvelles fonctions – gourmandes en calcul – qui conduisent à l'amélioration du pouvoir de résolution angulaire sur des échos puissants (cibles proches ou brouilleurs) ou qui rendent possible l'utilisation simultanée, sur la même cible, de plusieurs émetteurs-récepteurs radars situés à des endroits différents (ou de plusieurs récepteurs fonctionnant à partir du même émetteur) et qui voient donc la cible sur des aspects différents, dans des montages dits multistatiques (par exemple bistatiques), permettant, en particulier, de lutter contre la « furtivité » des cibles militaires.

La furtivité des cibles

La notion de furtivité des cibles a été réellement introduite à la fin des années 1970, dans des programmes de nouveaux bombardiers (tels que le F117), afin de rendre plus difficile leur détection par les radars.

L' idée consiste à réduire la « surface équivalente radar » des avions en question, pour les radars qui les observent. Pour comprendre la notion de furtivité, il est donc utile d'avoir une idée de ce qu'est cette surface équivalente radar, ou S.E.R. : quand on calcule les performances d'un radar, on remplace la cible réelle par une hypothétique sphère métallique qui donnerait le même résultat et dont la surface de section droite est la S.E.R. Malheureusement (pour la compréhension), la notion de S.E.R. n'est pas du tout intuitive : par exemple, une plaque métallique circulaire de 1 mètre de rayon, perpendiculaire à la direction d'un radar travaillant à la longueur d'onde de 3 centimètres, a une S.E.R. de 10 hectares environ (le signal qu'elle envoie « éblouit » le radar), alors que, si on l'incline d'un petit angle (de l'ordre du demi-degré), sa S.E.R. tombe à zéro ; une hélice (ou une pale de réacteur) a toujours, quelle que soit l'orientation de l'avion se dirigeant peu ou prou vers le radar, une partie perpendiculaire à la direction du radar, ce qui donne à l'avion une S.E.R. significative. Un tétraèdre creux agit comme une cataphote (de vélo), renvoyant vers le radar toute la puissance qu'il reçoit ; il a donc une très grande S.E.R.

Si l'avion comporte des parties « résonnant » à la longueur d'onde du radar (et qui ont donc des dimensions du même ordre de grandeur), celles-ci ont toutes les chances de donner une grande S.E.R. Un cylindre métallique de révolution de 5 mètres de diamètre et de 10 mètres de longueur, dont l'axe est perpendiculaire à la direction du faisceau radar, constitue un « beau » miroir convexe d'une dizaine de milliers de mètres carrés de S.E.R. !

Les cibles réelles, qui sont complexes, sont constituées de parties qui rayonnent, en conjonction ou en opposition de phase. Elles ont des S.E.R. qui varient très vite avec la fréquence du radar et avec la direction d'observation, ce qui explique, d'une part, l'intérêt, pour leur détection, de radars bistatiques (ou multistatiques) qui les observent depuis plusieurs directions, d'autre part, que l'on dise que les cibles « fluctuent » et que leur S.E.R. varie considérablement autour de sa valeur moyenne.

Les navires de surface ont des S.E.R. en moyenne très grandes (supérieures à 10 000 m²). Les avions de transport ont des S.E.R. moyennes de quelques dizaines de mètres carrés. Les avions d'armes ont des S.E.R. moyennes autour du mètre carré. En ce qui concerne les hélicoptères, la pale, lorsqu'elle est dans la « bonne » position (une fois par tour), a une bonne S.E.R. : l'écho de l'hélicoptère est ainsi constitué essentiellement de plusieurs « éclairs » par tour (correspondant à chacune des pales).

Pour rendre un avion furtif dans certaines directions (par exemple vu de face et légèrement par en dessous) – car on n'est jamais furtif dans toutes les directions –, il convient qu'il ne comporte bien sûr pas de cataphotes pour ces directions (dièdres ou trièdres rectangulaires – les entrées d'air des réacteurs sont à cet égard critiques), pas de surface perpendiculaire à la direction du radar (pales du réacteur), pas de zones ressemblant à des antennes à la longueur d'onde du radar (et, notamment, surtout pas d'antenne micro-onde regardant dans la direction du radar), tout cela interdisant de fait l'emport sous l'avion de « bidons » (en anglais des pods), comme l'usage en est fréquent.

On peut par ailleurs envisager de peindre l'avion avec de la peinture absorbante : par exemple, un matériau chargé avec du ferrite, assurant une réflectivité divisée par 10 environ (S.E.R. divisée par 10) autour de 3 centimètres de longueur d'onde, à condition qu'on en mette une épaisseur de 2,3 mm, précise à 0,1 mm près.

Les contraintes qui résultent de toutes ces mesures (entre autres l'augmentation de masse résultant de l'éventuelle peinture) ne contribuent généralement pas à améliorer les performances de l'avion.

Il est évident que l'épaisseur de la couche de peinture deviendra vite prohibitive pour des longueurs d'onde un peu grandes, et qu'il est alors de plus en plus difficile d'éviter que certaines parties de l'avion aient des longueurs physiques accordées sur la longueur d'onde du radar. Ces deux raisons, parmi d'autres, militent en faveur de l'utilisation de grandes longueurs d'onde dans les radars militaires de détection, avec pour corollaire l'inconvénient que constitue la nécessité de disposer de très grandes antennes pour conserver des mesures angulaires de qualité. Ici encore, le multistatisme radar, qui permet d'éparpiller plusieurs émetteurs-récepteurs sur une grande surface, apporte un élément de solution au problème.

Une autre solution envisageable consiste à être très « multistatique » : on peut penser à utiliser pour cela, par exemple, tous les émetteurs fixes de téléphonie mobile.