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Le radar, ça fait des vagues!

Antenne radar en bande C

Antenne radar en bande C (NASA, Wikimedia Commons)

Antenne radar en bande C

Antenne radar en bande C (NASA, Wikimedia Commons)

Quels sont les liens avec mon programme d'études?

Découvrez le fonctionnement du radar, son histoire et ses nombreuses applications dans la vie réelle.

T’es-tu déjà trouvé dans une grotte ou une pièce vide et as-tu essayé d’y crier ? Si oui, tu as probablement entendu un écho de ta voix. Les échos se produisent lorsque les ondes sonores se réfléchissent sur des objets, comme les parois d'une grotte. Plus on s’éloigne de la paroi, plus la voix met de temps à revenir à nos oreilles. Si tu connais le temps que met le son à se réfléchir et la vitesse du son, tu pourrais calculer à quelle distance le mur se trouve de toi.

Ceci est similaire au fonctionnement d’un radar. Mais au lieu des ondes sonores, le radar utilise des ondes radio pour détecter la position des objets. Les ondes radio se situent à l'extrémité basse énergie du spectre électromagnétique.

Spectre des ondes électromagnétiques. Les rayons gamma à haute énergie sont à l'extrême gauche et les ondes radio à faible énergie sont à l'extrême droite
Spectre des ondes électromagnétiques. Les rayons gamma à haute énergie sont à l'extrême gauche et les ondes radio à faible énergie sont à l'extrême droite (Adapté d'une image par Inductiveload [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia Commons).
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L'illustration montre le diagramme d'une échelle colorée avec trois rangées superposées. En partant du haut : type de rayonnement, fréquence et échelle approximative de la longueur d'onde en bas. La longueur d'onde rouge en haut est plus comprimée à gauche (rayons gamma) et s'étend progressivement vers la droite à mesure que la longueur d'onde augmente (ondes radio). La fréquence diminue de gauche à droite. Des exemples photographiques sont présentés sur la rangée du bas avec des noyaux atomiques à gauche et un bâtiment à droite.

Le radar est utilisé de nombreuses façons différentes. Dans les aéroports, les contrôleurs aériens utilisent le radar pour suivre les avions et les diriger sur leur trajectoire de vol. Les météorologues utilisent le radar pour prévoir les conditions météorologiques et localiser les systèmes météorologiques violents comme les ouragans.

Comment cela fonctionne

Un système radar ( en anglais avec sous-titres français) est composé de cinq éléments principaux. Ce sont l'émetteur, l'antenne, le duplexeur, le récepteur et l'écran. 

Les parties d'un système radar
Les parties d'un système radar (Parlons sciences à partir des images de ilyast via iStockphoto et ArnaPhoto via iStockphoto).
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L'infographie montre les composantes et la direction des signaux d'un système radar. L'image et le texte sont en blanc sur un fond bleu. Sur le côté gauche, on trouve un émetteur (en haut) et un récepteur (en bas). Un signal passe de l'émetteur, indiqué par des flèches orange, à un duplexeur, puis à l'antenne. Des lignes orange ondulées indiquent les ondes transmises de l’antenne. Des ondes entrantes, indiquées par des lignes bleues ondulées, sont reçues par l'antenne. Le signal entrant, indiqué par des flèches bleues, est ensuite renvoyé vers le duplexeur, puis vers le récepteur. De là, le signal est traité par un ordinateur et transmis à un écran.

  1. L'émetteur utilise un magnétron pour produire de courtes impulsions d'ondes radio.
  2. L'antenne envoie ou transmet les ondes dans l'air. Lorsque les ondes frappent un objet, elles se réfléchissent, ou rebondissent, vers la même antenne. L'antenne capte les ondes réfléchies lors des pauses entre les transmissions.
  3. Comme l'antenne a pour mission d'émettre et de recevoir des ondes radio, les radars sont équipés d'une pièce appelée duplexeur. Un duplexeur permet de faire basculer l'antenne entre l'émission et la réception. Tout comme vous faites une pause pour écouter l'écho de votre voix après avoir crié quelque chose dans une grotte, les radars doivent faire la même chose.
  4. Les informations provenant de l'antenne sont envoyées au récepteur. Un ordinateur dans le récepteur traite les ondes réfléchies pour leur donner un sens. En mesurant le temps que mettent les ondes à revenir, le récepteur peut dire à quelle distance se trouve l'objet. Le récepteur peut également identifier la vitesse de déplacement d'un objet et sa direction. Parfois, les radars sont également capables de détecter la taille de l'objet. Par exemple, un radar en bande S peut détecter les gouttes de pluie mais pas les nuages dont les gouttelettes sont trop petites.
  5. Les informations fournies par le récepteur sont ensuite affichées sur un écran pour que les gens puissent les voir.
Radar image of Hurricane Katrina
Image radar de l'ouragan Katrina (Image du domaine public du National Weather Service via Wikimedia Commons).
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Voici une image radar colorée de l'ouragan Katrina, datant de 2005. Elle présente un motif en spirale composé principalement de taches de couleur jaune, bleue et verte sur un fond noir. Des taches rouges sont visibles dans l'œil de l'ouragan, ainsi que sur le bord inférieur de l'ouragan. Le bleu indique des précipitations faibles et le rouge, les précipitations plus intenses. Le vert, le jaune et l'orange sont des niveaux de précipitations intermédiaires.

Les premiers radars

En 1886, Heinrich Hertz a découvert que les ondes radio pouvaient se réfléchir sur des objets solides. À l'époque, Hertz n'avait pas encore penser à une utilisation pratique de sa découverte. Plus tard, en 1897, Alexander Popov a découvert que les ondes radio pouvaient être utilisées pour détecter un navire en mer, mais lui non plus n'en a rien fait.

En 1904, l'ingénieur électricien allemand Christian Hülsmeyer a inventé un dispositif utilisant un radar qu'il a appelé Telemobiloskop. Il a eu l'idée de l'inventer lorsque, enfant, il a été témoin de la collision de deux navires par une nuit de brouillard. Il était déterminé à trouver un moyen d'éviter des tragédies similaires dues à une mauvaise visibilité. Son Telemobiloskop transmet des ondes radio qui se reflètent sur des objets métalliques, comme la coque des navires. Il a fait la démonstration de son invention à la marine allemande, mais celle-ci n'était pas intéressée à l'époque.

Telemobiloskop
Telemobiloskop (Parlons sciences utilisant une image de Владимир Мелентьев via iStockphoto).
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L'illustration en couleur montre un navire utilisant un telemobiloskop pour localiser un autre navire dans le brouillard. Les deux navires se font face. Les lignes pointillées bleues et rouges avec des pointes de flèches représentent les ondes radio émises par le telemobiloskop du navire de droite. Elles se réfléchissent sur la surface du navire de gauche et reviennent vers le telemobiloskop. Le cargo de gauche est recouvert d'un nuage gris pour représenter le brouillard. Les navires sont immergés dans de l'eau bleue sur un fond blanc.

Bien que de nombreux scientifiques aient contribué au développement du radar, le plus connu d'entre eux est le physicien écossais Robert Watson-Watt. À l'origine, son système radar a été conçu pour le bureau de météorologie de Grande-Bretagne afin de l'aider à détecter les tempêtes en approche.

En 1935, il a écrit au gouvernement britannique pour expliquer comment les ondes radio pouvaient être utilisées pour détecter les avions. Il est alors en mesure de démontrer que son système radar peut localiser des avions à une distance allant jusqu'à 140 km. Le gouvernement a alors réalisé le grand potentiel de ce système et, dès la Deuxième Guerre mondiale (1939-45), il l'a utilisé dans le cadre d'une série de radars appelée Chain Home. En détectant les avions ennemis, le radar Chain Home a joué un rôle important en aidant la Grande-Bretagne, la France et les États-Unis à vaincre l'Allemagne. Un système similaire a été développé à la même époque aux États-Unis. Ce système a permis de détecter l'approche d'avions japonais au-dessus de Pearl Harbor, à Hawaï, en décembre 1941. Malheureusement, personne ne s'est rendu compte de la gravité de l'approche de tant d'avions avant qu'il ne soit trop tard.

Le saviez-vous ?

Au début, ces systèmes n'étaient pas appelés radars. Le mot « radar »est un acronyme inventé dans les années 1940 par la marine américaine. Il provient de l’anglais « radio detection and ranging », ranging signifiant mesure de la distance.

Types de radars

Il existe deux principaux types de radar. Il s'agit du radar à impulsions et du radar à ondes continues.

Radar à impulsions

Comme expliqué ci-dessus, une impulsion d'ondes radio est transmise par l'antenne radar et se réfléchit sur la surface de la cible. Le signal de retour ou « écho » est reçu par l'antenne radar pour aider à mesurer la distance à la cible.

L'effet est très similaire aux lumières stroboscopiques clignotantes que vous voyez dans les soirées dansantes. Les flashs rapides de lumière vous permettent d'apercevoir des personnes ou des objets à travers la pièce par intervalles.

L'avantage des radars à impulsions est qu'ils fonctionnent mieux sur de longues distances que les radars à onde continue. 

Animation of a salt marsh as the tide comes in

Radar à impulsions (Source : Averse [CC BY-SA 2.0] via Wikimedia Commons).

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Graphique animé en couleur d'un radar à impulsions. Un chronomètre se trouve dans le coin supérieur gauche. Il indique le temps que prend l'impulsion pour être envoyée et réfléchie. Une antenne radar en bas à gauche envoie un signal (point bleu) en diagonale vers un avion gris dans le coin supérieur droit. Ce signal est réfléchi vers l'antenne sous la forme d'une ondulation bleu clair. Un graphique vert dans le coin inférieur droit indique le temps nécessaire à l'envoi et à la réflexion de l'onde.

Visualisation graphique d'une onde pulsée
Visualisation graphique d'une onde pulsée (©2022 Parlons sciences).
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Le graphique montre l'intensité du signal sur l'axe vertical et le temps sur l'axe horizontal. Une ligne bleue oscille de haut en bas dans une petite section du graphique. La ligne est horizontale de chaque côté de l'oscillation.

 

Radar à ondes continues

Dans un système radar à onde continue, il n'y a pas de pulsation des ondes. Les ondes radio sont transmises sans interruption.

Dans ce système, une onde avec une fréquence spécifique est transmise. Lorsque le signal émis frappe un objet en mouvement, le signal réfléchi change de fréquence. Le changement de fréquence est utilisé pour calculer la vitesse de l'objet. Un avantage des radars à onde continue est qu'ils peuvent fournir des informations continuellement mises à jour sur une cible.

Visualisation graphique d'une onde continue à haute fréquence et à basse fréquence
Visualisation graphique d'une onde continue à haute fréquence et à basse fréquence (©2022 Parlons sciences).
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Voici deux graphiques un au-dessus de l'autre. L'intensité du signal est sur l'axe vertical et le temps sur l'axe horizontal. Le graphique du haut montre une haute fréquence où la forme d'onde (bleue) semble plus comprimée. Le graphique du bas montre la basse fréquence où la forme d'onde (bleu) semble plus étirée.

 

Utilisations du radar

Radar de surveillance d'aéroport (ASR)

L'ASR est un système radar utilisé pour détecter et montrer l'emplacement des avions dans l'espace aérien autour des aéroports. Il s'agit du principal système de contrôle de la circulation aérienne utilisé dans le monde. L'objectif de ces systèmes de contrôle est de prévenir les collisions entre les avions. Pour ce faire, il indique l'emplacement et le mouvement des avions afin que les contrôleurs aériens puissent leur indiquer la direction à suivre. Ce système contrôle généralement le trafic dans un rayon de 96 km autour de l'aéroport pour les avions volant à une altitude inférieure à 7,62 km (25 000 pieds).

Les grands aéroports combinent souvent deux systèmes radar différents. Les systèmes de surveillance primaire utilisent une antenne parabolique rotative pour envoyer des impulsions d'ondes radio afin de détecter la position des avions. Les ondes rebondissent sur l'antenne depuis la surface de l'avion.

Un radar secondaire de surveillance rectangulaire est généralement monté sur le dessus du radar primaire. Ce type de radar agit uniquement comme un récepteur. Il reçoit les signaux des émetteurs, appelés transpondeurs, situés sur les avions. Ces signaux permettent aux contrôleurs aériens d'identifier les avions et d'obtenir des informations spécifiques sur l'avion, comme la vitesse et l'altitude.

The curved dish is the primary radar and the smaller rectangular metal grid above is the secondary radar
La parabole incurvée est le radar primaire et la grille métallique rectangulaire plus petite au-dessus est le radar secondaire (Source : Image du domaine public de la FAA via Wikimedia Commons).
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Photo couleur d'un radar de surveillance d'aéroport. On voit au premier plan une parabole incurvée orange (radar primaire). Une grille métallique rectangulaire horizontale (radar secondaire) est fixée au sommet de la parabole. Le système radar est monté sur une base au sommet d'une tour (non visible sur la photo). Des rampes grises entourent le périmètre du système radar. En arrière-plan, on peut voir un ciel bleu, des nuages blancs et la cime des arbres.

Radar display for air traffic control
Affichage radar pour le contrôle de la circulation aérienne (Source : Mark Brouwer [CC-BY-SA-2.5] via Wikimedia Commons).
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L'image montre un affichage radar de la circulation autour d’un aéroport. Les pistes et les voies de circulation sont noires et le terrain environnant est coloré en vert. Les avions apparaissent sous forme de petites formes blanches. À côté, on trouve des informations sur chaque avion, notamment son identifiant, sa vitesse et son altitude.

 

Radar météorologique Doppler

Le radar Doppler est un type spécifique de radar qui utilise l'effet Doppler pour collecter des informations sur un objet en mouvement. L'effet Doppler décrit la façon dont le son change lorsque la source du son se rapproche ou s'éloigne du récepteur.

Imaginez une voiture de police avec sa sirène allumée. Si la voiture ne bouge pas, la fréquence des ondes est la même dans toutes les directions. La sirène aura le même son si vous l'écoutez depuis l'avant ou l'arrière de la voiture.

Lorsque la voiture se déplace, les ondes commencent à se rapprocher devant elle. Les ondes sont comprimées, ce qui signifie qu'elles ont une fréquence plus élevée. Plus la fréquence est élevée, plus la hauteur du son est élevée, plus le son est aigu. Derrière la voiture, les ondes sont distancées, ce qui signifie qu'elles ont une fréquence plus faible. Ici, la hauteur du son est plus faible, le son est plus grave.

Le radar Doppler est capable d'utiliser la fréquence des ondes réfléchies pour mesurer les vitesses avec une grande précision. Ceci est très important pour le suivi des systèmes météorologiques. Dans le cas du radar météorologique, les objets sur lesquels les ondes se réfléchissent sont des gouttelettes d'eau. 

L'effet Doppler
L'effet Doppler (Parlons sciences utilisant une image de ttsz via iStockphoto).
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L'illustration en couleur montre la différence entre les ondes sonores d'une voiture de police à l'arrêt et celles d'une voiture de police en mouvement. Les ondes sonores autour de la voiture à l'arrêt (en haut) rayonnent uniformément dans toutes les directions. Les ondes sonores autour de la voiture en mouvement sont plus rapprochées à l'avant de la voiture et plus éloignées à l'arrière de la voiture. La direction du mouvement de la voiture est indiquée par une flèche verte qui pointe vers la droite.

 

Animation of a salt marsh as the tide comes in

Une image Doppler sur roues d'un orage près de La Grange, Wyoming (USA) capturée pendant le projet VORTEX2 (Image du domaine public par Joshua Wurman, Center for Severe Weather Research via Wikimedia Commons).

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L’image animée démontre un affichage météo doppler d'un orage en mouvement. Les bleus et les verts représentent les vents qui se dirigent vers le radar, tandis que les rouges et les jaunes indiquent les vents qui s'éloignent du radar. Le corps principal de l'orage est en forme de beignet se déplaçant à l'écran.

Radars aéroportés

Les radars aéroportés sont souvent utilisés par les militaires à des fins de défense aérienne. Ils sont utilisés comme systèmes d'alerte précoce pour détecter les avions ou les missiles ennemis.

Le radar de recherche est un type de radar aéroporté. Il peut balayer de grands volumes d'espace avec des impulsions d'ondes radio courtes. Ils balaient normalement un espace deux à quatre fois par minute.

Lorsque les radars de recherche détectent un objet volant, ils l'affichent sous la forme d'un point à l'écran radar qui est en forme de boussole. Le radar effectue un balayage circulaire, comme les aiguilles d'une horloge.

Search radar display. The bright spots are objects that the radar has detected
Affichage du radar de recherche. Les points lumineux sont des objets que le radar a détectés (Source : Tetiana Lazunova via iStockphoto).
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Image en noir et bleu d'un écran de radar de recherche. Les chiffres sont faiblement visibles sur la circonférence extérieure de l'affichage en forme de boussole. Les avions (points bleus) sont dispersés sur le côté gauche de l'écran. Un point plus clair apparaît en haut à droite, près d'une zone éclairée par le bras du radar qui se déplace autour de l'écran dans le sens des aiguilles d'une montre.

 

Les radars de ciblage fonctionnent de manière similaire, mais ils balaient des volumes d'espace plus petits et plus fréquemment. Ils balaient généralement une zone plusieurs fois par seconde. Les radars de poursuite sont encore plus précis. Ils permettent à un pilote de cibler un avion en utilisant le verrouillage des missiles. Il s'agit d'une caractéristique de certains radars qui leur permet de suivre automatiquement un objet. Une fois qu'un radar de poursuite s'est verrouillé sur une cible, le système de tir peut calculer une trajectoire pour un missile vers la cible.

Pour que les avions puissent échapper à la détection radar, ils ont besoin d'une technologie de furtivité. Il peut s'agir de technologies leur permettant de voler très vite, de formes qui réfléchissent les ondes de manière inhabituelle ou de matériaux absorbant les ondes radars.

Problèmes de radar

Le radar est très utile, mais il existe des moyens de le rendre moins efficace. Par exemple, pour confondre l'ennemi en temps de guerre, les pays envoient intentionnellement des signaux de fréquence radio remplis de bruit. Cette méthode consistant à couvrir les radars de bruit s'appelle le brouillage.

Les échos d'objets tels que la terre, l'eau, les précipitations, les animaux et même les insectes peuvent également poser des problèmes aux systèmes radar. Les échos de ces objets, connus sous le nom d’échos parasites, rendent difficile la détection d'objets intéressants. Une grande partie de la conception d'un radar consiste à réduire les effets de ce bruit de fond sans réduire les échos des objets cibles. 

Enfin, les signaux radar d'autres systèmes radar voisins peuvent parfois poser problème. Ce type d'interférence radar est plus problématique pour les systèmes de détection et de suivi automatiques. Il l'est moins pour les opérateurs radar entraînés qui savent faire la différence.

Autres utilisations des radars

Les radars ne pointent pas seulement vers le ciel ! Parfois, ils sont dirigés vers nous - ou plus précisément, vers les voitures dans lesquelles nous nous trouvons.

La police utilise des radars dans des appareils servant à détecter les véhicules qui roulent au-dessus de la limite de vitesse. Ils peuvent être portatifs ou installés à des endroits fixes. Des appareils similaires sont également utilisés pour mesurer la vitesse des lancers de balles de baseball et des bottés de ballons de soccer.

Hand-held radar system for speed detection
Système de radar portatif pour la détection de la vitesse (Source : bibiphoto via iStockphoto).
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Cette photo couleur montre un appareil radar portatif utilisé sur le bord d'une autoroute. Au premier plan, on voit l'écran de l'appareil et le dessus de la main d'une personne. L'écran affiche les chiffres de la vitesse et de la distance d'un camion de transport en approche. On peut voir un viaduc en béton derrière le camion.

 

Le saviez-vous ?

Dans certains cas, le radar est remplacé par un LIDAR. LIDAR est l'abréviation de « Light Detection And Ranging » (détection et mesure de la distance par la lumière). Il utilise des impulsions de lumière au lieu des ondes radio. Les scientifiques utilisent également une forme de ce radar visible pour mesurer la pollution atmosphérique à l'aide de lasers.

Les archéologues et les géologues utilisent également le radar. Ils utilisent un type de radar appelé radar à pénétration de sol. Ils l'utilisent pour étudier les couches de la Terre ainsi que pour trouver des gisements de minéraux et des objets d'intérêt historique. Le radar les aide à localiser les endroits où creuser afin d'éviter d'endommager d'importants vestiges culturels.

Image radar à pénétration de sol d'un cimetière historique. Les flèches indiquent de possibles restes humains
Image radar à pénétration de sol d'un cimetière historique. Les flèches indiquent de possibles restes humains (Source : Image du domaine public de Tapatio via Wikimedia Commons).
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L'image montrée est une image en échelle de gris des données radar. Les mesures de profondeur sont sur l'axe vertical et les mesures de position sont sur l'axe horizontal. Plusieurs lignes ondulées de couleur blanche et de tailles différentes sont visibles. Des flèches jaunes et rouges pointent vers ces ondes. Elles indiquent les emplacements possibles des restes humains qui ont réfléchi les signaux radar.

 

La National Aeronautics and Space Administration (NASA) des États-Unis utilise le radar pour de nombreuses choses. Elle l'utilise pour cartographier la Terre et les autres planètes, pour suivre les satellites et les débris spatiaux, ainsi que pour faciliter l'amarrage et la manœuvre des modules spatiaux.

Le radar est même utilisé dans l'étude de la migration et de la conservation de la faune. Sur un radar météorologique, un oiseau ressemble à une grosse goutte de pluie. Les météorologues apprennent à les filtrer. Afin d'étudier la migration des oiseaux, les chercheurs font le contraire. Ils filtrent les précipitations pour voir les oiseaux !

Vidéo ( en anglais sans son) Bird Migration and Radar( 2012) par C.L. Wood (46 s)

Avec autant d'utilisations pratiques du radar, même Heinrich Hertz serait étonné !

En savoir plus

Qu'est-ce qu'une onde électromagnétique ?
Cette vidéo Youtube (4min 22s) par CEA Recherche explique le fonctionnement des ondes électromagnétiques.

Radars météorologiques 101
Cette vidéo par Environnement et Changement climatique Canada explique comment le radar est utilisé pour déterminer le temps. Il peut détecter les tornades, les ouragans et les tempêtes de neige.

Quels sont les différents types de rayonnement?
Cet article provenant de Parlons sciences explique les différents types de rayonnements, le spectre électromagnétique et à quoi servent les différents types de rayonnements.

L'effet Doppler
Page d'information sur l'effet doppler avec des activités provenant d’Alloprof.

Références

Brain, M. (n.d.). How Radar WorksHowStuffWorks.com.

Britannica Kids (n.d.) radar.

Browne, J. (Jun 14, 2018). Pulsed vs. CW Signals: Both Loom on a Designer’s RadarMicrowaves & RF.

Encyclopaedia Britannica (n.d.). Radar: Atmospheric Effects.

Kobilinsky, D. (October 1, 2018). Weather radar helps predict bird migrationsThe Wildlife Society.

National Weather Service (n.d.). How Radar WorksNational Oceanic and Atmospheric Administration.

New England Historical Society (2022). Percy Spencer Melts a Chocolate Bar, Invents the Microwave.

NOAA National Severe Storms Laboratory (n.d.). Research Tools: RadarNational Oceanic and Atmospheric Administration.

Wolff, C. (n.d.). Air-Defense RadarsRadartutorial.eu.

Woodford, C. (Mar 12, 2021). RadarExplain That Stuff!