Aviatechno

Lockheed Constellation - Le Radar

Le radar météorologique

Le RADAR

---

RADAR - La Technique

Un radar (RAdio Detection And Ranging) est un système qui envoie une onde électromagnétique et reçoit les ondes réfléchies par les objets qui se trouvent sur son trajet, permettant ainsi de détecter leur existence et de déterminer certaines caractéristiques de ces objets, par exemple : la position horizontale des objets ; leur altitude ; leur vitesse ; leur forme.

Un radar « classique » est constitué par un émetteur, une antenne et un récepteur muni d'un système de visualisation. L'émetteur lance à intervalles réguliers (par exemple, toutes les millisecondes) des signaux très brefs (par exemple, de 1 microseconde), à une fréquence donnée correspondant à une longueur d'onde variant, selon les applications, entre quelques mètres et quelques millimètres (A). Le signal n'est pas omnidirectionnel : l'antenne du radar, qui agit comme un projecteur, concentre l'émission dans une zone très étroite de l'espace, soit dans un cône de faible ouverture au sommet (environ 1 degré), soit dans un dièdre de faible ouverture (1 degré). C'est ainsi que sont illuminés, d'autant plus faiblement qu'ils sont plus loin, les objectifs situés dans le champ de l'antenne. Ces objectifs réfléchissent les signaux reçus, et l'antenne capte les échos avec un retard par rapport à l'émission, retard d'autant plus grand que les objectifs sont plus lointains ; l'écho reçu d'un objectif distant de 75 kilomètres sera décalé de 0,5 milliseconde par rapport à l'émission.

---

Le Magnétron

Les premiers radars furent à ondes continues mais la nécessité d'obtenir de grandes puissances, des faibles longueurs d'onde et de brèves impulsions imposa l'utilisation du magnétron à cavité qui est le premier en date des générateurs d'hyperfréquences (Zacek, 1924).

Sa structure est celle d'une diode en forme de cylindre. Le magnétron comprend essentiellement une cathode à oxydes, cylindrique, entourée d'une anode massive en cuivre comportant un nombre pair de fentes radiales qui constituent chacune la cellule fondamentale d'un circuit périodique fermé sur lui-même. Cet ensemble est plongé dans un champ magnétique axial uniforme et un champ magnétique haute tension est appliqué entre cathode et anode. Excité sur certaines fréquences discrètes, le circuit d'anode entre en résonance, créant un système d'ondes stationnaires qui peut s'interpréter comme la composition de deux ondes progressives d'amplitude égale tournant en sens inverse. Chaque résonance correspond à un nombre entier de longueurs d'onde sur la circonférence. Pour des raisons de stabilité, on choisit toujours de faire fonctionner le magnétron sur la résonance comportant un nombre de longueurs d'onde égal à la moitié du nombre de fentes. Sans le champ magnétique, les électrons émis par la cathode portée à incandescence seraient attirés radialement vers l'anode sous l'influence du champ électrique dû à la haute tension. Mais s'il n'y avait que le champ magnétique, ils décriraient une boucle les ramenant vers la cathode. En présence des deux champs, les mouvements se composent et les électrons tournent autour de la cathode en un nuage qui a la forme d'une hélice à plusieurs pales. Les ondes sont récupérées par une boucle de couplage et transmises dans le guide d'onde (Voir plus bas).

En fonctionnement continu, la puissance de l'onde hyperfréquence émise peut atteindre quelques kilowatts ; en fonctionnement impulsionnel, les magnétrons peuvent produire une puissance de crête de plusieurs mégawatts avec un facteur de forme (rapport entre la puissance de crête et la puissance moyenne émise) variant de 500 à 2000.

Par sa structure compacte, sa simplicité de fabrication, son excellent rendement (de 50 à 70 %, certains tubes expérimentaux ayant même dépassé 80 %), ses performances en régime d'impulsions (quelques mégawatts de puissance crête, quelques kilowatts de puissance moyenne à 3 GHz, et quelques centaines de kilowatts-crête, quelques centaines de watts moyens à 10 GHz), le magnétron a en fait permis l'avènement du radar, dont il demeure la source de puissance hyperfréquence la plus répandue. Des magnétrons en régimes permanents donnant un kilowatt à 2,45 GHz ou plus, trouvent un emploi dans la cuisson rapide des aliments (Voir Les Micro-Ondes).

La Compagnie générale de télégraphie sans fils (C.S.F.) joua un rôle très important dans la conception et la mise au point du magnétron (Voir partie historique).

Les impulsions hyperfréquence du magnétron étaient déclenchées par un thyratron, sorte de triode à gaz à cathode chaude dont l'électrode de commande (ou grille) isole, en l'absence d'ionisation, l'anode de la cathode. Ce dispositif est maintenant remplacé par des semi-conducteurs. (1)

Le Klystron

Un autre générateur d'ondes électromagnétiques est le klystron (chronologiquement le deuxième type de tubes générateurs ou amplificateurs de micro-ondes) qui fut inventé en 1936 (en même temps donc que les magnétrons) par G. F. Metcalf et W. C. Hahn.

Il s'agit du premier des tubes dits à modulation de vitesse, ou tubes O, dans lesquels l'énergie électrique donne aux électrons une énergie cinétique qui se transforme en énergie électromagnétique, alors que dans les tubes M comme le magnétron, l'énergie électrique communique aux électrons de l'énergie potentielle, laquelle est transformée en énergie électromagnétique. Le klystron est encore très largement utilisé dans les radars, dans les faisceaux hertziens, dans les accélérateurs de particules, dans les lasers à électrons libres, etc. Parmi les autres tubes O descendant du klystron, on trouve les tubes à onde progressive (TOP), qui équipent aujourd'hui nombre de radars et de satellites, et parmi les tubes M, les tubes amplificateurs à champs croisés qui équipent également beaucoup de radars.

Le TOP Tube à Ondes Progressives

Le problème d'amplification à large bande a été résolu par Rudolf Kompfner avec l'invention du TOP en 1942. Dans les TOP, un faisceau analogue à celui du klystron interagit avec une onde guidée se propageant suivant le même axe avec une vitesse voisine de la vitesse d'entraînement des électrons ; onde et faisceau s'accompagnent.

Cette onde, qui, dans le cas le plus courant, se propage le long d'un fil enroulé en hélice autour du faisceau, comporte une composante de champ électrique axial qui accélère ou ralentit les électrons suivant leur position par rapport à l'onde. Dans ces conditions, les électrons, au long de leur parcours, se rassemblent en paquets périodiques situés dans des régions où le champ est ralentisseur (on peut observer un phénomène analogue sur les routes : dans les montées, les automobiles sont freinées et se regroupent, alors qu'elles sont accélérées et s'écartent dans les descentes).

Le faisceau ainsi freiné cède de l'énergie à l'onde dont l'amplitude s'accroît, provoquant une modulation plus profonde du faisceau. Ce mécanisme aboutit à une croissance exponentielle des champs et des courants alternatifs avec la distance, le long de l'espace d'interaction. Afin d'éviter les oscillations causées par les réflexions multiples de l'onde aux extrémités de l'hélice, John R. Pierce a introduit, en 1946, une atténuation localisée au premier tiers environ de sa longueur. Cette atténuation absorbe totalement la puissance réfléchie par la sortie ainsi que la puissance fournie par la première partie du circuit, qui ne sert désormais qu'à moduler le faisceau ; ce dernier excite par induction la seconde partie de l'hélice. Les TOP sont utilisés dans les relais hertziens et les satellites de télécommunication ainsi que dans les équipements de contre-mesures (brouillage radar). On obtient des tubes plus puissants mais de bande réduite en remplaçant l'hélice par une structure périodique massive (cavités couplées) ; ces tubes s'emploient principalement dans les chaînes d'amplification des radars modernes.

Tubes amplificateurs à champs croisés

En combinant l'interaction progressive du TOP et la focalisation à champs croisés (champ magnétique et champ électrique), on a créé des tubes qui associent dans une certaine mesure les avantages de ces deux conceptions : large bande instantanée d'amplification et grand rendement. L'un de ces tubes, le TOPM (J. R. Pierce, 1946 ; A. Lerbs, 1947), comporte un canon extérieur à l'espace d'interaction qui y injecte un faisceau en forme de ruban. L'amplitron à onde rétrograde (W. Brown, 1952) et le CFA (Crossed-Field Amplifier) à onde directe, se présentent comme un magnétron dont le circuit ne se refermerait pas sur lui-même, ce circuit étant couplé aux deux extrémités, d'une part à un générateur, et d'autre part à la charge utile. Ces tubes sont surtout utilisés comme étage de puissance dans les chaînes d'amplification radar. Les puissances sont comparables ou supérieures à celles des magnétrons (quelques kilowatts de puissance moyenne, quelques mégawatts de puissance crête), les bandes sont de l'ordre de 10 % et les gains relativement faibles (de 8 à 20 dB) en raison des instabilités inhérentes au fonctionnement des tubes.

Les Guides d'ondes

Il n'est pas possible, pour des longueurs d'ondes centimétriques ou décimétriques, d'utiliser des lignes bifilaires classiques ; on les a donc remplacées par la ligne coaxiale. Mais les pertes de transmission dans ce type de ligne proviennent essentiellement du conducteur central, d'où l'idée de le supprimer et de rendre inutile l'emploi de diélectrique intérieur. On ne conserve ainsi que le conducteur extérieur. Un tel tube est susceptible de transporter de l'énergie « hyperfréquence » pourvu que sa section soit de dimensions suffisantes. On constate également qu'il lui est possible de véhiculer entre l'émetteur et l'antenne des puissances de crête très élevées, par exemple plusieurs dizaines de mégawatts crête en bande S (A) avec pressurisation.

De nombreux types de guides d'ondes ont vu le jour, guides à sections rectangulaire, ronde, en U, en H, etc. Pratiquement, on en emploie deux aujourd'hui : Les guides d'onde à section rectangulaire et ceux qui sont à sections ronde ou elliptique, utilisant le mode de propagation guidé TE 01.

---

Le mode de propagation TE 01

Dans un guide rectangulaire métallique de section droite a x b (la hauteur a est inférieure à la demi-largeur b/2), le champ électrique est parallèle au côté a, le champ magnétique est en quadrature. Il existe une longueur d'onde de coupure lc = 2b telle que, si l > lc, la propagation se fait dans le guide sous forme de mode évanescent. Le guide se comporte donc comme un filtre de fréquence « passe haut ». Il est essentiel d'avoir une seule onde progressive et non pas un système d'ondes stationnaires*. Pour cela, on sait réaliser des « terminaisons sans réflexion », appelées encore « charges adaptées » qui, placées en bout de guide, absorbent entièrement l'onde incidente sans donner lieu à une réflexion. La notion d'impédance est peu utilisée pour les guides d'onde car elle n'est pas indépendante de la longueur d'onde employée. L'atténuation dans un guide de cuivre rempli d'air est faible ; pratiquement, elle est due uniquement aux pertes par effet Joule dans le conducteur métallique.

Les guides d'ondes elliptiques véhiculent le mode guidé TE 01 comme mode fondamental. Si la longueur du petit axe de l'ellipse est égale au petit côté d'un guide rectangulaire et la longueur du grand axe de l'ellipse est égale au grand côté du guide rectangulaire, ces deux guides peuvent transporter des fréquences et des puissances semblables. Le périmètre de la section elliptique est alors plus petit que celui de la section rectangulaire ; il est normal que les pertes par effet Joule dans les parois du guide elliptique soient plus faibles. Néanmoins, dans ce dernier, la bande passante du mode fondamental est plus étroite. En général, les guides elliptiques sont faits d'une faible épaisseur d'aluminium enrobée dans un plastique souple. On peut ainsi les enrouler et les fabriquer en grande longueur. Leur emploi dans des ensembles radars, où le cheminement entre émetteur et antenne est long et complexe, s'est généralisé.

Les Ondes Stationnaires

Ondes caractérisées par le synchronisme des vibrations des différentes parties du système : en tous les points, la grandeur vibratoire atteint le maximum ou passe par zéro au même instant ; c'est seulement l'amplitude qui varie d'un point à un autre. Les nœuds (points d'amplitude zéro) et les ventres (points d'amplitude maximale) sont fixes dans l'espace, la phase étant partout la même : les ondes stationnaires ne transportent pas d'énergie.

On peut aussi concevoir une onde stationnaire comme étant le résultat de la superposition de deux ondes progressives contraires de même fréquence. Afin de pouvoir transmettre le maximum d'énergie sans pertes, il est essentiel que le taux d'ondes stationnaires (TOS ou VSWR, Voltage Standing Wave Ratio) soit le plus faible possible. Le TOS est aisément mesurable : on intercale dans le guide d'onde une partie « étalon » accordée exactement sur la fréquence transmise et ne présentant aucune onde stationnaire. Cette partie présente une fente située dans le plan du champ électrique, on déplace le long de cette fente un chariot muni d'une sonde exploratrice qui est le siège d'une force électromotrice proportionnelle au champ électrique. Après détection, on peut ainsi, à l'aide d'un appareil de mesure à courant continu, mesurer en valeur relative pour trouver les grandeurs des nœuds et des ventres éventuels. Une exploration sur une longueur au moins égale à l/2 longueur d'onde permet d'en déduire le coefficient de réflexion en valeur absolue.

Les Tubes TR et ATR

Les tubes TR et ATR (de l'anglais Transmitting-Receiving et Anti-TR) sont des cellules qu'on dispose à l'intérieur des guides d'ondes ou des tronçons de guides symétriques terminés à chaque bout par une fenêtre en verre, remplie de gaz (argon à une pression de l'ordre de 1 000 Pa) qui permettent, en fonction des besoins et suivant l'endroit où on les place, de bloquer, laisser-passer ou court-circuiter les ondes électromagnétiques. Un champ électrique de haute fréquence, supérieur au champ disruptif, provoque l'ionisation du gaz, la cellule devient alors un court-circuit qui ne transmet qu'une très faible partie de la puissance (< 1.10^-3). En revanche, les champs haute fréquence de basse puissance n'ionisent pas le gaz et sont transmis.

Ces tubes permettent de connecter l'antenne d'un radar soit au générateur hyperfréquence pendant l'impulsion d'émission (~10^-6 s ou plus), soit au récepteur pendant l'intervalle précédant l'impulsion suivante (~10^-3 s). Dans le circuit hyperfréquence et l'antenne, les tubes TR et ATR utilisent la propriété suivante : une section de guide d'ondes d'un quart de longueur d'onde se comporte comme un circuit ouvert si elle est terminée par un court-circuit, et réciproquement. À la réception, en l'absence d'ionisation, les signaux sont faibles et sont transmis de l'antenne au récepteur. À l'émission, les cellules TR et ATR deviennent conductrices : la puissance élevée de l'émetteur est transmise à l'antenne.

Pendant le temps de recombinaison, par exemple 3.10^-6 s, le récepteur est « aveugle », et le signal émis parcourt 900 m, aller et retour. La portée minimale du radar sera donc de 450 m. Il faut donc diminuer le plus possible le temps de désionisation : on ajoute pour cela des gaz électronégatifs (H²O, Cl², O²) qui « s'attachent » les électrons libres. De plus, afin de réduire le temps d'amorçage, les tubes peuvent comporter une électrode qui entretient une décharge de très petite intensité.

Suivant l'usage désiré, les radar utilisent non seulement différentes bandes de fréquence (A), mais également différents taux de répétition des impulsions (PRF, Pulse Repetition Frequency) et des largeurs d'impulsions (PW, Pulse Width) variables. L'antenne émet une impulsion puis écoute le reste du temps ; cela permet l'émission d'impulsions de forte puissance et donc d'obtenir une bonne portée avec une puissance électrique moyenne consommée faible. Mais, chaque impulsion ayant un cycle identique, entraîne des erreurs de détection si un écho revient après la première période d'écoute. La portée d'un tel radar sera donc déterminée par la durée d'écoute, inversement proportionnelle au PRF.

Antenne yagi

Le Japonais Yagi Hidetsugu (qui a aussi travaillé sur le magnétron) est le chercheur dont l'invention est peut-être la plus familière à chacun quasiment sous sa forme initiale puisque les antennes individuelles utilisées pour la réception de la télévision hertzienne et qui sont constituées d'un certain nombre de dipôles, ont été réalisées pour la première fois par cet inventeur en 1926. On les appelle très souvent des « yagis ». Ces antennes à dipôles furent les premières utilisées pour le radar.

Radar de veille

Un radar de veille utilise une antenne qui tourne régulièrement autour d'un axe vertical et illumine à un instant donné un dièdre d'arête verticale, c'est-à-dire une faible zone en azimut autour de l'antenne, ce qui permet de mesurer l'azimut des objectifs détectés. La distance (radiale) des objectifs étant également mesurée, on en déduit la position horizontale d'un objectif, c'est-à-dire la position géographique du point à la verticale duquel il se trouve. Les objectifs sont alors visualisés sur un écran circulaire de télévision, sous forme de points lumineux dont l'emplacement correspond à la position horizontale des objectifs (le radar étant situé au centre de l'écran, par exemple). Certains de ces radars sont assez perfectionnés pour mesurer également l'altitude des objectifs : on les désigne alors sous le nom de radars de veille tridimensionnels.

Les radars de veille sont optimisés pour la détection longue distance. Ils émettent à fréquence basse (Bande A-D OTAN (A)) pour une meilleure propagation mais avec une moindre résolution angulaire, ils ont une PW assez élevée (10 µs ou plus) et un PRF de l'ordre de 200 pps (pulsation par seconde). Avec une antenne qui tourne assez lentement, la cible est « illuminée » plusieurs fois pendant une rotation. Gros radars basés au sol avec des impulsions de l'ordre du MW et des portées (théoriques) de l'ordre de 500 km.

---

Radar de poursuite

Un radar de poursuite utilise une antenne qui illumine à un instant donné une très faible zone de l'espace autour d'un axe qui peut, par des mouvements appropriés de l'antenne (au moyen d'une mécanique d'autant plus complexe qu'elle est plus précise), être dirigé vers n'importe quel point de l'espace. Cet appareil est équipé de servomécanismes qui lui permettent de maintenir l'axe de l'antenne dans la direction d'un objectif donné et donc de suivre (de « poursuivre ») cet objectif quels que soient les mouvements de celui-ci. On connaît ainsi en permanence, à la sortie du radar, la position de l'objectif. De tels systèmes sont utilisés pour poursuivre les missiles lancés des champs de tirs et, dans les applications militaires, pour « s'accrocher » à un avion hostile et guider les canons de défense antiaérienne ou les missiles envoyés pour le détruire.

Ils utilisent des PW réduites, des fréquences plus élevées (Bandes E ou plus OTAN (A)) qui augmentent la précision de localisation et de calcul de vitesse par effet Doppler-Fizeau (B) et des PRF de 500 pps limitant leur portée théorique à 150 km.

Les radars de contrôle de tir et de pointage des canons ont des PRF supérieures à 1000 afin d'obtenir une excellente précision de localisation maximale, le balayage du faisceau radar s'effectuant en spirale serrée autour de la cible pour bien la « verrouiller ». (2)

Dans les radars de trajectographie balistique, la direction de la cible se déduit d'une mesure différentielle de signaux fournis par des cornets situés symétriquement par rapport au foyer d'émission/réception. Lorsque la cible est dans l'axe de l'antenne, les cornets délivrent des signaux identiques dont la différence s'annule.

Les radars embarqués à bord des avions, principalement militaires, sont capables de changer de mode, de fréquence d'émission, de PRF, de largeur d'impulsion, voire d'être dotés de modes mixtes. Il sont « pilotés » par un calculateur qui choisira les modes appropriés en fonction des séquences de vol : surveillance, alerte, conduite de tir, contre-mesure.

Amélioration de la détection des échos

Le codage des impulsions permet de retrouver les échos utiles dans un environnement d'écoute très parasité naturellement ou brouillé. La fréquence d'impulsion est modulée de sorte que le récepteur, au lieu de percevoir tous les échos et n'importe lesquels, ne capte que ceux qui présentent les mêmes caractéristiques que l'impulsion émise.

La compression d'impulsion est un autre facteur d'amélioration. Pour lancer des signaux porteurs d'une grande quantité d'énergie on pourrait, à puissance égale, utiliser des impulsions de longue durée, mais ce serait au détriment de la précision de la mesure de distance. On comprime les impulsions en les modulant en fréquence pour qu'elle reste brève tout en transportant une énergie efficace. Cela exige des moyens électroniques très complexes, mais donne d'extraordinaires résultats dans la détection d'objets éloignés ou répercutant mal les ondes. La compression des signaux permet d'obtenir une précision étonnante de la mesure de distance, avec des impulsions de 10 µs et puissance de crête de 1 MW.

Radars à « balayage électronique »

Pour choisir la zone éclairée par l'antenne d'un radar classique, il faut la faire tourner de la direction déjà analysée à la nouvelle direction choisie. À cause de l'inertie de l'antenne, ce ne peut être qu'un mouvement continu et lent ne permettant pas facilement de s'arrêter dans les zones intéressantes. Avec un radar équipé d'une antenne illuminant un dièdre de 0,360 degré d'ouverture, tournant 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 ms, avec dix ou cent cibles. Si, 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 plus de 3 la portée du radar.

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, 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 spécifique à semi-conducteurs. Une antenne ainsi équipée de déphaseurs et de leur système de commande est appelée « à balayage électronique ». 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.

Avec un tel dispositif, il est nécessaire de piloter les diagrammes de rayonnement de l'antenne par un calculateur qui, en plus, pourra facilement mettre en œuvre des fonctions de corrélation, de filtre à compression d'impulsion, d'émissions en polarisation circulaire, de gestion des effets Doppler-Fizeau (B), de manière à pouvoir, en fonction des résultats escomptés, éliminer les parasites et faire le tri des échos.

Un exemple d'utilisation de calculateur dans les systèmes de détection par radar peut être donné par le contrôle de la navigation aérienne qui nécessite de volumineux logiciels opérant en « temps réel ». 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.

Détection des formations nuageuses

À bord des aéronefs civils, le radar est utilisé pour détecter les formations nuageuses, turbulences ou orages dangereux pour la navigation aérienne et ainsi pouvoir changer de route pour les éviter.

Une longueur d'onde de l'ordre de 8 mm (A), permet d'explorer en détail la structure des nuages ou des faibles précipitations. Une longueur d'onde de l'ordre de 3 cm, 5 cm ou 10 cm (A), rend possible de détecter, de localiser, de délimiter les zones de précipitation, voire de mesurer leur contenu en eau.

L'intensité d'un écho radar sur une source nuageuse est donnée par la formule : (n.d^6)/(l^4), dans laquelle n est le nombre, par unité de volume, d'éléments précipitants détectables de diamètre d et l la longueur d'onde utilisée. On pourra lever l'indétermination entre n et d, en utilisant plusieurs radars travaillant sur des bandes (A) de fréquences différentes mais cela nécessite des circuits assez complexes d'intégration et de traitement du signal pour obtenir par visualisation les contours des iso échos.

Avec des traitements appropriés du signal et l'utilisation soit de plusieurs radars travaillant à des fréquences différentes, soit d'un seul radar à fréquence multiple et antenne à balayage électronique, on peut détecter la « bande brillante » de l'isotherme 0°C et la signature des pluies « glaçantes », la phase liquide ayant un coefficient de réflexion près de cinq fois plus élevé que la phase glace ainsi que la détection des nuages grêligènes.

Radar longue portée

Le seul moyen de balayer au radar des régions de plusieurs milliers de kilomètres est d'utiliser les AWACS, ces Boeing équipés d'une grande antenne sur le toit. La portée d'un radar basé au sol n'excède pas, en effet, quelques centaines de kilomètres. Les ondes électromagnétiques se propagent en ligne droite : elles ne peuvent donc, en raison de la courbure de la Terre, atteindre une cible située au-delà de l'horizon.

Pour franchir cette limite, il faut que le radar puisse contourner l'horizon. L'une des solutions envisagées est d'émettre les ondes vers l'ionosphère, une couche de l'atmosphère située entre 100 et 300 km d'altitude, qui a la particularité de réfléchir les ondes du radar. Si l'on utilise cette couche comme réflecteur, la portée du radar atteint près de 2500 km. D'où le qualificatif de radar « transhorizon ». Sous contrat de la DGA, l'Office national d'études et de recherches aérospatiales (ONERA) expérimente ce procédé depuis 1998 sur le site de Dreux-Senonches, en Eure-et-Loir.

Baptisé Nostradamus, le prototype a déjà permis de repérer des cibles mobiles jusqu'à plus de 2000 km en Méditerranée, ainsi que de suivre, à 5 km près, un avion qui se rendait de Corse à Tunis.

Nostradamus est un radar « monostatique » : l'émetteur et le récepteur sont sur le même site. D'autres types de radars transhorizons sont expérimentés aux États-Unis et en Australie : ils sont dits bistatiques, car le site d'émission et le site de réception sont distants de plusieurs centaines de kilomètres. De plus, le lobe d'émission du radar est orientable en direction, vers le secteur de l'horizon à surveiller, et en hauteur (plus ou moins incliné pour une portée plus ou moins grande). L'expérimentation de Nostradamus se poursuivra jusqu'en 2003.

---

Radar détectant les engins dit « furtifs »

Étrange radar que le RIAS (Radar à Impulsions et Antennes Synthétiques*) ; Des pylônes de 15 m de haut, implantés à la périphérie de deux cercles concentriques, le plus grand mesurant quelque 400 m de diamètre. Ces grands mats, qui portent des aériens de type dipôle, sont installés à 15 m environ les uns des autres. Cette disposition en fait un radar « bistatique » - « statique » parce que fixe, sans antennes tournantes, « bi » parce qu'il utilise des antennes différentes à l'émission et à la réception. Dans le fonctionnement, aucune ressemblance avec un radar ordinaire, le RIAS inonde les alentours de signaux radio. En termes de métier, il « illumine » l'espace environnant de manière uniforme et omnidirectionnelle. À vrai dire - c'est là le secret -, l'« éclairage » n'est pas tout à fait uniforme ; l'espace protégé par le radar a été découpé en millions de petits volumes élémentaires, dont chacun est « illuminé » selon un code qui lui est propre.

Quand un avion pénètre cet espace où grouillent les ondes radioélectriques, il renvoie un écho, faible certes, mais qu'il n'est pas besoin d'aller chercher avec une grande précision. Car l'écho porte en lui le code spécifique du volume élémentaire occupé à l'instant même par l'avion. Il suffit d'analyser le signal pour retrouver le code et, par là, reconnaître la position de la cible avec toutes ses coordonnées : site, azimut, hauteur. Plus besoin non plus de « pister » le mobile ; en repérant les cases successivement occupées par son passage, on établit facilement sa trajectoire et sa vitesse. On peut ainsi suivre à la trace, non seulement cet objet en particulier, mais tous les autres qui traversent au même moment la zone de couverture. Les cibles se trouvent « éclairées » en permanence tant qu'elles sont dans le rayon de portée du RIAS.

Cette technique ingénieuse présente bien des avantages, d'abord celui de détecter un objet sans lui envoyer d'ondes très puissantes. De ce fait, le RIAS est bien moins repérable par l'avion qu'il prend en chasse qu'un radar conventionnel. L'énergie radioélectrique transmise diminue en effet comme la puissance quatrième de la distance ; une énergie réduite de deux ou trois fois au niveau de l'émission, cela se traduit respectivement par 16 et 80 fois moins d'énergie reçue par la cible. Capter, analyser, décrypter, brouiller des signaux aussi faibles, demanderait des équipements électroniques tout à fait disproportionnés par rapport à ce qu'un avion peut emporter. C'est dire combien l'ennemi aurait du mal à contrecarrer l'action d'un tel radar. La supériorité du RIAS s'affirme encore par un autre aspect : il opère efficacement en bande métrique, contrairement aux radars classiques qui travaillent aux très hautes fréquences (bandes centimétriques à micrométriques) pour s'assurer une bonne résolution et réduire la taille de leurs antennes. Or, justement, aux grandes longueurs d'onde, la « surface équivalente radar » se laisse très difficilement améliorer malgré toutes les astuces de construction proposées par les techniques de « furtivité ». En outre, à ces fréquences-là, une présentation favorable de la cible face au radar ne contribue guère à réduire sa SER (Surface Équivalente Radar) (C).

Les Antennes Synthétiques

Dans les radars classiques, c'est l'antenne tout entière qui tourne pour que son faisceau radar balaie l'espace à surveiller. Avec une antenne à « synthèse d'ouverture », ce balayage s'effectue par un grand nombre de mini-antennes indépendantes qui rayonnent des ondes légèrement décalées dans le temps ; les interférences produites par ce décalage dans l'écho reçu en retour fournissent une image équivalente à une antenne classique de très grandes dimensions. L'ensemble de ces mini-antennes constitue une antenne synthétique. Le RIAS met en œuvre une technique similaire, mais bien plus complexe. Le système étant fixe au sol, on obtient le mouvement apparent de chaque antenne en activant successivement, par une commutation à très grande vitesse, les dipôles d'émission. On simule ainsi une antenne unique en déplacement très rapide et couvrant un espace de très grandes dimensions.

Protection contre les rayonnements

Certains polymères conducteurs, en particulier le polyacétylène dopé, se montrent très efficaces pour absorber avec une réflexion très faible les ondes électromagnétiques dans le domaine des hyperfréquences. Cette propriété, demandant un conditionnement adéquat du système, est mise à profit pour concevoir des blindages électromagnétiques ainsi que des masques capables d'atténuer le phénomène d'écho radar. Ils sont utilisés, par exemple, à l'arrière du radome des avions civils pour protéger le habitacle des rayonnements.

RADAR - Effets physiologiques des ondes hyperfréquences.

Généralités

On sait depuis longtemps que les ondes électromagnétiques de très hautes fréquences permettent de produire une élévation de température à l'intérieur des corps. Elles sont utilisées en particulier pour certains traitements médicaux (diathermie) pour la cuisson des aliments (Four micro-ondes) et dans différentes industries, en particulier pour le collage à chaud des résines synthétiques des contre-plaqués.

Mais s'il est possible d'appliquer sous contrôle médical de la chaleur au corps humain par un dispositif de diathermie, cela signifie qu'elle pourrait aussi être transmise involontairement par d'autres sources d'énergie de hautes fréquences, comme les stations puissantes UHF ou SHF.

Différents chercheurs ont étudié les effets des hyperfréquences sur l'organisme et ont montré, que le principal effet physiologique semblait dû à l'élévation de température, s'accompagnant d'un accroissement du débit cardiaque.

Une hausse excessive de la température peut occasionner des dégâts très graves, si le corps absorbe plus d'énergie qu'il n'est capable d'en dissiper.

Un rayonnement UHF permet par exemple de tuer une souris en 30 secondes, à proximité d'une source de 100 Watts. (Bande UHF : de 300 à 3000 MHz - Bande SHF : de 3 à 30 GHz).

Effets thermiques

La quantité de chaleur produite dans le corps dépend surtout de l'intensité du champ et de la durée de l'exposition, mais aussi de la fréquence de la source. On sait qu'aux fréquences les plus basses (en-dessous de 2 MHz), le corps est apparemment transparent, et qu'au-dessus de 10 GHz (longueur d'onde = 3 centimètres), la surface de la peau se comporte comme un réflecteur.

La profondeur de pénétration de l'énergie émise par une source puissante dépend donc en partie de la fréquence d'émission. L'hyperthermie locale ou générale provoquée dans les tissus humains par le rayonnement hyperfréquence a été largement examinée à partir de sources modulées en impulsions, dans la portion du spectre comprise entre 1 GHz et 10 GHz (Longueur d'onde = 30 cm à 3 cm), en particulier dans la bande 3 GHz (Longueur d'onde = 10 cm).

Il a été démontré que l'énergie pénètre dans les tissus à une profondeur comprise entre 1/10 et 1/100 de la longueur d'onde. Dans la bande 10 centimètres (3 GHz), très utilisée pour les radars d'aérodrome, la pénétration peut varier entre 1 millimètre et 1 centimètre, alors qu'à 600 MHz (ou 50 centimètres de longueur d'onde), elle peut facilement atteindre 5 centimètres.

Aux environs de 3 GHz, l'élévation de température est enregistrée dans les points situés juste sous la peau. L'échauffement est alors ressenti par le sujet ainsi prévenu du rayonnement excessif.

En revanche, aux fréquences plus basses, l'énergie pénétrant dans les tissus produit un échauffement diffus qui, lorsque la puissance est grande, peut causer des troubles graves aux organes internes. Les parties du corps qui manquent de cellules sensibles à la chaleur, ou qui ne peuvent dissiper convenablement l'énergie absorbée, sont les plus susceptibles d'être endommagées. Le système de refroidissement naturel constitué par les vaisseaux sanguins, peut-être insuffisant pour dissiper l'élévation de température provoquée par le rayonnement hyperfréquence.

Les phénomènes d'échauffement sont très complexes, car le corps humain peut être considéré comme un circuit électrique composé d'éléments très divers. L'énergie passe, par exemple, de la graisse humaine dont la conductivité est faible, au sang dont la conductivité est relativement élevée, cette discontinuité peut provoquer des réflexions ou des ondes stationnaires. Il est possible que d'autres phénomènes dangereux de nature physique et chimique résultent de l'exposition au rayonnement d'une source hyperfréquence puissante. Différents expérimentateurs pensent que dans de telles conditions, l'hémoglobine perd quelques-unes de ses propriétés et rend difficile le contrôle de la circulation sanguine.

Les parties du corps citées comme les plus vulnérables sont : Les yeux, les testicules, la vessie et la région gastro-intestinale.

Les yeux semblent de loin les plus susceptibles d'être affectés dangereusement.

Autres effets connus

Diverses autres expériences, effectuées sur des petits animaux (chiens, lapins, souris), ont montré que sous certaines conditions d'exposition, différentes parties du corps peuvent résonner de la même façon qu'une cavité. L'énergie rayonnée peut également interférer avec le système nerveux, perturber les réflexes et provoquer la perte des fonctions motrices.

À cause de la réponse moléculaire de certaines protéines, une exposition trop longue au rayonnement d'une source UHF puissante pourrait aussi avoir une influence néfaste sur le foie, mais ces effets n'ont été enregistrés qu'en dessous de 1 GHz, principalement aux environs de 300 MHz (Longueur d'onde = 1 mètre).

Niveau du rayonnement tolérable

Après avoir examiné les effets possibles des hyperfréquences sur l'organisme, il est nécessaire de connaître le niveau au-dessus duquel, le rayonnement est considéré comme dangereux. Disons tout d'abord qu'il est assez difficile d'exprimer ce niveau de façon certaine et qu'il est toujours prudent de se tenir au moins à 3 dB en dessous des chiffres cités.

Les dommages susceptibles d'être causés à un système biologique peuvent être exprimés par une expression de la forme CT = K, dans laquelle C est un facteur de concentration en relation directe avec l'intensité du champ dans l'espace occupé par l'organisme et T = le temps d'exposition. K est donc un nombre qui, lorsqu'il excède une valeur caractéristique, présente un risque certain pour l'organisme exposé.

Bien que cette expression ne puisse s'appliquer qu'avec une précision assez aléatoire, elle constitue un concept valable, et différents travaux ont été conduits sur une base expérimentale pour déterminer les limites du facteur C. Il y a lieu de noter qu'elle définit la densité d'énergie tolérable pendant des temps d'exposition prolongée. Des densités plus fortes pourraient être admises pendant des temps plus courts, mais il vaut mieux éviter ce risque. Les valeurs données ci-après s'appliquent uniquement aux effets thermiques et doivent être considérées comme provisoires, les recherches poursuivies sur les causes des effets dus aux radiations pouvant modifier ultérieurement ces limites maxima.

1. 0,003 W/cm² pour les fréquences inférieures à 500 MHz, où le danger d'échauffement existe en profondeur.
2. 0,01 W/cm² pour les fréquences comprises entre 500 MHz et 3 GHz où l'échauffement existe en profondeur et sous la peau.
3. 0,22 W/cm² pour les fréquences supérieures à 3 GHz où la perception de la chaleur par les cellules sensibles de la peau permet d'être averti du danger.

Pour les fréquences inférieures à 3 GHz, au-dessus du niveau 0,1 W/cm² les effets thermiques peuvent avoir des conséquences fatales.

La limite de sécurité fixée à 0,01 watt par centimètre carré (10^-2 W/cm²) est considérée comme satisfaisante et généralement acceptée pour toute la bande de fréquence comprise entre 500 MHz et 3 GHz, en particulier pour les radars de longueur d'onde de 50, 23 et 10 centimètres.

Détermination des densités de puissance à proximité de l'aérien

Le faisceau rayonné par l'antenne peut se répartir en trois zones.

• Zone de Rayleigh.
• Zone de Fresnel.
• Zone de Fraunhofer.

Zone de rayonnement proche (Zone de Rayleigh).

Dans cette zone, la propagation se fait suivant une onde plane, donc sans atténuation. L'énergie est canalisée dans un tube de largeur D. Les-calculs montrent que cette zone est réduite à R = 0,61 x D²/2λ (D = 0,3 x D²/λ) où D = Diamètre de l'aérien (La hauteur de l'antenne), λ = La longueur d'onde.

La densité d'énergie rayonnée dans l'axe du faisceau est constante et égale à : W = 16.P/Pi.D² avec W = Densité d'énergie en W/cm², P = Puissance rayonnée, D = Diamètre de l'antenne (en cm). On montre qu'à une distance égale à 0,6 D de l'axe du faisceau l'énergie est atténuée de 10 dB.

Zone intermédiaire (Zone de Fresnel).

Cette région du faisceau est une zone d'interférences et pour cette raison, a été appelée zone de Fresnel. Les phénomènes rencontrés dans cette zone sont extrêmement difficiles à calculer, pour ne pas dire presque impossible.

Zone éloignée (Zone de Fraunhofer).

Pour des valeurs de R > 2.D²/λ, le faisceau est formé, le champ décroît inversement en fonction de la distance. La densité de puissance rayonnée à une distance R de l'antenne est fonction du gain de l'aérien, pour le site considéré. Cette densité est donnée par la formule suivante : R = (Pw.Ga/4pi.W)^0,5 ce qui, après simplification, donne W = Pw.Ga/4pi.R² dans laquelle R = Distance à l'aérien en centimètres, Pw = Puissance rayonnée en Watts, Ga = Gain d'antenne (pour le site considéré) et W = Densité de puissance en W/cm².

Il est à noter que dans le cas d'un radar modulé en impulsions, à cause de l'inertie thermique des tissus, la puissance Pw qui nous intéresse est la puissance moyenne rayonnée. Cette puissance est obtenue, en tenant compte à la fois de la durée de l'impulsion (Tau) et de la fréquence de répétition (PRF) : Pmoyenne = Pcrête.Tau.PRF avec Tau en seconde et PRF en Hz.

En pratique, on examine deux zones de rayonnement :

1. La zone limitée à une distance R = 0,61.D²/2λ de l'antenne (Zone de Rayleigh).
2. Celle au-delà de cette distance R > 0,61.D²/2λ.

EXEMPLE avec un RADAR de type TA 10
(Installé à environ 10 m au dessus du niveau du sol)

• Fréquence émission : 2700 MHz - 3100 MHz soit longueur d'onde = 10 cm
• Largeur d'impulsion : 1 µs
• Fréquence de répétition PRF : 750 Hz
• Puissance crête rayonnée : 500 kW
• Puissance moyenne rayonnée : Pmoy(W) = 2 x 500.10^3 x 1.10^-6 x 750 = 750 W
• Tilt de l'aérien : antenne pointée à +3 degrés.
• Antenne AC316 : Gain maximum : 34dB - Dimension du réflecteur : 4,7 m sur 2,7 m - Vitesse de rotation : 15 t/mn.

Calcul de la densité d'énergie rayonnée

Zone proche (Zone de Rayleight).

La limite de cette zone est donnée par la relation 0,3.D²/λ = 18 m.

L'énergie maximum au centre du faisceau est :

W (W/cm²) = 16.P/Pi.D² = 61 mW/cm²

À une distance de 0,6 D (soit 1,6 m) du centre du faisceau, cette énergie est atténuée de 10 dB et est égale à 6,1 mW/cm². Cette distance se trouve environ à la partie inférieure du réflecteur de l'antenne.

Zone éloignée (Zone de Fraunhofer).

La distance R de l'aérien pour laquelle la densité de puissance excède le niveau limite de sécurité (10^-2 W/cm²) est, suivant la direction de gain maximum de l'antenne : R = (750*2500/4Pi.0,01)^0,5 = 38 m.

Le tableau suivant récapitule les niveaux d'énergie rayonnée jusqu'à une distance correspondant à un niveau limite de 10^-6 W/cm², soit 3800 m. Les densités de puissance sont données en fonction de la distance à l'antenne et pour différents angles de site (a=alpha).

Densité de puissance rayonnée

Distance antenne (en m)	a = +3° Ga = 34 dB	a = 0° Ga = 29 dB	a = -1° Ga = 24 db	a <= -5° Ga = 2 db
3800 m	1 µW/cm²	0,3 µW/cm²	0,1 µW/cm²	10-4 µW/cm²
2000 m	3,7 µW/cm²	1,2 µW/cm²	0,4 µW/cm²	2.10-3 µW/cm²
1000 m	15 µW/cm²	5 µW/cm²	1,5 µW/cm²	10-2 µW/cm²
500 m	60 µW/cm²	19 µW/cm²	6 µW/cm²	4.10-2 µW/cm²
100 m	1,5 mW/cm²	0,5 mW/cm²	150 µW/cm²	1 µW/cm²
80 m	2,4 mW/cm²	0,7 mW/cm²	230 µW/cm²	1,5 µW/cm²
50 m	6 mW/cm²	2 mW/cm²	0,6 mW/cm²	4 µW/cm²
20 m	37 mW/cm²	12 mW/cm²	4 mW/cm²	23 µW/cm²

EXEMPLE avec un RADAR de type LP 23 (Plus puissant)
(Installé à environ 10 m au dessus du niveau du sol)

• Fréquence émission : 1270 MHz - 1370 MHz soit longueur d'onde = 23 cm
• Largeur d'impulsion : 3 µs
• Fréquence de répétition PRF : 375 Hz
• Puissance crête rayonnée : 2,4 MW
• Puissance moyenne rayonnée : Pmoy(W) = 2 x 2,4.10⁶ x 3.10^-6 x 375 = 5400 W
• Antenne AT431 : Réglage en site : +2°, Gain maximum : 36dB, Dimension du réflecteur : 13 m sur 7 m, Vitesse de rotation : 6 t/mn.

Calcul de la densité d'énergie rayonnée

Zone proche (Zone de Rayleight).

La limite de cette zone est donnée par la relation 0,3.D²/λ = 65 m.

L'énergie maximum au centre du faisceau est :

W (W/cm²) = 16.P/Pi.D² = 34 mW/cm²

À une distance de 0,6 D (soit 5,4 m) du foyer, cette énergie est atténuée de 10 dB et est égale à 3,4 mW/cm².

Zone éloignée (Zone de Fraunhofer).

La distance R de l'aérien pour laquelle la densité de puissance excède le niveau limite de sécurité (10^-2 W/cm²) est, suivant la direction de gain maximum de l'antenne : R = (5400*4000/4Pi.0,01)^0,5 = 130 m.

Le tableau suivant récapitule les niveaux d'énergie rayonnée jusqu'à une distance correspondant à un niveau limite de 10^-6 W/cm², soit 13000 m. Les densités de puissance sont données en fonction de la distance à l'antenne et pour différents angles de site (a=alpha).

Densité de puissance rayonnée

Distance antenne (en m)	a = +2° Ga = 36 dB	a = 0° Ga = 30 dB	a = -1° Ga = 21 db	a <= -6° Ga = 4 db
13000	1 µW/cm²	0,25 µW/cm²	3.10-2 µW/cm²	6.10-4 µW/cm²
10000	1,7 µW/cm²	0,4 µW/cm²	5.10-2 µW/cm²	1.10-3 µW/cm²
5000	7 µW/cm²	1,7 µW/cm²	0,2 µW/cm²	5.10-3 µW/cm²
1000	170 µW/cm²	43 µW/cm²	5 µW/cm²	0,1 µW/cm²
500	0,7 mW/cm²	0,2 mW/cm²	21 µW/cm²	0,5 µW/cm²
200	4,3 mW/cm²	1 mW/cm²	0,14 mW/cm²	2,7 µW/cm²
150	7,6 mW/cm²	2 mW/cm²	0,2 mW/cm²	5 µW/cm²
120	12 mW/cm²	3 mW/cm²	0,4 mW/cm²	7,5 µW/cm²

L'examen des résultats permet de constater que la zone autour de l'antenne où le niveau de rayonnement dans le lobe principal excède le niveau limite de 10 mW/cm² est de 38 mètres pour le radar de type TA10 et de 106 mètres pour le radar LP23, ces zones étant définies pour les axes de rayonnement maximum.

En considérant une densité de puissance de l'ordre du µW/cm², les zones limites deviennent, pour un axe de rayonnement alpha = 0° et au niveau du sol :

Radar	alpha = 0	Niveau du sol
TA10	1000 m	100 m
LP23	5000 m	300 m

Il est donc absolument indispensable de respecter les consignes et d'arrêter les émetteurs avant de monter sur les plate-formes des antennes.

Antenne en fonctionnement

Les calculs précédents ont été effectués pour des temps d'exposition prolongés, c'est-à-dire avec antenne arrêtée. En pratique, pour une antenne en rotation, il faut tenir compte de la largeur en azimut du faisceau ainsi que des pertes dues à la rotation qui sont de l'ordre de 0,8 dB, les largeurs de faisceau étant de 1,2° pour l'antenne AT431 et de 1,5° pour l'antenne AC316. L'énergie rayonnée moyenne dans une direction précise se trouve atténuée dans un rapport d'environ 1/300 soit 25dB ce qui donne que l'énergie rayonnée moyenne à la partie inférieure du réflecteur devient 20 µW/cm² pour le radar de type TA10 et 11 µW/cm² pour le LP23.

À proximité de la station, cette énergie, difficile à calculer, est sans doute inférieure au µW/cm².

Ces calculs montrent que les stations radars, à condition d'être installées en hauteur avec un aérien pointant vers la haut, ne présentent pas de danger aux rayonnements hyperfréquences pour toute personne située au sol et à proximité d'une station.

Mesure du risque

Cette mesure est difficile, de nombreux paramètres interviennent : Fréquence, Puissance rayonnée, Position par rapport à la source, Nature de l'onde, Type de modulation, etc.

À partir de ces données, la mesure consiste à quantifier séparément le champ électrique (V/m) et le champ magnétique (A/m) puis à corréler les résultats pour obtenir la notion de densité de puissance (W/m² ou ses sous-multiples).

Une modélisation du corps humain soumis à un champ a permis de définir la notion d'Absorption Spécifique (AS - SA, Specific Absorption).

L'Absorption Spécifique est le rapport de la quantité d'énergie (dW) absorbée par unité de masse (dm) dans un volume (dv) de densité p.

SA = dW/dm = dw/pdv en joules par kg

La notion de durée d'exposition définit le Taux d'Absorption Spécifique (TAR - SAR, Specific Absorption Rate) :

SAR = (d/dt).(dw/dm) = (d/dt).(dw/pdv) en watt par kg

La moyenne du SAR pour le corps humain est de 1,88 W/kg pour une densité de puissance de 10 mW/cm². Mais toutes les parties du corps ne sont pas égales devant le rayonnement hyperfréquence ; certaines sont beaucoup plus sensibles que d'autres, principalement en raison des phénomènes de résonance entre la longueur d'onde du rayonnement et la longueur de l'organe.

Valeurs du SAR (W/kg) pour une densité de 10 mW/cm² pour différentes parties du corps :

• Yeux : 0,456
• Cœur : 0,589
• Coude : 0,539
• Testicules : 0,480
• Vessie : 1,333
• Genou : 8,230
• Cuisse : 3,292
• Cheville : 4,768

Le standard ANSI définit les niveaux limites de densité de puissance en fonction de la fréquence :

0,3 MHz à 3 MHz	100 mW/cm²
3 MHz à 30 MHz	décroît de 100 mW/cm² à 1 mW/cm²
30 MHz à 300 MHz	1 mW/cm²
300 Mhz à 1,5 GHz	croît de 1 mW/cm² à 5 mW/cm²
1,5 GHz à 100 GHz	5 mW/cm²

Radar aviation civile

Bien que les puissances moyennes mises en jeu dans les radars montés sur les avions civils soient bien plus faibles que celles des radars au sol, il convient de respecter certaines précautions :

- Ne pas se mettre à hauteur du radome lorsque le radar est en fonction.

- Toujours mettre hors tension les émetteurs radars lors des interventions sur les antennes et les guides d'onde.

- En atelier, ne pas faire fonctionner un émetteur radar sans qu'il soit raccordé à une antenne réelle ou fictive.

RADAR - L'Historique

Avec l'apparition de l'arme aérienne, un des soucis des armées fut la défense aérienne. La défense contre avions (DCA) est confrontée au problème de la détection des aéronefs. Il n'existe alors que le guet à vue et il est souvent trop tard pour donner l'alerte et déclencher les canons de DCA.

Et, comme souvent, la recherche de la solution à ce problème militaire permettra d'avancer dans la technique électronique : Heinrich Hertz a démontré, en 1886, la possibilité des ondes radio à être réfléchies par les corps métalliques et électriques, comme des ondes lumineuses, des ingénieurs ont perçu les applications militaires de cette découverte.

Le principe en a été décrit dès 1900 par Nikola Tesla, et les premiers brevets de radars datent de 1904 et ont été déposés par l'Allemand Christian Hulsemeyer : « appareil de projection et de réception d'ondes hertziennes pour donner l'alarme en présence d'un corps métallique ». C'était un détecteur radio destiné à éviter les collisions en mer auquel il donna le nom de « télémobiloscope », appareil qui n'atteignit cependant pas le stade de la production industrielle. En 1922, l'Italien Guglielmo Marconi et les Américains A.H. Taylor et L.C. Young reprirent ce principe tel quel, mais en l'enrichissant d'une méthode simple de localisation : connaissant la vitesse de propagation des ondes radio, il suffisait de diviser en deux le temps écoulé entre l'émission et la réception de l'écho sur l'objet pour déterminer la distance à laquelle se trouvait celui-ci. Cette méthode allait favoriser la détection par ondes pulsées, dont on connaissait beaucoup mieux le moment d'émission que celui des ondes continues, employées jusqu'alors.

De 1930 à 1934, des savants américains (A. H. Taylor, L. C. Young et L. A. Hyland), français (Pierre David, Maurice Ponte et Henri Gutton) et allemands expérimentent différents systèmes de détection en ondes continues, et parviennent à repérer des objets métalliques à plusieurs dizaines de kilomètres. Ces systèmes utilisent les ondes métriques, permettant des détections d'avions avec des portées intéressantes - 80 km en 1934 - avec une longueur d'ondes de 5 m (A), par les chercheurs américains du Naval Research Laboratory - mais sans permettre une bonne évaluation de la distance. Ceux qui tentent des expériences sur ondes décimétriques comme Ms Pierret et C. Gutton, employant une longueur d'onde de 0,16 m, ou les chercheurs allemands, avec le système Gema de 0,50 cm (A), se heurtent au manque de puissance des émetteurs.

Vers le milieu des années trente, les grandes puissances commencent à utiliser la détection radio dans la défense antiaérienne. Les Français déploient un barrage électromagnétique dit « Barrage David » qui était installé de façon continue de la frontière belge aux Alpes. Il peut indiquer la direction et la vitesse de l'objectif en comparant les déphasages doppler des lectures reçues d'une paire de « cellules », mais ne peut préciser leur emplacement. En 1935, l'Allemagne était au moins à égalité avec la Grande-Bretagne : Le premier radar allemand, Freya, de 125 MHz (longueur d'onde de 2,4 m (A)), dirigé par le Bureau des signaux maritimes, sous la supervision de Rudolf Kuhnold, donnait des résultats prometteurs, confirmés par le radar de 560 MHz construit en 1938 par la firme Telefunken et la Luftwaffe à Wurzbourg, radar de DCA émettant sur 53 cm. Outre huit centres de recherche militaire, deux cents instituts travaillaient au perfectionnement du radar, sous la direction, incohérente, du maréchal Goring.

Les plus avancés sont les Britanniques. Depuis 1935, grâce aux recherches de Robert Watson-Watt sur les signaux en impulsions, ils décident d'investir dans les techniques de détection. Les résultats sont spectaculaires. En août 1938, trois stations couvrent l'estuaire de la Tamise. En mars 1939, une vingtaine d'émetteurs fonctionnant sur une longueur d'onde de 6 à 13 m (A) et disposant d'une portée de 150 à 200 km sont mises en service sur la côte sud de l'Angleterre. Même si la qualité de ses radars est inférieure à celle des prototypes allemands, la Grande-Bretagne dispose d'un réseau efficace. Les radars sont reliés au Fighter Command de la RAF à Stanmore, lui-même en contact avec le Central Operations des formations de chasse. Celui-ci connaît la position des chasseurs britanniques grâce à un émetteur, le Pip-squeak, installé sur chaque avion. Les contrôleurs aériens peuvent donc rapidement envoyer les chasseurs à la rencontre de l'adversaire. L'emploi du radar décida l'issue de la bataille d'Angleterre en permettant d'assurer un rendement maximum à la chasse britannique qui, autrement, se serait épuisée en patrouilles infructueuses.

Mais, en ondes centimétriques, la France était nettement en avance, grâce au Pr Clavier (LMT), à Maurice Ponte (SFR), à Gutton (CSF), à Gérard Lehman (Sté Sadir). Albert Vasseur, dans son ouvrage « De la TSF à l'électronique », rapporte que, dès le début de 1935, la CSF avait obtenu des échos en utilisant un magnétron capable de produire des impulsions de plusieurs kilowatts.

Un bureau Bruxellois de négociation de brevets d'invention traita la cession, notamment pour les États-Unis, d'un brevet déposé en 1937 par la Société de Téléphonie et de Télégraphie de Paris, dont le titre était « Procédé de conduite de mobiles sans conducteur », portant sur un dispositif et procédé comportant un émetteur central et deux récepteurs latéraux qui, tournant sur une tourelle disposée sur les vedettes rapides lance-torpilles, permettaient de détecter tous les obstacles se présentant à l'horizon, notamment maritime. Dès qu'un obstacle était décelé, le dispositif d'émission et de réception restait automatiquement orienté dans la direction de celui-ci, quelque rapide qu'en fut le changement de direction. Conjointement et automatiquement, les moteurs de la vedette accéléraient, et le gouvernail, également automatisé, permettait de se lancer à toute vitesse sur l'obstacle détecté. Sur intervention de l'attaché militaire auprès de l'ambassade de France à Bruxelles en 1938, tous les documents sur ce brevet furent remis à l'ambassade. Ce brevet n'a plus jamais été mentionné. Il présentait l'intérêt d'une focalisation très poussée ; or, celle-ci n'était devenue possible qu'en 1936, grâce à l'invention du détecteur télémétrique radio par l'Anglais R. A. Watson-Watt. Ce dernier, en effet, avait imaginé de concentrer l'émission des ondes électromagnétiques par un canon à électrons, installé dans le tube cathodique d'émission, et d'amplifier les impulsions reçues par un magnétron et un amplificateur. C'est en cette même année 1938 que les Anglais équipèrent leurs côtes d'une chaîne de stations radar et que les Américains perfectionnèrent le détecteur de Watson-Watt, réalisant ainsi le SCR-270, premier radar réellement performant. Est-ce une coïncidence ou une amélioration du brevet français ? Et qu'est donc devenu ce brevet français ? Entre 1987 et 1989, une personne déposa toute une série de brevets sur des procédés et dispositifs d'émission d'ondes infra soniques directionnelles, dont l'orientation s'effectue par radar et la focalisation par laser, et désira étudier le brevet de la Compagnie de Téléphonie et de Télégraphie sans fil de Paris (en 1937). En dépit de toutes ses recherches, il n'a pu trouver trace du dépôt fait en Belgique. L'occultation a dû être de très grande envergure, et effectuée avec un soin très minutieux. Les services de brevets de divers pays ont certainement dû autoriser cet escamotage, très justifiable, d'ailleurs, à cette époque. Mais pourquoi, tant d'années après la guerre, on soustrait cet important fleuron du génie des chercheurs français.

Le 8 mai 1940, peu avant la rupture du front français, Ponte et le Cdt Labat remettent deux exemplaires du magnétron m16 à l'Admiralty Signal Establishment de Wembley, afin d'en faire bénéficier les études britanniques. Le prototype français constituait une étape importante vers le magnétron centimétrique de grande puissance. Il a permis aux chercheurs anglo-saxons de gagner un temps précieux en cette période critique... « Ces faits furent confirmés par Megaw, en 1946, dans le « Journal of IEE » (« Ce fut, écrit-il une contribution essentielle au radar »), ainsi que Randall et Boot, toujours dans le « Journal of IEE », par D McIntyre, de la Royal Navy (« la technique française se révéla d'une valeur considérable dans le développement du magnétron 10 cm »), comme le rappelle l'ouvrage de Vasseur. Une mise au point a été apportée lors de la première Convention de radio location, à Londres le 26 mars 1946. Dans l'exposé des travaux réalisés pendant la guerre, personne n'avait fait mention du magnétron apporté par la France. Ce fut Maurice Ponte lui-même, alors membre de la délégation française, qui intervint pour rappeler son aide du 8 mai 1940.

Le premier radar sur navire fut installé par la CRM (Compagnie Radio Maritime) en 1935 sur un navire français, le célèbre transatlantique Normandie. Sa portée était de 10 km, certes moins que celle du Wurzburg, mais bien assez pour un navire de ligne. Il y demeura jusqu'en 1939, année où les Américains le démontèrent quand le paquebot se trouvait dans le port de New York, où il fut mystérieusement incendié.

Un article intitulé « Essai de détection des icebergs dans l'Atlantique nord » a paru dans la revue « Le haut-parleur » en 1938. Deux pages étaient consacrées aux explications, une photo du cargo « France » montrait les antennes utilisées.

Mais beaucoup de progrès restent à faire. Dès 1940, la France disposait, d'un certain nombre de radars prototypes à impulsions en ondes métriques ayant détecté des avions jusqu'à plus de 100 kilomètres de distance. Entre 1940 et 1944, les navires Richelieu, Strasbourg, Algérie, Jean-Bart et Colbert étaient équipés de radars. La C.S.F. avait, jusqu'en 1940, poursuivi des études sur la possibilité d'obtenir des impulsions puissantes en longueurs d'onde décimétriques (16 cm) (A), ayant pour réaliser ce projet l'idée d'utiliser dans les tubes émetteurs dits magnétrons une source particulière d'électrons, la cathode à oxyde. Un tel tube ainsi équipé fut remis le 8 mai 1940 aux chercheurs anglais, et, selon les propos du docteur E. C. S. Megaw de l'Admiralty Signal Establishment, « ce fut le point de départ de l'emploi de la cathode à oxyde pratiquement dans tous les émetteurs à impulsions, et, en conséquence, ce fut une contribution importante au radar ».

Dès l'été 1940, des savants sont mobilisés par centaines dans leurs laboratoires pour concevoir un système de détection précis et à longue portée. Utilisant les recherches sur les ondes courtes effectuées par les savants français du Centre de télégraphie Sans Fil, et en particulier l'emploi de la cathode à oxyde dans les émetteurs à impulsions, l'équipe de l'Université de Birmingham, dirigée par John Randall et Henry Boot, réussit à mettre au point le magnétron à cavité (Voir partie technique) qui peut émettre un faisceau puissant sur ondes courtes. Mais il faut encore de longs mois de recherches avant que les premiers radars centimétriques n'entrent en service, fin 1941. Les Alliés disposent d'un avantage décisif, auquel ils doivent des succès inespérés, tant dans la guerre navale que dans la guerre aérienne. La radionavigation permet en effet de mener l'offensive aérienne sur l'Allemagne tandis que sur mer, le radar autorise la défense des navires contre les avions et les sous-marins. De leur côté, les Allemands en restent longtemps au système des ondes métriques. Dès 1941, ils équipent les côtes de la Manche et de la Mer du Nord en radars émettant sur des longueurs de 2,40 m à 6 m (A). À la fin de 1944, ils sont sur le point de combler leur retard. La défense aérienne reçoit alors les nouveaux radars Jagdschloss Z émettant sur 9 cm (A), mais trop tard : la chasse allemande est trop affaiblie pour en tirer parti.

Le livre de Cajus Bekker, « Radar » retrace la lutte acharnée opposant les Anglais aux Allemands pour obtenir et conserver la supériorité dans la technologie radar, surtout en matière de détection d'avions, afin de tenter de briser les raids massifs des Alliés de 1941 à 1945. Partis en 1939 avec une bonne avance en ondes métriques, les Allemands perdirent pied à partir de février 1943. Et cela par suite des ordres d'Hitler datant de l'été 1940 : « Toutes les recherches ne pouvant produire des appareils utilisables au front dans un délai d'un an doivent être interrompues ». Ce qui stérilisa tous les progrès allemands. C'est là une preuve de plus de l'inculture scientifique d'Hitler (il avait déjà rejeté la relativité et ses applications en physique comme « science juive » et de son incapacité à saisir l'importance de la recherche scientifique). En avril 1940, en effet, les Allemands disposaient déjà du Wurzburg, radar à portée de 70 km, qui indiquait le gisement, l'altitude et la distance d'avions ; s'ils avaient poursuivi leurs recherches, le destin de la guerre en eût peut-être été changé. Quand, en 1943, les Allemands découvrirent dans l'épave d'un bombardier anglais un radar à ondes centimétriques, il était trop tard : non seulement les Alliés avaient fait passer leur puissance de crête à 50, puis à 300 kW mais, quand Hitler se décida à rappeler les six mille savants qui servaient sous l'uniforme afin de relancer la recherche en électronique, deux mille d'entre eux manquaient à l'appel.

Le radar, né d'une exigence de défense aérienne a incontestablement joué un rôle décisif dans l'évolution de la Seconde Guerre mondiale.

Depuis 1945, l'avion est devenu inconcevable sans le radar qui, outre de nombreuses applications scientifiques et militaires est maintenant l'élément incontournable de toute circulation, aérienne, maritime ou... routière.

Historique par des « brèves » de journaux.

1935, 9 septembre. Londres. On détecterait les avions sur un écran.

Au département « top secret » de la recherche, on laisse entendre que les chercheurs sont désormais capables de détecter la position des avions en vol en utilisant les ondes radio. R. Watson-Watt, responsable de l'expérience, vient d'écrire au Comité pour la recherche de la défense aérienne. Il propose de construire des stations équipées du nouveau système de détection radio sur tout le littoral sud et sud-est, pour identifier les bombardiers ennemis. La démonstration de ce nouvel appareillage, le 26 février dernier à Daventry, devant un membre du bureau du ministère de l'Air, a été concluante. Depuis, des fonds ont été dégagés et le groupe de Watson-Watt travaille loin de la foule, à Orford Ness on Suffolk, pour mettre au point ce nouveau système.

1936, 13 mars. Bawdsey. Un avion est détecté à 5 000 m d'altitude.

Nouvelle percée dans la détection des avions en vol : un Hawker Hart volant à 5 000 m a été repéré aujourd'hui par les services de détection radio. Les techniciens sont désormais capables de calculer le cap de l'appareil identifié, en plus de sa vitesse, si elle est supérieure à 100 km/h, et d'estimer son altitude. Le gouvernement suit de très près les progrès de la recherche en ce domaine. Le 16 septembre 1935, un comité de défense aérienne a voté les crédits pour la création sur tout le littoral de l'English Channel d'une série de stations dotées de ce nouveau type d'équipement. Le système fonctionne en émettant une impulsion radio qui est réfléchie par l'avion vers la station émettrice. Le temps de détection est calculé puis affiché sur un oscilloscope. Les opérateurs en déduisent alors la vitesse, la distance et la direction de l'appareil, donc la position.

1939, 1er avril. Grande-Bretagne. Les radars anglais surveillent la Manche.

Les Français comptent sur la ligne Maginot, les Anglais sur leurs radars face à la menace allemande. Ils ont construit une ligne de stations radar sur la côte est qui est à même de détecter les avions ennemis au-dessus de la Manche et du continent. Ce réseau d'alerte très efficace fonctionne désormais en continu. Il ne cesse d'être perfectionné.

1940, 18 septembre. Bentley Priory. La protection radar s'est révélée efficace.

La bataille d'Angleterre tourne ces derniers jours à l'avantage de la RAF. Cet important succès est largement dû à l'utilisation du nouveau réseau de protection radar, le Chain Home. Le centre nerveux de la défense radio britannique est installé dans le Middlesex, à Bentley Priory, où il est logé dans un château du XVIIle siècle. C'est de là que sir Hugh et ses officiers observent sur écran les escadrilles ennemies qui arrivent vers l'Angleterre, et préparent les ripostes les plus efficaces. Cette station, aussi équipée du RDF (Radio Detection and Finding), permet de maintenir les chasseurs de la RAF au sol jusqu'au moment opportun et de les diriger à la rencontre de la Luftwaffe. Les Allemands ne semblent pas avoir trouvé un moyen de parer à cette tactique.

1943, 31 janvier. Hambourg. Avec le H2S, les Halifax voient plus loin.

Le Bomber Command a lancé une première mission de bombardement avec des Halifax équipés du système de radar embarqué H2S. Le raid s'est déroulé de nuit, avec Hambourg pour objectif. La mission est qualifiée de succès. Maintenant une altitude élevée qui les protégeait de la Flak, les bombardiers se sont dirigés avec une grande précision vers leur cible. Les opérateurs radar distinguaient bien sur leur écran lumineux la différence entre les échos faibles, reçus de la mer, et ceux plus denses et brillants reçus de la côte et de l'agglomération de la grande ville.

1944, 5 juin. Cap de la Hague. Les Typhoon épargnent un seul radar.

Vingt-cinq appareils de la RAF ont détruit à la bombe et à la roquette la station radar de la Luftwaffe. Désormais, de Cherbourg à Calais, il ne reste plus qu'un seul radar opérationnel, à Boulogne. Il a été épargné, afin d'enregistrer quelques heures avant le débarquement l'écho du rideau de bandelettes de papier d'aluminium qu'on larguera peu avant Boulogne. Les Typhoon 1-B se sont révélés parfaits pour ce type de mission. Sidney Camm, l'ingénieur en chef de Hawker, qui a aussi créé le Hurricane, en a fait un avion d'assaut solide et massif. Son habitacle est à 2,5 m du sol. Dès que les pilotes se sont familiarisés avec l'avion qui embarque très fort à droite au décollage, ils le trouvent bien armé, rapide et agréable, à condition de ne pas oublier d'ouvrir souvent les gaz à fond pour décrasser les bougies, sinon, le moteur s'arrête.

1954, 16 décembre. Orly. Le radar d'Orly veille sur le ciel de Paris.

Jacques Chaban-Delmas, ministre des Transports, a inauguré le premier radar primaire installé à Orly par le service de la navigation aérienne. Ces installations, qui desservent le centre de contrôle régional et la tour de contrôle, permettent une amélioration des méthodes de suivi du trafic aérien. Avant l'atterrissage, les avions sont guidés par les contrôleurs vers la balise où débutera l'approche de l'aéroport. Aux heures de pointe, le radar permet un espacement des avions et leur surveillance dans des zones d'attente vers lesquelles ils sont dirigés. Enfin, le contrôle d'approche en finale prend en charge les appareils au moment de la phase ultime. Le pilote est transféré d'un contrôleur à l'autre suivant sa position. Face à l'accroissement de la circulation aérienne aux alentours des aéroports de Paris, ces techniques augmentent la sécurité.

1955, 23 février. États-Unis. Un radar à bord pour le mauvais temps.

Après United Airlines qui avait utilisé le radar de bord construit par RCA sur l'un de ses DC-3, Pan American Airways vient d'installer un appareil similaire, fabriqué par Bendix, sur l'un de ses DC-6B. Pan Am l'utilisera trois mois en différents points du globe. Ce radar de bord n'est pas d'une interprétation simple. Il rend sur l'écran aussi bien les effets de sol avec ses contours et les gros reliefs montagneux que les masses d'eau que forment parfois les orages. Ce sont ces derniers qui sont les plus intéressants à identifier. Dans le cas d'un vol par nuit noire, il est impossible de détecter les orages qui sont pourtant faciles à éviter si on en connaît le contour.

1956

Les Lockheed L-1649A Starliner furent les premiers avions de ligne à être équipés de série d'un système radar météo.

1957, 25 Août. Orly. Air France met en ligne son premier Super Starliner équipé de radar météo.

Au décollage à Burbank, le Super Starliner d'Air France, immatriculé F-BHBO, emportait plus de 36000 litres d'essence dans ses réservoirs. Il avait l'intention de rallier directement Orly, sans escale, soit un vol de 9 343 km. Il a réussi en 16 h 21 min, à la vitesse de croisière de 574 km/h. À l'arrivée sur la piste d'Orly, il lui restait encore un potentiel d'une heure de vol. Dès qu'il fut au sol, le commandant renversa le pas des hélices Hamilton et les quelque 42 tonnes de l'avion furent freinées par la puissance des moteurs, utilisée cette fois afin de réduire la vitesse. Pour le dernier modèle de la série des Constellation, le L-1649, Lockheed est revenu à des moteurs à pistons qui donnent une puissance de 3400 ch chacun alors que le modèle 1049 avait des moteurs de 2800 ch.

---

(A) Détermination de la fréquence

Pour déterminer la fréquence en fonction de la longueur d'onde, il faut utiliser la formule :

f = longueur parcourue par la lumière en une seconde (299 792 458 m exactement) divisée par la longueur d'onde, soit 300 MHz pour les ondes métriques, 3 Ghz pour les ondes décimétriques, 30 GHz pour les ondes centimétriques, 300 GHz pour les ondes millimétriques, etc.

Pour toutes les valeurs de longueurs d'ondes de ce texte

Longueur	Fréquence	Longueur	Fréquence	Longueur	Fréquence
8 mm	37,5 GHz	3 cm	10 GHz	5 cm	6 GHz
9 cm	3,33 GHz	16 cm	1,87 GHz	50 cm	600 Mhz
2,4 m	124 MHz	5 m	60 MHz	6 m	50 MHz
13 m	23 Mhz

Les fréquences sont classées en différentes catégories selon leur longueur d'onde :

• de 0 à 1 cm, Ondes radio
• de 1cm à 10 µm, Micro-ondes
• de 10 µm à 1 µm, Infrarouge
• de 1 µm à 100 nm, Lumière visible
• de 100 nm à 1 nm, Rayons ultraviolets
• de 1nm à 0,01 nm, Rayons X
• de 0,01 nm à 1 pm, Rayons Gamma

Les bandes de fréquence sont désignées par des lettres avec une ambiguïté selon que l'on suit les appellations OTAN ou les dénominations « officieuses » radar :

Bandes de fréquence

Longueur d'onde	Nom OTAN	Fréquence	Bande RADAR	Fréquence	Longueur d'onde utilisée
100 m	A	0 à 250 MHz
10 m	B	250 à 500 MHz	HF	3 à 30 MHz
1 m	C	0,5 à 1 GHz	VHF	30 à 300 MHz
			P	0,3 à 1 GHz	50 cm
30 cm	D	1 à 2 GHz	L	1 à 2 GHz	25 cm
	E	2 à 3 GHz	S	2 à 4 GHz	10 cm
10 cm	F	3 à 4 GHz
5 cm	G	4 à 6 GHz	C	4 à 8 GHz	5 cm
	H	6 à 8 GHz
3 cm	I	8 à 10 GHz	X	8 à 12 GHz	3 cm
	J	10 à 20 GHz
			Ku		2 cm
1 cm			K	12 à 36 GHz	1,5 cm
			Ka		1 cm
	K	20 à 40 GHz	Q	36 à 46 GHz
	L	40 à 60 GHz	V	46 à 70 GHz
	M	60 à 100 GHz	W	70 à 100 GHz

Utilisations principales avec la désignation Bande Radar :

• P et L, Radars sol grande portée
• S, Radars sol, de poursuite et trajectographie
• C, Radars de poursuite et trajectographie
• X, Idem + Radars de bord, radars spécifiques : atterrissage, météo, télémétrie
• K, Idem
• Q, Radars spécifiques : météo, télémétrie
• V, Idem

(B) Effet Doppler-Fizeau

C'est le mathématicien, physicien et astronome autrichien Johann Christian Doppler (1803-1853) qui énonça le premier, en 1842, les lois exprimant la variation de la hauteur d'un son perçu en fonction de la vitesse de la source par rapport à l'observateur. Le physicien français Armand Hippolyte Louis Fizeau (1819-1896) étendra en 1848 ces lois à la lumière. À l'instar des ondes sonores, la longueur d'onde de la lumière qui est émise par un corps subit un décalage vers le rouge ou vers le violet selon que le corps s'éloigne ou se rapproche de l'observateur. Cet effet Doppler-Fizeau, qui s'applique en fait à l'ensemble des rayonnements électromagnétiques, trouvera au XXe siècle sa plus éclatante application : grâce à lui, l'astronome américain Edwin Powell Hubble (1889-1953) mettra en évidence l'expansion de l'Univers.

Explication de l'effet Doppler-Fizeau avec des ondes sonores mais qui s'applique également aux ondes électromagnétiques.

Les ondes sonores issues d'une source immobile peuvent être représentées par des sphères concentriques centrées sur la source. Lorsque l'émission est isotrope (c'est-à-dire identique dans toutes les directions), le son perçu est le même, quelle que soit la position de l'auditeur.

Si la source sonore se déplace, l'émission n'est plus isotrope, mais possède une direction privilégié : la hauteur (c'est-à-dire la fréquence) du signal perçu par l'auditeur dépend alors de la position de ce dernier par rapport à la source. C'est ce que l'on constate dans l'exemple familier du camion de pompiers : sa sirène, aiguë lorsque le camion s'approche, devient plus grave lorsqu'il s'éloigne. Pourtant, le camion émet toujours le même son ! Mais, lorsqu'il s'approche, les ondes sont en quelque sorte « compressées » en direction de l'auditeur ; l'intervalle entre deux ondes décroît, ce qui équivaut à une augmentation de la fréquence, donc à un son plus aigu. Inversement, lorsque le camion s'éloigne, les ondes sont « étirées », la fréquence diminue, le son devient plus grave.

L'effet Doppler-Fizeau est mis à profit dans des domaines très variés :

- Médecine et chirurgie

Par exemple, étude de la circulation sanguine en utilisant une sonde émettrice-réceptrice immobile placée sur la peau en regard d'un vaisseau sanguin qui envoie vers des réflecteurs mobiles (globules blancs et rouges en particulier) un faisceau d'ondes ultrasonores dont les caractéristiques seront modifiées par le déplacement des réflecteurs. La fréquence du signal réfléchi est différente de celle du signal incident, proportionnellement au déplacement du réflecteur mobile, ce qui permet de mesurer la vitesse du sang. Il est possible de mesurer la profondeur d'une artère (délai entre la peau et l'apparition d'un signal artériel) et son diamètre (compte tenu de l'angle du faisceau ultrasonore par rapport à l'axe de l'artère) en calculant la distance entre les points d'apparition et de disparition du signal artériel.

- Aérodynamique

La vélocimétrie laser par effet Doppler est une technique optique de mesure des vitesses locales et instantanées dans les écoulements fluides et son intérêt principal réside dans le fait qu'aucune sonde matérielle n'est introduite à l'endroit où s'effectuent les mesures. Dans la configuration le plus généralement adoptée, deux faisceaux lasers cohérents entre eux, d'égale intensité, se croisent et sont focalisés dans un petit volume de mesure où est créé un réseau de franges d'interférence. On introduit, très à l'amont de la zone de mesure, des particules très légères et submicroniques qui suivent pratiquement sans aucun retard les accélérations et les décélérations de l'écoulement, ainsi que les fluctuations turbulentes. Chaque particule traversant le volume de mesure « voit » alternativement des franges sombres et brillantes et diffuse un flux modulé à une certaine fréquence ; la mesure de cette fréquence et la connaissance de la distance d'interfrange conduisent à la valeur de la composante de la vitesse perpendiculaire aux franges. Les montages à deux ou trois réseaux de franges permettent la mesure simultanée de deux ou trois composantes ; la vélocimétrie laser à effet Doppler constitue un outil extrêmement précieux pour l'étude de la turbulence.

- Astrophysique

Déplacement spectral vers le rouge ou vers le violet de la lumière émise par les étoiles en mouvement par rapport à la Terre. L'effet Doppler-Fizeau permet également de déterminer les vitesses radiales des étoiles, ce qui présente un intérêt considérable dans l'étude des amas, des associations et de la dynamique des galaxies en général, mais a permis également de découvrir que certaines étoiles étaient en réalité formées de deux composantes tournant l'une autour de l'autre (étoiles doubles spectroscopiques).

- Gendarmerie

Contrôle de la vitesse des véhicules, mesurée grâce à des radars Doppler : la vitesse est déduite du changement de fréquence entre l'onde émise et l'onde réfléchie.

(C) La « Surface Équivalente Radar »

La « Surface Équivalente Radar » d'un objet correspond à la superficie de la section droite d'une sphère métallique qui enverrait la même quantité d'échos que la cible considérée. Elle se compte par milliers de m² pour un navire, quelques m² pour un avion, une fraction de m² pour un missile. La « SER » tend vers zéro dans le cas d'un aéronef furtif.

Bibliographie

• Livrets de cours du Centre d'Instruction de Vilgénis d'Air France
• CMM (Component Maintenance Manual) des fabricants de radar de bord
• Radars Signals, C. E. COOK & M. BERNFELD, Acad. Press, New York, 1967
• Radar Handbook, M. I. SKOLNIK, McGraw-Hill, New York, 1972
• Physique et théorie du radar, J. DARRICAU, S.O.D.I.P.E., Paris, 1982
• Rayonnements électromagnétiques 3 kHz - 40 GHz - Conférence Hyper 92
• Encyclopédie Universalis.
• Science & Vie.
• Chronique de l'Aviation - Édouard Chemel.
• Ma mémoire et René Viquerat qui fut mon instructeur « radar ».