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Surveillance des océans par radar

Femme avec un drapeau canadien près de l'océan

Femme avec un drapeau canadien près de l'océan (edb3_16, iStockphoto)

Femme avec un drapeau canadien près de l'océan

Femme avec un drapeau canadien près de l'océan (edb3_16, iStockphoto)

Raytheon et Parlons sciences

Quels sont les liens avec mon programme d'études?

Apprends comment un type de radar particulier aide à surveiller et à protéger les océans du Canada.

Le radar est une technologie utilisée de nombreuses manières différentes, comme dans les avions et les navires, ou par les météorologues et la police, pour n'en nommer que quelques-unes.

Le mot RADAR signifie « Radio Detection and Ranging » (anglais pour détection et mesure de la distance par radio). Cette technologie utilise des ondes radio pour détecter et suivre la distance et la vitesse de différents objets.

Au Canada, l'une des utilisations importantes du radar est la surveillance des océans, en particulier de la zone économique exclusive (ZEE). Cette zone est définie comme la distance au large à partir de la côte dans laquelle un pays a des droits exclusifs pour l'exploration, l'exploitation, la gestion et la conservation des ressources vivantes et non vivantes. Cela inclut les ressources dans l’océan, telles que les poissons. Elle comprend également des ressources comme le pétrole et les minéraux qui se trouvent dans le fond marin. Au Canada, la zone s'étend à 200 milles marins (également appelés milles nautiques) du rivage qui est à peu près 370 km. Comme le Canada a un littoral très étendu, sa ZEE est également très vaste.

Carte de la ZEE du Canada
Carte de la ZEE du Canada (Source: Revue militaire Canadienne, Défense nationale du Canada).
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Voici une carte politique du Canada. Chaque province et territoire est représenté par une couleur différente. Des couleurs plus froides sont utilisées dans l'ouest et des couleurs plus chaudes sont utilisées dans l'est. Les frontières entre les provinces et les territoires sont indiquées par une ligne noire pointillée. Une ligne noire pleine s'étend le long de la frontière sud et à travers les Grands Lacs, indiquant la frontière internationale. Une ligne rouge, indiquant la ZEE, s'avance dans l'océan Pacifique à partir de la côte sud de la Colombie-Britannique, se déplace vers le nord parallèlement à la côte et revient à la côte sud de l'Alaska. Au nord, le long de la frontière avec l'Alaska et en ligne droite jusqu'au pôle Nord, se trouve une autre ligne noire de frontière internationale. À mi-chemin entre cette ligne et les îles des territoires du Nord se trouve une autre ligne rouge indiquant la ZEE. Du pôle Nord vers le sud, une autre ligne noire se trouve dans les eaux à l'est du Nunavut. À partir de l'endroit où cette ligne se termine, la ligne se poursuit sous la forme d'une ligne rouge qui suit les côtes de Terre-Neuve-et-Labrador et de l'Île-du-Prince-Édouard, indiquant la ZEE de l’est. De là, la ligne rejoint la frontière
internationale sud qui commence au Nouveau-Brunswick.

 

Le savais-tu ?

La ZEE du Canada a une superficie d'environ 2,9 millions de kilomètres carrés.

Comme la ZEE du Canada est très vaste et parfois en région très éloignée d’endroits habités, il est difficile de surveiller ce qui s'y passe. C'est là que la technologie radar entre en jeu.

Les systèmes radar recueillent des informations en envoyant et en recevant des ondes radio qui se réfléchissent sur les objets. Les ondes radio sont des ondes du spectre électromagnétique. Elles vont de 300 GHz à environ 1 kHz. Hz est le symbole du hertz. Le hertz est l'unité de fréquence du Système international d'unités (SI). Il est défini comme un cycle par seconde.

Comprendre les unités de fréquence

Mille hertz (103) = 1 kilohertz (kHz)

Un million de hertz (106) = 1 mégahertz (MHz)

Un milliard de hertz (109) = 1 gigahertz (GHz)

L’échelle radio du spectre électromagnétique va de 1 kilohertz (1 x 103 Hz) à 300 gigahertz (3 x 1011 Hz)

Fréquences des ondes sur le spectre électromagnétique. La gamme des ondes radio est mise en évidence
Fréquences des ondes sur le spectre électromagnétique. La gamme des ondes radio est mise en évidence (Parlons sciences utilise une image du domaine public de la NASA).
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L'illustration montre une échelle de couleurs bleues représentant la gamme des fréquences des ondes, des ondes radio de basses fréquences aux rayons cosmiques de hautes fréquences. L'échelle, en Hz, est représentée sur un fond noir. Chaque ligne augmente d'un facteur de 10 en commençant à 10 Hz et allant jusqu'à 10 à la puissance 24 Hz. Au-dessus de l’échelle, identifiée comme lumière visible, se trouve un rectangle rempli des couleurs de l'arc-en-ciel. L'ordre des types de fréquences d'ondes de gauche à droite est le suivant : VLF, LF, MF, HF, VHF, UHF, SHF, EHF, Infrarouge, Visible, Ultraviolet, Rayons X, Rayons gamma et Rayons cosmiques.

La gamme d'ondes comprises entre 1 kHz et 100 GHz est identifiée comme étant des ondes radio. Elles sont représentées par un texte noir sur un fond rectangulaire jaune. Les ondes radio ont la plus grande longueur d'onde du spectre électromagnétique, avec une basse fréquence de 300 gigahertz (GHz). À 300 GHz, la longueur d'onde est d'environ 1 mm (plus courte qu'un grain de riz) ; à 30 Hz, la longueur d'onde est de 10 000 km (plus longue que le rayon de la Terre).

Le savais-tu ?

Les micro-ondes sont un sous-ensemble des ondes radio. La fréquence des micro-ondes se situe entre 300 GHz et 300 MHz.

La fréquence d'une onde est directement proportionnelle à sa longueur d'onde. C'est-à-dire que plus la longueur d'onde est grande, plus la fréquence est basse et plus la longueur d'onde est petite, plus la fréquence est élevée.

Plus la longueur d'onde est grande, plus le signal peut voyager loin. 

Relation entre la fréquence et la longueur d'onde
Relation entre la fréquence et la longueur d'onde (©2022 Parlons sciences).
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On voit deux graphiques colorés l’un au-dessus de l’autre. Le graphique du haut montre une onde bleue étirée, de basse fréquence et de grande longueur d'onde. Le graphique du bas montre une onde bleue plus comprimée avec une fréquence élevée et une longueur d'onde courte.

 

Pour cette raison, les différents types de radar utilisent des fréquences différentes. Quelques exemples courants sont présentés dans le tableau ci-dessous.

Fréquence Exemples
3–30 MHz Systèmes de radars côtiers, radars trans-horizon
30–300 MHz Radars de défense aérienne à très longue portée, radars à pénétration de so
300–1000 MHz Radars de défense aérienne à longue portée
1–2 GHz Radars de contrôle de la circulation aérienne à longue portée
2–4 GHz Radars de contrôle de la circulation aérienne des aéroports, radars météorologiques à longue portée
4–8 GHz Transpondeurs de satellites, radars météorologiques, radars de poursuite à longue portée
8–12 GHz Radars de guidage de missiles, radars sur les navires, radars météorologiques, radars de poursuite à courte portée
18–24 GHz

Radars de vitesse de circulation

 

Les radars envoient des faisceaux d'ondes radio depuis des antennes. Celles qui ont la forme d'un bol, comme celle de l'image, sont également appelées antennes paraboliques.

Comme les rayons de lumière, ces faisceaux se déplacent en ligne droite. Lorsque les faisceaux frappent un objet, ils sont réfléchis et renvoyés vers les antennes.

De nombreuses antennes radar sont orientées vers le ciel. Cela est logique si l'on considère que la plupart des radars sont utilisés pour suivre des objets dans le ciel tels que des avions, des missiles en approche ou la météo.

Radar beam directed at an aircraft
Faisceau radar dirigé vers un avion (Parlons sciences utilise des images de sabelskaya via iStockphoto et de JakeOlimb via iStockphoto).
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L'illustration en couleur montre une antenne parabolique dirigée vers un avion. L'antenne se trouve dans le coin inférieur gauche. Il s'agit d'un ovale fixé à une base triangulaire. Un faisceau de couleur orange semble sortir d'une plus petite antenne au centre de l'antenne radar. Le faisceau commence par un point étroit et s'élargit en allant vers le haut et la droite de l'image. À l'extrémité du faisceau, dans le coin supérieur droit, se trouve la silhouette noire d'un avion commercial.

 

Limites du radar

Mais qu'en est-il lorsque tu veux suivre quelque chose de plus proche du sol, comme un avion en approche ?

Cela met en évidence l'un des défis de l'utilisation des radars. Comme les faisceaux d'ondes radio se réfléchissent sur les objets solides, les structures proches peuvent bloquer les ondes. C'est pourquoi de nombreuses antennes radar sont placées au sommet de tours.

Radar tower at an airport
Tour radar d'un aéroport (Source: ilfede via iStockphoto).
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Photo couleur d'un radar de surveillance d'aéroport. Sur un fond de ciel bleu, on aperçoit un avion sur la droite. Le corps de l'avion est blanc, tandis que le nez, les ailes et la queue sont de couleur grise. À gauche, on voit un radar au sommet d'une tour rouge et blanche. Le radar se compose d'une antenne parabolique incurvée (radar primaire) sur la partie inférieure. Une grille métallique rectangulaire horizontale (radar secondaire) est fixée au sommet de l'antenne. Des rampes rouges entourent le périmètre du système radar.

 

Un autre problème avec le radar est lié à la forme de la Terre. La surface de la Terre semble plate lorsque nous la regardons depuis le sol. Mais nous savons tous que la Terre est une sphère. C'est pourquoi nous ne pouvons voir qu'à une certaine distance. Après une certaine distance, la surface de la Terre s'incurve. Comme la lumière se déplace également en ligne droite, nous ne pouvons pas voir les choses au-delà de la courbe. Nous appelons cette distance l'horizon.

Il en va de même pour les radars. La plupart des types de radar ne peuvent pas détecter les objets à la surface de la Terre au-delà d'une certaine distance. Cette distance est appelée l'horizon radar. Comment peut-on donc utiliser un radar pour détecter des navires à plusieurs kilomètres des côtes dans la ZEE ?

Ordinary radar beam pointing towards the ocean
Faisceau de radar ordinaire pointant vers l'océan (Parlons sciences à partir des images de sabelskaya via iStockphoto et de Rassco via iStockphoto).
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L'image colorée d'un radar détectant un objet à distance.
On peut voir une butte de terre brune en haut à gauche de l'image. Sur cette butte se trouve le disque ovale de l'antenne radar. La butte est au-dessus d'une étendue d'eau bleue qui descend uniformément vers la droite. Un faisceau orange part de l'antenne radar et s'élargit en allant vers la surface de l'eau. L'endroit où le radar touche l'eau est l'horizon radar. Au-delà de l'horizon radar, à la surface de l'eau, se trouve un petit navire rouge et gris. Il se trouve sous le faisceau radar, ce qui signifie que le faisceau radar ne peut pas le détecter.

 

Pour cela, un autre type de radar est nécessaire.

Radars trans-horizon

Pour résoudre le problème des limites de distance, on a inventé les radars trans-horizon. Les radars trans-horizon utilisent des ondes de très basses fréquences et de très grandes longueurs d'onde. Il existe deux principaux types de radars trans-horizon : à ondes de surface ou à ondes de ciel (ou à rétrodiffusion).

Radar trans-horizon à ondes de ciel

Dans ce système, il est possible d'atteindre des endroits éloignés en faisant réfracter les ondes radio sur l'ionosphère. L'ionosphère est une couche d'électrons et d'atomes ionisés dans
 l'atmosphère terrestre. Elle s'étend d’environ 48 kilomètres au-dessus de la surface de la Terre jusqu'à la limite de l'espace à environ 965 km.

Example of a skywave radar
Exemple d’un radar trans-horizon par onde ionosphérique (Source: Charly Whisky [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia Commons).
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L'illustration en couleur montre la réfraction des ondes radio par l'ionosphère. Une vue de la surface de la Terre est représentée en bas de l'image. De l'eau bleue et des reliefs grisâtres sont visibles. Une bande bleue brumeuse, parallèle à la surface, est située au milieu de l'image. Elle représente l'ionosphère.
Deux séries de tours radio noires en forme de grille sont situées sur terre à la gauche de l'image. Une flèche rouge se dirige vers le haut depuis la série de tours radar la plus à gauche, jusqu'à l'ionosphère où elle se réfracte et redescend vers la Terre sur le côté droit de l'image. Une flèche orange similaire arrive à l'autre série de tours radar depuis la zone à droite. La zone où les deux flèches s'approchent de la terre est mise en évidence par un ovale rouge translucide.

 

Il y a plusieurs inconvénients à ce type de radar. D'abord, il faut des antennes très larges et très hautes. Ce n'est pas toujours pratique à construire.

D'autre part, les propriétés de l'ionosphère peuvent varier au cours de la journée. Cela signifie qu'elle peut réfracter les ondes de manière très différente, ce qui rend leur interprétation difficile. Ce type de radar nécessite des programmes informatiques complexes pour être efficace.

OTH skywave radar near Chernobyl, Ukraine. The taller radar towers are about 150 metres in height
Radar trans-horizon à ondes de ciel près de Tchernobyl, en Ukraine. Les tours radar les plus hautes ont une hauteur d'environ 150 mètres (Source: Ingmar Runge [CC BY 3.0] via Wikimedia Commons).
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La photo en couleur montre une rangée horizontale de tours radar hautes et étroites. À l'arrière-plan, on aperçoit un ciel bleu parsemé de nuages blancs et, au pied des radars, une dense forêt de conifères.

 

Radars trans-horizon à ondes de surface

Contrairement aux radars à ondes de ciel, les systèmes à ondes de surface utilisent des ondes de surface. Les ondes de surface sont des ondes radio qui se déplacent à la frontière entre le sol et l'atmosphère. Les ondes de surface sont souvent utilisées pour les communications longue distance.

Le savais-tu ?

La Terre réfléchit bien les ondes radio inférieures à 5 MHz.

Les ondes de surface peuvent également être utilisées à la surface de l'océan. Le radar à ondes de surface à haute fréquence (HFSWR) de Raytheon Canada Limited en est un bon exemple. Cette technologie est en développement depuis plus de 25 ans avec le soutien de Recherche et développement pour la défense Canada.

Le HFSWR est un type de radar côtier. Il est utilisé pour rechercher des éléments tels que les navires de contrebande ou trafiquant de drogue, ainsi que ceux de pêche et d'immigration illégales. Il peut également contribuer aux opérations de recherche et de sauvetage qui se déroulent loin dans l'océan. Outre le suivi des navires, il peut être utilisé pour la surveillance scientifique des courants de surface océaniques, des vents et même du mouvement des icebergs.

Fonctionnement du HFSWR

Le HFSWR utilise des impulsions d'ondes radio entre les fréquences de 3 et 30 MHz. Ce sont des fréquences beaucoup plus élevées que celles utilisées par les radars à ondes de ciel. Plus la fréquence est basse, plus un radar peut atteindre de grandes distances.

Contrairement aux autres radars côtiers qui utilisent des lignes de visée droites, le HFSWR suit la courbe de la Terre où l'air rencontre l'eau.

Cela donne au HFSWR une portée beaucoup plus grande que les radars à micro-ondes côtiers.

Radar à micro-ondes côtier comparé au HFSWR
Radar à micro-ondes côtier comparé au HFSWR (Source: Dr. Tony Ponsford via ResearchGate).
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Cette infographie en couleur compare les performances d'un radar à micro-ondes côtier et d'un HFSWR. Le diagramme du haut montre que les radars à micro-ondes côtiers ne fonctionnent qu'en mode ligne de visée droite, et sont généralement limités aux premiers 20-30 milles marins. Le diagramme du bas montre la portée minimale du HFSWR (section rouge) à 20 milles marins et s'étend jusqu'à 200 milles marins. Une zone beaucoup plus petite (jaune) représente la faible portée du radar à micro-ondes. La courbe de la portée totale est représentée en bleu clair sur le fond.

Comparaison des portées des radars à micro-ondes côtiers et des radars HFSWR
Comparaison des portées des radars à micro-ondes côtiers et des radars HFSWR (Parlons sciences selon une image de Raytheon sur Frontline.com).
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Cette infographie en couleur compare les portées des radars à micro-ondes côtiers à celles du radar HFSWR.
Une barre horizontale de couleur marron au bas de l'image représente la Terre. Au-dessus se trouve une bande bleu clair qui représente les eaux territoriales. Elle s'étend sur 12 milles marins à partir du rivage. C'est dans cette région que se trouve le niveau de danger le plus élevé. Au-dessus de cette bande se trouve une bande bleu qui représente la zone économique exclusive (ZEE). Elle s'étend sur 200 milles marins à partir du rivage. Dans cette région se trouve le niveau de danger moyen. Au-dessus de cette bande se trouve une bande bleu foncé qui représente les eaux internationales. Elle s'étend au-delà de la limite des 200 milles marins. Dans cette région se trouve le niveau de danger le plus faible. Une flèche bleu foncé pointant vers la terre est par-dessus les bandes bleues, indiquant que le niveau de danger augmente à mesure que l'on se rapproche de la terre. Sur le côté droit de l'image se trouve un demi-cercle rose translucide dont le bas longe la terre et le haut se trouve en partie dans la ZEE. Cela représente la portée de la couverture typique des radars à micro-ondes. Au-dessus de ce demi-cercle se trouve une zone jaune translucide en forme d'éventail dont le point le plus bas touche la terre. La partie la plus éloignée de la forme atteint les eaux internationales.
Cela représente la portée de la couverture du radar HFSW.

Un radar HFSWR a souvent deux séries d'antennes plutôt qu'une. Une série est destinée à l'émission d'ondes et une autre, pour la réception. Les antennes ressemblent à de grands poteaux métalliques reliés au sol par des câbles.

Transmission towers at Raytheon HFSWR demonstration site near Halifax, Nova Scotia
Tours de transmission sur le site de démonstration HFSWR de Raytheon près de Halifax, en Nouvelle-Écosse (Source : Dr. Tony Ponsford. Utilisé avec permission).
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L'image montre une photo colorée de pylônes de transmission sur fond de ciel bleu clair, avec des eaux bleues à l'horizon au loin. Les pylônes sont constitués de hauts poteaux et de câbles ancrés dans le sol. En premier plan se trouve un terrain vague avec des parcelles d'herbe vert foncé et un sol brun.

 

Les ondes sont envoyées en continu par impulsions à partir des tours radar émettrices. Lorsque les ondes de surface entrent en contact avec un objet, tel qu'un navire, un écho est envoyé aux antennes de réception. Le signal est analysé par des programmes informatiques qui fournissent une position très précise de l'objet ou du navire.

Processus de transmission et de réception d'ondes à partir d'antennes transmettrices et réceptrices
Processus de transmission et de réception d'ondes à partir d'antennes transmettrices et réceptrices (Parlons sciences selon une image de Pan and Chen (2017).
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L'illustration en couleur montre le processus de transmission et de réception d’ondes détectant un navire en mer. La partie supérieure de l'image est un océan bleu et la partie inférieure est un sol brun. Sur terre, à gauche, se trouve un groupe d'antennes de transmission. Elles envoient des impulsions d'ondes bleues, représentées par des lignes courbes, vers un bateau blanc et rouge à sa droite. Les ondes se réfléchissent sur le bateau vers le bas, en direction d'un groupe d'antennes de réception sur terre, à droite de l'image.

 

Le savais-tu ?

Des systèmes de radars HFSWR ont été utilisés avec succès en Asie et en Europe. Le système le plus avancé, celui de troisième génération, est situé au Canada.

Parlons sciences apprécie le travail et les contributions de Raytheon Canada dans l'élaboration de ce document d'information. 

raytheon

Au sujet de Raytheon Canada

Raytheon Canada est une filiale de Raytheon Technologies. Raytheon Canada est un chef de file en matière de solutions technologiques, de services d’ingénierie et de systèmes de surveillance et de navigation comme les radars de contrôle de la circulation aérienne, les systèmes de gestion de la circulation routière, les systèmes et radars de surveillance maritime ainsi que les dispositifs perfectionnés d’optique.

 

En savoir plus

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Cet article d'Alloprof explique les caractéristiques des ondes telles que la fréquence et l'amplitude.

Les ondes sonores et les décibels
Cet article d'Alloprof explique les caractéristiques des ondes sonores.

Références

American Institute of Aeronautics and Astronautics (n.d.). Radar Frequency Bands.

Brain, M. (n.d.). How the Radio Spectrum WorksHow Stuff Works.

Canadian Defence Review (Jan 8, 2019). Maerospace Signs Agreement with Raytheon Canada

Jem Engineering (n.d). Frequency Bands and Applications.

M. Pan and Chen, B. (2017). MIMO High Frequency Surface Wave Radar Using Sparse Frequency FMCW Signals. International Journal of Antennas and Propagation 2017. https://doi.org/10.1155/2017/7514916<

Moo, P., T. Ponsford, D. DiFilippo, R. McKerracher, N. Kashyap and Y. Allard (2015). Canada’s Third Generation High Frequency Surface Wave Radar System. The Journal of Ocean Technology 10(2): 21-28.

Nikolic, D., N. Stojković, and N. Lekic (2018). Maritime over the Horizon Sensor Integration: High Frequency Surface-Wave-Radar and Automatic Identificaton System Data Integration Algorithm. Sensors 18(4)

Ponsford, A.M. (2015). Canada’s Third Generation High Frequency Surface Wave Radar Using Sparse Frequency FMCW Signals. Conference: Maritime & Arctic Security & Safety Conference (MASS15) "Converging Interests". https://doi.org/10.13140/RG.2.1.1307.5605

Wolff, C. (n.d.). Over-The-Horizon Radar (OTH)RadarTutorial.eu

Wolff, C. (n.d.). Waves and Frequency RangesRadarTutorial.eu