Le radar (acronyme issu de l’anglais radio detection and ranging) est un système qui utilise les ondes électromagnétiques pour détecter la présence et déterminer la position ainsi que la vitesse d’objets tels que les avions, les bateaux, ou la pluie. Les ondes envoyées par l’émetteur sont réfléchies par la cible, et les signaux de retour (appelés écho radar ou écho-radar) sont

captés et analysés par le récepteur, souvent situé au même endroit que l’émetteur. La distance est obtenue grâce au temps aller/retour du signal, la direction grâce à la position angulaire de l’antenne où le signal de retour a été capté et la vitesse avec le décalage de fréquence du signal de retour généré selon l’effet Doppler. Il existe également différentes informations trouvées par le rapport entre les retours captées selon des plans de polarisation orthogonaux.

Le radar est utilisé dans de nombreux contextes : en météorologie pour détecter les orages, pour le contrôle du trafic aérien, pour la surveillance du trafic routier, par les militaires pour détecter les objets volants mais aussi les navires, en astronautique, etc.

En 1864, James Clerk Maxwell décrit les lois de l’électromagnétisme, ce qui permet pour la première fois de travailler sur leur source. En 1888, Heinrich Rudolf Hertz montre que les ondes électromagnétiques sont réfléchies par les surfaces métalliques. Au début du XXe siècle, le développement de la radio et de la TSF (par Marconi, entre autres) permet de développer les antennes nécessaires à l’utilisation du radar.

Plusieurs inventeurs, scientifiques, et ingénieurs ont contribué ensuite au développement du concept du radar. Les fondements théoriques datent de 1904 avec le dépôt du brevet du « Telemobiloskop » (Reichspatent Nr. 165546) par l’allemand Christian Hülsmeyer1. Celui-ci a démontré la possibilité de détecter la présence de bateaux dans un brouillard très dense. En envoyant une onde à l’aide d’une antenne multipolaire, son système notait le retour depuis un obstacle avec une antenne dipolaire sans pouvoir cependant en définir plus qu’un azimut approximatif et aucunement sa distance. C’était donc le RAD (radio détection) mais pas le AR (azimut et rayon).

Il faut ensuite résoudre les problèmes de longueur d’onde et de puissance soulevés en 1917 par le physicien serbe, naturalisé américain, Nikola Tesla. Durant les années 1920, on commence donc les expériences de détection avec des antennes. À l’automne 1922, Albert H. Taylor et Leo C. Young, du Naval Research Laboratory (NRL) aux États-Unis, effectuaient des essais de communication radio dans le fleuve Potomac. Ils remarquèrent que les bateaux en bois traversant la trajectoire de leur signal d’onde continu causaient des interférences, redécouvrant ainsi le même principe qu’Hülsmeyer. Au début des années 1930, Taylor confia à un de ses ingénieurs, Robert M. Page, la tâche de développer un émetteur à impulsion et une antenne d’émission que lui et Young avait imaginé pour contourner ce problème.

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). Un brevet est déposé (brevet français no 788795). C’est ainsi que naissent les « radars » à ondes décimétriques. Le premier équipa en 1934 le cargo Orégon, suivi en 1935 par celui du paquebot Normandie.

En 1935, faisant suite à un brevet déposé par Robert Watson-Watt (l’inventeur dit « officiel » du radar) (brevet anglais GB5930174), le premier réseau de radars est commandé par les Britanniques à MetroVick et portera le nom de code Chain Home. Le Hongrois Zoltán Lajos Bay a produit un autre des premiers modèles opérationnels en 1936 dans le laboratoire de la compagnie Tungsram (Hongrie). L’Allemagne nazie, l’Union soviétique, les Américains et d’autres pays ont également poursuivi des recherches dans ce domaine.

On peut considérer que l’architecture des radars était quasiment finalisée à l’aube de la Seconde Guerre mondiale. Il manquait cependant l’expérience opérationnelle au combat qui a poussé les ingénieurs à trouver de nombreuses améliorations techniques. Ainsi, les radars aéroportés ont été développés pour donner la possibilité à l’arme aérienne de procéder aux bombardements et à la chasse de nuit. On mena également des expériences sur la polarisation.

Lors de l’utilisation du radar de manière opérationnelle, les opérateurs ont constaté la présence d’artéfacts. Par exemple, les opérateurs des radars micro-ondes des armées alliées remarquèrent du bruit dans les images. Ces bruits s’avérèrent être des échos venant de précipitations (pluie, neige, etc.), constat qui a mené au développement des radars météorologiques après la fin des combats. Sont également mis au point les premières techniques de brouillage et de contre-mesures électroniques.

Depuis cette guerre, les radars sont utilisés dans de nombreux domaines allant de la météorologie à l’astrométrie en passant par le contrôle routier et aérien. Dans les années 1950, l’invention du radar à synthèse d’ouverture a ouvert la voie à l’obtention d’images radar à très haute résolution. En 1965, Cooley et Tuckey (re)découvrent la transformée de Fourier rapide qui a pris tout son intérêt surtout lorsque l’informatique a commencé à devenir suffisamment performante. Cet algorithme est à la base de la plupart des traitements radar numériques d’aujourd’hui.

Un radar émet de puissantes ondes, produites par un oscillateur radio et transmises par une antenne. La portion de l’énergie du faisceau qui est réfléchie et renvoyée au récepteur lorsque le faisceau rencontre un obstacle dans l’atmosphère est appelée l’écho radar (ou écho-radar). Bien que la puissance des ondes émises soit grande, l’amplitude de l’écho est le plus souvent très petite mais ces signaux radio sont facilement détectables électroniquement et peuvent être amplifiés de nombreuses fois. Il existe différentes façons d’émettre ces ondes. Les plus utilisées sont :

• les ondes pulsées, où le radar émet une impulsion et attend le retour ;
• le radar à émission continue, où l’on émet continuellement à partir d’une antenne et on reçoit à l’aide d’une seconde.

En analysant le signal réfléchi, il est possible de localiser et d’identifier l’objet responsable de la réflexion, ainsi que de calculer sa vitesse de déplacement grâce à l’effet Doppler. Le radar peut détecter des objets ayant une large gamme de propriétés réflectives, alors que les autres types de signaux, tels que le son ou la lumière visible, revenant de ces objets, seraient trop faibles pour être détectés. De plus, les ondes radio peuvent se propager avec une faible atténuation à travers l’air et divers obstacles, tels les nuages, le brouillard ou la fumée, qui absorbent rapidement un signal lumineux. Cela rend possible la détection et le pistage dans des conditions qui paralysent les autres technologies.

La fréquence est principalement choisie en fonction de l’application visée. De manière générale, une grande longueur d’onde (bandes HF) permettra de profiter des phénomènes de propagation et de rebond sur l’ionosphère, ce qui permet de porter à des milliers de kilomètres (cas des radar trans-horizon). D’autre part, seuls les objets dont la taille typique est au moins de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde sont visibles. Par exemple, une forêt sera partiellement transparente pour les grandes longueurs d’onde (seuls les troncs d’arbres sont visibles) ; tandis que la forêt sera opaque en bande X (seule la canopée sera visible), car la longueur d’onde est de l’ordre de la taille des feuilles et des branches. La taille de l’antenne influe également sur la longueur d’onde à utiliser (et réciproquement).

Les bandes de fréquences civiles et militaires sont allouées de manière internationale au sein de la Conférence Mondiale des Radiocommunications réunie tous les trois ans au sein de l’Union Internationale des Télécommunications, avec également la participation d’organismes internationaux comme l’OTAN. Les demandes de bande doivent être déposées longtemps à l’avance dans la mesure où les ordres du jour des conférences sont généralement fixées plusieurs années à l’avance. D’autre part, au sein d’un pays, les institutions régaliennes peuvent s’arroger des bandes de fréquence pour l’utilisation exclusive des forces militaires ou de police. Toutefois, ces institutions subissent des pressions de plus en plus importantes de la part des industriels dans la mesure où les nouvelles technologies civiles (GSM, Wi-Fi, etc) ont une occupation spectrale grandissante, mais offrant un profit financier très large. L’heure est donc à la coopération entre les différents acteurs et à une cohabitation (pas toujours très réussie) de manière à limiter les brouillages entre les différentes applications. Toujours est-il que la bande de fréquence la plus adaptée d’un point de vue applicatif n’est pas toujours disponible et qu’il faut souvent trouver un compromis.

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Sources : Wikipédia, YouTube.radar