Classification des systèmes radar

Principe de fonctionnement

Le principe du radar consiste à émettre une onde électromagnétique dans une direction donnée et à détecter en retour l’onde réfléchie par un obstacle à l’intérieur de son volume de couverture [4,5]. Le but principal du radar est bien, de révéler la présence des objets (cibles) qui ne peuvent pas être observés visuellement, en plus d’informations additionnelles comprenant; la distance par une mesure exacte du temps écoulé entre la transmission et la réception du signal en retour et la direction par l’utilisation de modes d’antennes directives. Dans les premières séries de radars, deux antennes étaient utilisées pour comparer l’intensité de l’énergie réfléchie avec celle émise et ainsi déterminé la direction de l’écho.La classification de cibles,également être effectuée, par l’analyse des échos et leurs variations dans le temps. Un système radar est composé généralement d’un ensemble de sous-systèmes, représentant ainsi ses constituants majeurs, dans le but de contrôler ses capacitésopérationnelles. Les principaux sous-systèmes radars sont, l’antenne, l’émetteur, le récepteur et le traitement de signal. Le récepteur prépare les échos radar pour le traitement du signal par amplification et conversion de fréquence, l’extraction des informations de cible est effectuée par le bloc de traitement du signal. Ce dernier peut être intégré avec le récepteur, mais il est usuellement considéré comme un sous-système séparé et spécialement lorsqu’il est implanté d’une façon numérique.

L’Antenne

C’est l’élément le plus visible du radar. Son rôle est de concentrer l’énergie émise par le radar dans un angle solide déterminé. Le meilleur rendement d’une antenne radar est obtenu en la fixant à une hauteur de 3 à 6 mètres au-dessus du niveau de la mer, à l’endroit le plus dégagé possible. Placée plus haut, l’antenne devient sensible aux mouvements de roulis et de tangage. Placée trop bas, ses radiations sont dangereuses pour les personnes qui s’en approchent. L’antenne radar est dessinée de façon à concentrer l’énergie des impulsions émises en un faisceau horizontal étroit. Pour repérer les cibles, l’antenne émet sur le plan horizontal, un rayon très étroit (2 à 4º). Plus l’antenne est large, plus le faisceau est étroit. Sur le plan vertical, le rayon de balayage se situe entre 20 et 40º, et son centre est dirigé vers l’horizon de façon à tenir compte du roulis et du tangage sans perdre les cibles de vue. Les antennes radar doivent avoir une directivité élevée. La directivité d’une antenne caractérise la manière dont celle-ci concentre son rayonnement dans une certaine direction de l’espace pour envoyer un faisceau étroit étant donné que la largeur du faisceau est proportionnelle à la longueur d’onde du rayonnement et inversement proportionnelle à la largeur de l’antenne. Si le faisceau est trop grand, il y a gaspillage d’énergie. L’antenne peut être double afin de permettre indépendamment les fonctions d’émission et de réception.

Les modèles de fluctuations

Le terme fluctuation, dans les systèmes radar, appliqué aux échos radar décrit les changements de la surface équivalente radar (SER) des cibles complexes et les effets d’irrégularités dans l’indice réfractif atmosphérique (fluctuations de l’angle d’arrivé). En premier lieu, ces variations apparaissent en des changements de l’aspect de la cible vis-àvis du radar et il en résultent des variations dans les échos radar additionné à ceux causés par les conditions météorologiques, l’instabilité des équipements et autres. Pour représenter clairement ces fluctuations, les propriétés de la fonction densité de probabilité et de la corrélation en fonction du temps doivent être connues pour une cible et une trajectoire particulière. Dans le cas idéal, ces caractéristiques doivent être mesurées pour une cible, mais ceci est souvent impraticable. Il existe deux façons d’obtenir des informations sur les propriétés statistiques des fluctuations de la SER; La première est d’obtenir les données expérimentales du comportement des cibles dans différentes situations dynamiques et la seconde est d’introduire quelques modèles analytiques théoriques qui peuvent décrire ce comportement d’une manière satisfaisante. Deux types de fluctuations sont considérés : Cible lentement fluctuante ou fluctuante d’un balayage à un autre (scan to scan target) et cible rapidement fluctuante ou fluctuante d’une impulsion à une autre (pulse to pulse target).

• Cible lentement fluctuante : L’écho de cible ne change pas pendant l’émission des impulsions. (Par conséquent, les échantillons reçus sont les mêmes pour toutes les impulsions; il s’agit d’une seule réalisation d’une même variable aléatoire.

• Cible rapidement fluctuante : L’écho change de valeur d’une impulsion à l’autre. Donc les échantillons reçus sont des réalisations différentes de la même variable aléatoire. Généralement, les modèles de Swerling sont les modèles les plus utilisés pour représenter les fluctuations des cibles.Swerlinga observé et classifié les cibles selon les fluctuations en cinq modèles statistiques appelés Swerling0ou V (modèle non-fluctuant), Swerling I, II, III et IV(modèles fluctuants).

Conclusion générale

Les détecteurs CFAR peuvent être utilisés avec profit dans de nombreuses situations. Leurs résultats permettent de détecter des cibles noyées dans des signaux parasites dont les puissances sont inconnues tout en maintenant un taux de fausse alarme constant contrairement à la détection classique à seuil fixe. L’originalité du processus CFAR réside dans l’estimation du niveau du bruit; cetteestimation qui permet d’adapter le seuil de détection à la variation du bruit. De ce fait, ont découlé plusieurs détecteurs CFAR, l’idée principale restant cependant la même. Dans le détecteur CA-CFAR, par exemple, le niveau du clutter est estimé par la moyenne arithmétique des échantillons. Les deux variantes du CA-CFAR, qui sont le GOCFAR et le SO-CFAR ont été proposées pour améliorer la détection dans un environnement non homogène. Les détecteurs OS-CFAR sont proposés pour contourner l’effet de capture. Dans des cas plus complexes, l’environnement non homogène, et présence de cibles multiples, ces détecteurs font cependant preuve de limitation, d’autres méthodes doivent ainsi être envisagées. Dans le présent mémoire est divisé en quatre chapitres. Le premier donne une introduction aux systèmes Radar et ses différentes composantes. Le deuxième chapitre porte une analyse de l’équation radar en fonction de la surface équivalente et de la puissance d’émission, des résultats de simulation sont aussi présenté dans ce chapitre. Le troisième chapitre analyse la théorie de détection Radar et introduit la notion de probabilité de fausse alarme ainsi que les modèles des ciblesSwerling quels soientfluctuantes ou non. Dans le quatrième chapitre, nous présentant une analyse de performances des différents détecteurs CFAR et une comparaison entre eux. L’étude des Radar reste un domaine très difficile et multidisciplinaire est plain de perspectives de recherche telles que l’étude des milieux non-homogène et des cas de types de Radar bien précis.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
Chapitre I : Généralités sur les radars
I.1 Historique
I.2 Définition
I.3 Classification des systèmes radar
I.4 Principe de fonctionnement
I.4.1 Calcul de la distance
I.4.2 Calcul de la direction
I.5 Les composantes d’un radar
I.6Modèles statistiques des cibles
I.6.1 Les modèle de fluctuation
I.6.1.1 Swerling I (SWI
I.6.1.2 Swerling II (SWII
I.6.1.3 Swerling III (SWIII
I.6.1.4 SwerlingIV(SWIV
I.6.2 Les ciblesfurtives
I.6.2.1 L’avion furtif1
I.6.2.1 Le bateau furtif
I.6.3 Les fouillis (Clutter) et leur modélisation
I.6.3.1 Définition
I.6.3.2 Modélisation statistique
a-Distribution Rayleigh
b-Distribution Gaussienne (Normal)
c-Distribution log-normal
d-Distribution Weibull
e-Distribution K
I.7 Conclusion
Chapitre II : Equation Radar
II.1 Introduction
II.2Equation radar
II.2.1 Portée du radar
II.3Surface équivalente radar
II.3.1 Calcul de la surface équivalente radar
II.3.2 Exemples de SER
II.4 Simulation de l’équation radar
II.4.1 L’influence de la variation de la surface équivalente radar σ
II.4.2 l’influence de la puissance d’émission
II.5 Conclusion
Chapitre III : Détection Radar
III.1 Introduction
III.2 Théorie de la détection
III.3 Les critères de décision
III.3.1 Critère de Bayes
III.3.2 Critère de Neyman-Pearson
III.4 La détection dans la présence de bruit
III.5 La probabilité de fausse alarme
III.6 La probabilité de détection
III.7 L’intégration cohérente des impulsions
III.8 La détection des cibles fluctuantes
III.8.1 La fonction de densité de probabilité
III.8.2 Choix de seuil
III.9 Calcul la probabilité de détection
III.9.1 Détection des cibles de modèle Swerling V (cibles non fluctuantes)
III.9.2 Détection des cibles de modèle Swerling I
III.9.3 Détection des cibles de modèle Swerling II
III.9.4 Détection des cibles de modèle Swerling III
III.9.5 Détection des cibles de modèle Swerling IV
III.10Simulation et résultats
III.11 Conclusion
Chapitre IV: Analyse des détecteurs CFAR
IV.1 Introduction
IV.2.1 Les différents types de détecteurs CFAR
IV.2.1.1 Détecteur CA-CFAR
Détecteur GO-CFAR
Détecteur SO-CFAR
IV.2.1.2 Détecteur OS-CFAR
IV.2.2 Principe du CFAR
IV.3 Formulation mathematique du probléme
IV.4 Analyse des performances d’un détecteur optimal
IV.5 Methode de mesure de la performance de détecteur
IV.5.1 La méthode classique
IV.5.2 La méthode de seuil moyen
IV.6Analyse performances d’un détecteur optimal
IV.6.1 Analyse de détecteur CA-CFAR
IV.6.2 Calcul de perte de performance de détection
IV.6.2 Résultats de simulations pour le CA-CFAR
IV.6.3 Analyse du détecteur GO-CFAR
IV.6.4 Résultats de simulations pour le GO-CFAR
IV.6.4 Analyse du détecteur SO-CFAR
IV.6.5 Résultats de Simulations de l’analyse de SO-CFAR
IV.7 Comparaison des différents détecteurs CFAR
IV.8 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
Bibliographie