Théorie de la détection radar

Théorie de la détection radar

Historique

Le RADAR est l’une des merveilles du vingtième siècle. C’est un système électromagnétique utilisé pour détecter la présence des objets mobiles. En transmettant des ondes radioélectriques, dont la longueur d’onde varie de quelques centimètres à environ 1 m,il détermine leur trajectoire, leur vitesse, leur point de contact le plus proche et d’autres données. Son histoire a commencé par les travaux du physicien britannique James Clerk Maxwell, en 1864, qui a prédit mathématiquement que les radiations, qui seront connues ensuite sous le nom d’ondes électromagnétiques, ont quelques propriétés communes avec les ondes lumineuses. En particulier, la vitesse de propagation et la réflexion par les objets métalliques et diélectriques. Ceci a été démontré par le physicien allemand Heinrich Rudolf Hertz en 1886. L’ingénieur allemand Christian Hülsmeyerfut le premier, en 1904, à suggérer l’utilisation d’échos radio dans un appareil de détection afin d’éviter les collisions en navigation. Ensuite, en 1917, Nikola Tesla établit les principes théoriques (fréquences et niveaux de puissance) du futur radar. En 1922, un dispositif similaire fut proposé par l’inventeur italien Guglielmo Marconi. Par la suite, le radar fut développé progressivement, grâce à l’action de nombreux savants, ingénieurs et techniciens.

Plus tard, et au cours de la Deuxième guerre mondiale (Bataille d’Angleterre), Watson Watt (l’inventeur dit « officiel » du radar en 1935) a pu réaliser un détecteur radio que les Américains lui ont attribué le nom de RADAR. Les premières utilisations opérationnelles du radar eurent lieu pendant la seconde guerre mondiale afin de détecter depuis la côte l’approche de formations aériennes et de navires. Les radars ont aujourd’hui une très grande variété d’applications dans de nombreux domaines tels que : militaire, maritime, météorologie, circulation et sécurité routière etc. Au point de vue militaire, il a modifié progressivement les caractéristiques de la guerre aérienne en supprimant presque complètement la surprise dans le déroulement des opérations ; en effet, il permet de détecter, non sans quelques limitations, à grande distance, les avions et les navires, de suivre leur route, de jour comme de nuit, à travers les nuages, les brouillards et les fumées artificielles.

Définition du Radar

Le terme RADAR est la contraction de l’expression « RAdio Detection And Ranging », qui signifie détection de la présence et mesure de la distance d’objets on utilisant la propriété des ondes électromagnétiques de se réfléchir partiellement sur tout obstacle, permettant ainsi de détecter des objets (cibles) qui sont situés à l’intérieur de son volume de couverture pour en extraire des informations comme la position, la vitesse, la forme, ou tout simplement ‘radiorepérage’. Cet acronyme d’origine américaine a remplacé le sigle anglais précédemment utilisé : RDF « Radio Direction Finding ». Le sigle RADAR signifie :
x Radio : les radars fonctionnent à des fréquences comprises entre 3 MHz (ondes de surface ou par rétrodiffusion ionosphérique) et 100 GHz (courtes portées).
x Détection : des seules cibles utiles, définies par les spécifications de besoin des utilisateurs, donc avec rejet des signaux parasites après identification. Des paramètres discriminants sont déterminés pour séparer signaux utiles et parasites.
x And : simultanément.
x Ranging : localisation des cibles en quatre dimensions Site, Gisement, Distance et Vitesse radiale.

Le RADAR est donc un instrument d’alerte (détection) et de mesure (localisation). La détection et localisation doivent être obtenues dans un cadre espace-temps :
¾ le volume surveillé (dans les quatre dimensions),
¾ la cadence à laquelle cette surveillance doit être renouvelée.
Dans cette deuxième fonction, deux caractéristiques sont essentielles :
* précision, incertitude sur la valeur exacte de chaque paramètre de localisation.
* Pouvoir séparateur, ou résolution : possibilité de distinguer et de localiser séparément plusieurs cibles.

Radars imageurs / Radars non imageurs

Un radar imageur permet de présenter une image de l’objet (ou de la zone) observé. Les radars imageurs sont utilisés pour cartographier la Terre, les autres planètes, les astéroïdes et les autres objets célestes. Ils offrent aux systèmes militaires une capacité de classification des cibles. Des exemples typiques de radar non imageur sont les cinémomètres radars (les petits, sur le bord de la route…) et les radios altimètres. Ce type de radar est également appelé diffusiomètre puisqu’il mesure les propriétés de réflexion de la région ou de l’objet observé. Les applications des radars secondaires non imageurs sont par exemple les dispositifs d’immobilisation antivol installés sur certains véhicules privés récents.

Radars secondaires

Le radar secondaire fonctionne selon un principe différent : la cible qu’il éclaire génère (de façon active) les signaux de réponse. Le radar secondaire transmet des impulsions hyperfréquences (appelées interrogations). Celles-ci n’ont pas pour but d’être réfléchies, la cible étant équipée d’un transpondeur qui les reçoit et les traites. Ensuite le transpondeur met en forme et émet un message de réponse qui peut être reçu et décodé par notre radar secondaire. Dans le cas des radars secondaires, la coopération nécessaire de la cible (utilisation d’un transpondeur) permet une très forte réduction de la puissance émise (par rapport à un radar primaire offrant une portée de détection identique).

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Table des matières

Liste des Tableaux
Liste des Figures
Abréviations et Acronymes
Nomenclature
Résumé
Abstract
Introduction générale
Chapitre I : Généralités sur les Radar
I .1 Introduction
I.2 Historique
I.3 Définition du Radar
I.4 Classification des systèmes radars
I.4.1 Radars imageurs / Radars non imageurs
I.4.2.1 Radars secondaires
I.4.2.2 Radars primaires
I.5 Composantes d’un radar
I.5.1 Émetteur
I.5.2 Modulateur
I.5.3 Récepteur
I.5.4 Traitement de signal
I.5.5 Antenne
I.5.6 Joint tournant
I.5.7 Duplexeur
I.5.8 Synchronisation
I.6 Principe de fonctionnement
I.7 Mesure de la distance
I.8 Mesure de la direction
I.9 Équation de radar
I.9.1 Formule générale
I.9.2 Portée maximum
I.9.3 Bruit
I.9.4 relation entre SNRo et la distance antenne-cible
I.10 Surface effective de l’antenne et surface équivalente de la cible
I .11 Modèles statiques des cibles
I.11.1 Cible ponctuelle
I.11.1.1 Modèles de fluctuation
I.11.1.2 Modèles de Swirling
I.11.1.3 Modèle Gaussien
I.11.2 Cibles réparties
I.11.3 Cibles furtives
I.11.3.1 Bateau furtif
I.11.3.2 Avion furtif
I.12 Environnement Radar
I.13 Fouillis (clutter) et leur modélisation
I.13.1 Définition
I.13.2 Modélisation statistique
I.13.2.1 Distribution de Rayleigh
I.13.2.2 Distribution Log-normale
I.13.2.3 Distribution Weibull
I.13.2.4 Distribution K
I.13.2.5 Distribution Gaussienne (Normal)
I.14 Conclusion
Chapitre II : Détection Radar
II.1 Introduction
II.2 Théorie de la détection radar
II.2.1 Test d’hypothèses binaire
II.3 Critères de décision
II.3.1 Critère de bayes
II.3.2 Critère de Neyman-Pearson
II.3.3 Courbes de risque
II.3.4 Critère MINIMAX
II.4 Détection en présence du bruit
II.5 Probabilités de détection et Probabilité de fausse alarme
II.6 Techniques de détection dans un système radar
II.6.1 Détection par intégration
I.6.2 Détection à impulsion unique
II.7 Détection des cibles fluctuantes
II.7.1 Fonction de densité de probabilité 4
II.7.2 Choix de seuil
II.7.3 Calcul la probabilité de détection
II.7.3.1 Détection des cibles de modèle Swerling V (cibles non fluctuantes)
II.7.3.2 Détection des cibles de modèle Swerling I
II.7.3.3 Détection des cibles de modèle Swerling II
II.7.3.4 Détection des cibles de modèle Swerling III
II.7.3.5 Détection des cibles de modèle Swerling IV
II.8 Simulation et résultats
II.9 Conclusion
Chapitre III : Détecteurs Radar CFAR
III.1 Introduction
III.2 Détection CFAR
III.3 Principe du CFAR
III.4 Différents types de détecteurs CFAR
III.4.1 Détecteur CA-CFAR
III.4.1.1 Détecteur GO-CFAR
III.4.1.2 Détecteur SO-CFAR
III.4.2 Détecteur OS-CFAR (Order Statistic CFAR)
III.5 Formulation mathématique du problème
III.6 Analyse des performances d’un détecteur optimal
III.7 Méthode de mesure de la performance du détecteur
III.7.1 La méthode classique
II.7.2 La méthode de seuil moyen
III.8 Analyse des détecteurs CFAR
III.8.1 Analyse du détecteur GO-CFAR
III.8.2 Analyse du détecteur SO-CFAR
III.8.3 Analyse du détecteur OS-CFAR
III.9 Résultats des simulations
III.9.1 Détecteur CA-CFAR
III.9.2 Détecteur GO-CFAR
III.9.3 Détecteur SO-CFAR
III.9.4 Détecteur OS-CFAR
III.9.5 Comparaison des différents détecteurs CFAR
III.10 Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie