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Un outil indispensable: le Radar (première partie)
Si aux débuts du contrôle aérien la montre était essentielle, une invention militaire très utile allait glisser vers le domaine civil pour le révolutionner. Il s'agit bien sur du radar.
L'Histoire
Le radar ou plutot Ra.D.A.R est né avant la seconde guerre mondiale... Comme son nom l'indique (Radio Detection And Ranging), il s'agit d'une invention permettant la détection et la localisation par ondes radioélectriques. La première utilisation qui le rendit célébre pour nous, Européens, fut la Bataille d'Angleterre, bataille au cours de laquelle, les stations anglaises réparties le long de la côté permirent à la Royal Air Force d'anticiper sur les attaques de la Luftwaffe.
Les principes de fonctionnement
Plutôt que de partir dans des longs discours, nous allons aborder point par point le fonctionnement de notre radar. Pour commencer, le principe de base du fonctionnement du radar est l'émission réception d'un signal radioélectrique dans une direction.
La localisation
Comme indiqué plus haut, le radar, via une antenne
- qui peut être mobile souvent évoquée par une antenne tournante ou fixe comme l'était les installations britanniques de la Bataille d'Angleterre
- émet une onde radioélectrique
- une onde électromagnétique dans la gamme des ondes dites "radio"
- et cette onde est réfléchies par une cible. Cette cible revêtir diverses formes: avion, nuages, relief, etc. Le temps entre l'émission et la réception permet de calculer une distance puisque les ondes utilisées voyagent à la vitesse de la lumière,c'est à dire très grossièrement à 300 000 km/s.
Il est possible de faire un calcul assez bref pour comprendre le principe: un radar émet une impulsion qui est réfléchie et renvoyée vers sa source. Le temps entre émission et réception est de 1/1500 s... La distance de la cible est donc de 300 000 / 1 500 = 200 km.
La vitesse
Nous avons pu constaté qu'il était assez aisé de calculer la distance de la cible par rapport à l'antenne mais comment obtenir sa vitesse ? Une des solutions repose sur un principe de physique simple: la vitesse correspond à la dérivée de la position. Pour expliquer plus simplement, si nous calculons la distance parcourue sur des intervalles de temps court, nous pouvons évaluer la vitesse et l'axe "instantané" de déplacement. Cette ensemble de petite droite constitue une enveloppe de droites qui détermine la trajectoire. Mathématiquement, cette enveloppe est appelée dérivée.
Cette méthode a ses limites que nous évoquerons un petit peu plus loin. Une alternative à cette méthode mathématique est un phénomène physique plus complexe: l'effet Doppler.
Pour simplifier au maximum, nous pouvons résumer l'effet doppler à un changement de fréquence de l'onde réfléchie dépendant de la vitesse de la cible. Ainsi lorsque le radar émet avec une fréquence bien spécifique, il est susceptible de recevoir une réponse dans une gamme de fréquence différente. Cette différence, via un calcul savant, permettra de déterminer une approximation de la vitesse de la cible.
L'altitude
Nous allons commencer à aborder les limites du radar.. En effet, nous avons parlé de "localisation" et non pas de position. En effet, l'intervalle de temps entre émission et réception ne permet de déterminer que la distance entre l'antenne et la cible or deux cibles peuvent être à la même distance de l'antenne tout en se trouvant en deux positions différentes. Le schéma ci contre explique très bien pourquoi.
Un radar primaire, pour déterminer une altitude a besoin d'une deuxième antenne d'émission qui va balayer dans le plan vertical afin d'obtenir une information de site (d'où son appelation de "radar de site"). De cette manière, nous pouvons déterminer une altitude et donc des positions précises.
Les limites du radar
Vous constaterez que nous évoquons une "distance entre l'antenne et la cible"... Ce flou se justifie par une subtilité: l'utilisation d'un radar passe par celle d'un écran... La transformation d'une situation en trois dimensions (l'espace aérien) vers un espace en deux dimensions (l'écran radar) s'appelle une projection. Or cette projection a un effet indésirable; je m'explique: prenez deux avions volants à des altitudes différentes (ras du sol pour l'un et 10 000m pour l'autre) et vous pourriez avoir deux avions se trouvant à la même distance de l'antenne tout en étant en deux endroits très différents sur votre radar (l'avion à 10 000 étant forcément plus près de la source d'émission dans le cas d'une projection). Vous voyez l'une des limites du système: soit vous balayez des tranches très fines d'espace aérien pour en déduire une position précise des appareils, soit vous devez utilisez une deuxième antenne qui se chargera de la détection dans le plan vertical, ce type de radar est dit "de site".
Les autres inconvénients sont mutiples: un radar va repérer tout ce qui réémet ses ondes donc, par exemple, le sol, les nuages, les oiseaux, etc. A titre d'information, une bande autour du radar réemise par le sol est inutilisable; ce phénomène s'appelle le ground clutter. Vous aurez compris que lorsque vous cherchez des avions et non pas des reliefs, des oiseaux ou des nuages, il devient parfois difficile de s'y retrouver. Si vous en doutez, essayez de visiter une installation de détection militaire et de comprendre tout ce qui est visualisé sur l'écran ;D.
La suite
La solution pratique à tous ces problèmes marginaux du radar allaient venir encore une fois d'un dérivé d'applications militaires: le transpondeur, lui même exploité à l'aide d'un radar dit "secondaire" par opposition au radar primaire évoqué ci dessus.
