1. LE RADAR
Cette Antenne radar longue portée, connue sous le nom ALTAIR, est utilisée pour détecter et pister les objets spatiaux en
conjonction avec le système de missiles antibalistique ABM sur le site Ronald Reagan Test Site localisé principalement
sur l'atoll Kwajalein
Le radar est un système qui utilise les ondes radio pour détecter et déterminer la distance et/ou la vitesse d'objets tels que
les avions, bateaux, ou encore la pluie. Un émetteur envoie des ondes radio, qui sont réfléchies par la cible et détectées
par un récepteur, souvent situé au même endroit que l'émetteur. La position est estimée grâce au temps de retour du signal
et la vitesse est mesurée à partir du changement de fréquence du signal par effet Doppler.
Le radar est utilisé dans de nombreux contextes : en météorologie, pour le contrôle du trafic aérien, pour la surveillance
du trafic routier, par les militaires, en astronautique, etc. Le mot lui-même est un néologisme provenant de l'acronyme
anglais : RAdio Detection And Ranging, que l'on peut traduire par « détection et estimation de la distance par ondes
radio » ou plus simplement «radiorepérage». Cet acronyme d'origine américaine a remplacé le sigle anglais
précédemment utilisé : "RDF" (Radio Direction Finding). Depuis, le mot "radar" est entré dans la langue usuelle, perdant
donc son écriture en lettres majuscules.
Sommaire
1 Histoire
2 Description générale
3 Technologie du radar
o 3.1 Génération de l'onde
o 3.2 Plages de fréquences
o 3.3 Equation radar
o 3.4 Les antennes
3.3.1 Réflecteur parabolique
3.3.2 Guide d'ondes à fentes
3.3.3 Antennes réseau à commande de phase
4 Les principes de fonctionnement
o 4.1 Réflectivité
o 4.2 Calcul de la réflectivité
o 4.3 Polarisation
o 4.4 Interférences
4.4.1 Bruit
4.4.2 Échos parasites
4.4.3 Brouillage
5 Traitement des signaux radar
o 5.1 Mesure de distance
5.1.1 Temps de retour du signal
5.1.2 Modulation de fréquence
o 5.2 Mesure de vitesse
5.2.1 Vitesse Doppler avec radar pulsé
5.2.2 Dilemme Doppler
o 5.3 Réduction des interférences
6 Applications

2. Histoire
En 1864, James Clerk Maxwell décrit les lois de l’électromagnétisme, ce qui permet pour la première fois de
travailler sur leur source.
En 1889, Heinrich Rudolf Hertz montre que les ondes électromagnétiques sont réfléchies par les surfaces métalliques.
XXe siècle, plusieurs inventeurs, scientifiques, et ingénieurs ont contribué au développement du radar:
Développement de la radio et de la TSF (par Marconi, entre autres), donc des antennes.
Les fondements théoriques du radar datent du début du XXe siècle avec, en 1904, le dépôt du brevet du
« Telemobiloskop » (Reichspatent Nr. 165546) par l'allemand Christian Hülsmeyer1, qui a démontré la possibilité
de détecter la présence de bateaux dans un brouillard très dense. En envoyant une onde à l'aide d'une antenne
multipolaire, son système notait le retour depuis un obstacle avec une antenne dipolaire sans pouvoir cependant
en définir plus qu'un azimut approximatif et aucunement sa distance. C'était donc le RAD (radio détection) mais
pas le AR (azimut et rayon).
En 1917, Nikola Tesla établit les principes théoriques (fréquences et niveaux de puissance) du futur « radar »2
Dans les années 1920 : expériences de détection avec des antennes. Il faut résoudre des problèmes de longueur
d’onde et de puissance.
En 1934, faisant suite à une étude systématique du magnétron, des essais sur des systèmes de détection par ondes
courtes sont menés en France par la CSF (16 et 80 cm de longueur d'onde) selon les principes de Nikola Tesla.
Un brevet est déposé (brevet français n° 788795). C'est ainsi que naissent les « radars » à ondes décimétriques. Le
premier équipa en 1934 le cargo Orégon, suivi en 1935 par celui du paquebot Normandie.
En 1935, faisant suite à un brevet déposé par Robert Watson-Watt (l’inventeur dit « officiel » du radar) (brevet
anglais GB593017 3 4), le premier réseau de radars est commandé par les Britanniques.
Le Hongrois Zoltán Lajos Bay 5 a produit un autre des premiers modèles opérationnels en 1936 dans le
laboratoire de la compagnie Tungsram (Hongrie).
Durant la Seconde Guerre mondiale de nombreux développements se font du point de vue technique, tels les radars
aéroportés, mais sont également menées des expérimentations sur la polarisation et sont faites des découvertes d'artéfacts.
Par exemple, les opérateurs des radars micro-ondes des armées alliées remarquèrent du bruit dans les images. Ces bruits
s'avérèrent être des échos venant de précipitations (pluie, neige, etc.), ce qui a mené au développement des radars
météorologiques après la fin des combats.
Depuis cette guerre, les radars sont utilisés dans de nombreux domaines allant de la météorologie à l'astrométrie en
passant par le contrôle routier et aérien.
Description générale
Principe du sondage radar
Un radar émet de puissantes ondes, produites par un oscillateur radio et transmises par une antenne. Bien que la puissance
des ondes émises soit grande, l’amplitude du signal renvoyé est le plus souvent très petite. Néanmoins, les signaux radio
sont facilement détectables électroniquement et peuvent être amplifiés de nombreuses fois. Il existe différentes façons
d'émettre ces ondes. Les deux les plus utilisées sont :
Les ondes pulsées, où le radar émet une impulsion et attend le retour.
Le radar à émission continue, où l'on émet continuellement à partir d'une antenne et on reçoit à l'aide d'une seconde.

3. En analysant le signal réfléchi, il est possible de localiser et d’identifier l’objet responsable de la réflexion, ainsi que de
calculer sa vitesse de déplacement. Le radar peut détecter des objets ayant une large gamme de propriétés réflectives,
alors que les autres types de signaux, tels que le son ou la lumière visible, revenant de ces objets, seraient trop faibles pour
être détectés. De plus, les ondes radio peuvent se propager avec une faible atténuation à travers l'air et divers obstacles,
tels les nuages, le brouillard ou la fumée, qui absorbent rapidement un signal lumineux. Cela rend possible la détection et
le pistage dans des conditions qui paralysent les autres technologies.
Technologie du radar
Composantes d'un radar
Un radar est formé de différentes composantes:
L'émetteur qui génère l'onde radio.
Le guide d'onde qui amène l'onde vers l'antenne.
Le duplexeur, un commutateur électronique, dirige l'onde vers l'antenne lors de l'émission ou le signal de retour
depuis l'antenne vers le récepteur lors de la réception. Il permet donc d'utiliser la même antenne pour les deux
fonctions. Il est primordial qu'il soit bien synchronisé puisque la puissance du signal émis dont l'amplitude est de
l'ordre du M Watt est trop importante pour le récepteur qui, lui, traite des signaux d'une puissance de l'ordre de
quelques nano Watts. Au cas où l'impulsion émise serait dirigée vers le récepteur, celui-ci serait instantanément
détruit.
L'antenne dont le rôle est de diffuser l'onde électromagnétique vers la cible avec le minimum de perte. Sa vitesse
de déplacement, rotation et/ou balancement, ainsi que sa position, en élévation comme en azimut, sont asservies.
Elle est sollicitée tant en émission: de l'émetteur vers l'antenne, qu'en réception: de l'antenne vers le récepteur.
Le récepteur qui reçoit le signal incident (cible - antenne - guide d'ondes - duplexeuse), le fait émerger des bruits
radios parasites, l'amplifie, le traite et le dirige vers les systèmes électroniques de suivi et de visualisation.
Le tout est contrôlé par le système électronique du radar, programmé selon un logiciel de sondage. Les données obtenues
sont affichées aux utilisateurs.
Génération de l'onde
L'émetteur au site du radar comprend: un oscillateur permanent, un amplificateur et un modulateur.
L'oscillateur permanent basé sur la technologie des tubes à cavité résonnante, il peut être un klystron qui a une
fréquence très stable, un magnétron dont la fréquence varie dans le temps, ou d'autres types d'oscillateurs à état
solide.
Les générateurs d'impulsion, ou modulateurs, sont des pièces électroniques qui produisent l'impulsion radar à
partir de l'onde continue produite par l'oscillateur. En quelque sorte, ils laissent passer l'onde vers l'amplificateur
durant un très court laps de temps (de l'ordre de la µ seconde). Ceci permet de concentrer l'énergie de l'onde dans

4. cette impulsion (puissance de l'ordre du M Watt). Il existe différentes sortes de commutateurs dont le plus connu
est le thyratron. Le klystron peut lui-même remplir les rôles d'oscillateur, de générateur d'impulsion et
d'amplificateur.
Une fois que l'onde est produite, le guide d'onde est chargé de l'amener vers l'antenne avec une perte du signal la
plus faible possible.
Plages de fréquences
Le nom des plages de fréquences utilisées dans le monde des radars provient de la Seconde Guerre mondiale. En effet,
pour garder secret le développement de ce système, les militaires ont décidé de donner à ces plages des noms de code qui
sont demeurés en usage depuis. Ils ont été adoptés aux États-Unis par le Institute of electrical and electronics engineers
(IEEE) et internationalement par l’Union internationale des télécommunications. La plupart des pays ont, par ailleurs,
défini quelles parties de chaque bande sont à la disposition des secteurs militaires et civils. Cependant, certains utilisateurs
des bandes radios, comme les télédiffuseurs et l’industrie des contre-mesures militaires, ont remplacé les vocables
traditionnels par leur propre identification.
Plages de fréquences radar
Nom de Plage de Longueurs
Commentaires
bande fréquences d’onde
Pour high frequency (haute fréquence). Utilisée par les radars côtiers
HF 3-30 MHz 10-100 m
et les radars “au-delà de l’horizon”.
P < 300 MHz 1 m+ Pour précédent : appliquée a posteriori aux radars primitifs
Pour very high frequency (très haute fréquence). Utilisée par les
VHF 50-330 MHz 0.9-6 m
radars à très longue portée et par ceux à pénétration de sol.
Pour ultra high frequency (ultra haute fréquence). Radars à très
300-1000
UHF 0.3-1 m longue portée (ex. détection de missiles balistiques), pénétration de
MHz
sol et de feuillage.
Pour long. Utilisée pour le contrôle aérien de longue portée et la
L 1-2 GHz 15-30 cm
surveillance aérienne.
Pour short (court). Utilisée par les radars de trafic aérien local, les
S 2-4 GHz 7.5-15 cm
radars météorologiques et navals.
Compromis entre les bandes S et X pour les transpondeurs
C 4-8 GHz 3.75-7.5 cm
satellitaires et les radars météorologiques.
Pour les radars météorologiques, les autodirecteurs de missiles, les
X 8-12 GHz 2.5-3.75 cm radars de navigation, les radars à résolution moyenne de cartographie
et la surveillance au sol des aéroports.
Fréquence juste sous K (indice 'u' pour under en anglais) pour les
Ku 12-18 GHz 1,67-2,5 cm
radars de cartographie à haute résolution et l'altimétrie satellitaire.
De l’Allemand kurz(court). très absorbé par la vapeur d’eau, Ku et Ka
sont utilisées pour la détection des gouttelettes de nuages en
K 18-27 GHz 1,11-1,67 cm
météorologie et dans les radars routiers (24.150 ± 0.100 GHz)
manuels.
Fréquence juste au-dessus de K (indice 'a') pour la cartographie, la
Ka 27-40 GHz 0.75-1.11 cm courte portée, la surveillance au sol des aéroports, les radars routiers
(34.300 ± 0.100 GHz) automatisés.
Q 40-60 GHz 7.5 mm - 5 mm Utilisée pour les communications militaires.
Utilisée comme radar anti-collisions automobile et pour l'observation
W 75-110 GHz 2.7 - 4.0 mm
météorologique à haute résolution et de courte portée.

5. Les antennes
Radars de La Dôle
On utilise différents types d'antennes pour diffuser et recouvrir les faisceaux radar. Les premiers systèmes, tels le "Chain
Home" britannique durant la Seconde guerre mondiale, étaient formés d'antennes dipolaires qui émettaient de façon omni-
directionnelle, et d'antennes réceptrices directionnelles. Ces dernières étaient formées de deux antennes dipolaires placées
à angle droit. En effet, la réception est maximale à angle droit de la source d'échos, et minimale lorsque l'antenne pointe
sa direction. L'opérateur radar peut donc déterminer la direction du signal en tournant les antennes pour déterminer ce
doublet max/min des affichages de ses deux antennes.
Un limitation de ce type d'antennes émettrices est le caractère omnidirectionnel de l'émission. On répartit ainsi l'énergie
émise sur une très grande surface et de très puissants émetteurs sont donc nécessaires pour avoir un retour détectable :
l'énergie reçue par la cible est en effet infinitésimale. Ce problème est particulièrement important quand il faut monter un
système radar à bord d'un avion où la réserve d'énergie est limitée, et où il n'est pas souhaitable d'irradier tout l'équipage
d'ondes radio. Il a donc fallu développer des systèmes à émission directionnelle.
Réflecteur parabolique
Spectre idéalisé de la distribution d'énergie d'un faisceau radar (Pic central à 0 et
pics secondaires à différents angles de chaque côté de celui-ci)
La solution toute trouvée fut d'utiliser une antenne parabolique pour créer un faisceau ayant plus ou moins une forme de
pinceau. L'onde étant émise au foyer de la parabole, l'énergie est concentrée en majorité le long de l'axe passant entre le
centre de la parabole et le foyer avec une décroissance gaussienne de chaque côté de ce pic central qu'on appelle lobe
principal. La figure de droite montre qu'il existe des pics secondaires, qu'on appelle lobes secondaires, dans la direction
desquelles on a également émission (ou réception), mais à beaucoup plus faible intensité.
Pour un radar à impulsion, la même antenne sert de récepteur, du fait qu'elle est directionnelle en réception également.
Ces systèmes sont donc plus efficaces des points de vue énergétique et d'utilisation.
La résolution de ces antennes, c'est-à-dire la grosseur du plus petit objet détectable, est proportionnelle à la longueur
d'onde utilisée, et inversement proportionnelle au diamètre de l'antenne. Pour une même résolution, si on réduit la
longueur d'onde, on peut réduire d'autant la taille de l'antenne, ce qui a permis d'utiliser des antennes de faible diamètre
dans les avions tant militaires que commerciaux.
On peut utiliser également deux fréquences radar dans un tel système pour suivre une cible comme un avion et faire ce
qu'on appelle un "verouillage" de la cible.
Guide d'ondes à fentes
En général, le signal venant de l'émetteur se déplace dans un guide d'onde dans l'antenne émettrice. Il est cependant
possible de transformer le guide d'onde lui-même en antenne en y perçant des fentes. L'interférence entre les différentes

6. fentes crée en effet un spectre de diffusion avec un pic central intense et des pics secondaires plus faibles dans la direction
selon laquelle sont dirigées les fentes. On obtient ainsi un faisceau radar directionnel semblable à celui d'une antenne
parabolique.
Ce type d'antenne a une bonne résolution selon son axe, mais aucune dans l'axe perpendiculaire. Il suffit ensuite de faire
tourner mécaniquement le guide d'onde ainsi troué sur 360 degrés pour obtenir un balayage de l'horizon. Ce type
d'antenne est particulièrement utilisé dans les cas où on ne s'intéresse qu'à ce qui se trouve dans le plan balayé sans
nécessiter une très grande précision. C'est ce type d'antennes que l'on voit sur les navires, le long des pistes des aéroports
et dans les ports et qui ressemblent à de longs haut-parleurs placés horizontalement et en rotation sur un mât. Ils sont très
économiques et moins affectés par le vent que d'autres types d'antenne.
Antennes réseau à commande de phase
Radar tridimensionnel à balayage électronique géant en Alaska
Une autre méthode utilisée pour diffuser le faisceau radar est celui des antennes réseau à commande de phase. Dans ce
système, on divise le guide d'onde venant de l'émetteur en un très grand nombre de sous-guides d'onde. Ces derniers se
terminent chacun par une fente sur une plaque faisant face à une direction. En contrôlant la phase de l'onde passant dans
chacune de ces fentes, on peut créer un spectre d'interférences qui donne une émission dans une direction particulière. On
peut changer la direction vers laquelle l'antenne émet sans avoir à bouger celle-ci : il n'y a qu'à changer l'arrangement des
phases des fentes.
Comme le changement de l'arrangement se fait électroniquement, on peut procéder à un balayage de l'horizon et de la
verticale en un temps beaucoup plus rapide que ne le ferait une antenne parabolique en rotation mécanique. On peut
même arranger le spectre d'émission de telle sorte qu'on ait deux faisceaux, ce qui créer deux radars virtuels. Cependant,
le faisceau n'est pas très précis dans la direction rasant la plaque et c'est pourquoi on arrange généralement trois ou quatre
plaques de ce type dans des directions différentes pour couvrir tout le volume autour du radar. Ceci donne un radar
tridimensionnel à balayage électronique.
Les antennes réseau à commande de phase ont été utilisées en premier durant la Seconde guerre mondiale mais les
limitations de l'électronique du temps n'ont pas permis d'avoir des résultats de bonne résolution. Durant la Guerre froide,
un grand effort a été fourni pour leur développement, car les cibles très rapides comme les avions de chasse et les missiles
se déplacent trop rapidement pour être suivis par les systèmes conventionnels. Elles sont le coeur du système de combat
Aegis des navires de guerre et du système anti-missiles Patriot. Elles sont de plus en plus utilisées, malgré leur coût
important, dans d'autres domaines où la vitesse de sondage et l'encombrement sont critiques, comme à bord des avions de
chasse. Dans ces derniers, elles sont très appréciées pour leur capacité à suivre plusieurs cibles. Elles y furent introduites
en premier dans le Mikoyan MiG-31. Son antenne à commande de phase, la Zaslon SBI-16, est considérée comme la plus
puissante des avions de chasse.
Avec la baisse du prix des pièces électroniques, ce genre d'antennes se répand de plus en plus. Presque tous les systèmes
militaires de radar utilisent ce concept, car le coût additionnel est facilement compensé par sa versatilité et sa fiabilité
(moins de pièces mobiles). L'antenne réseau à commande de phase pour radar se retrouve également dans les satellites et
on procède même à des essais au National Weather Service américain pour son utilisation dans les radars
météorologiques. L'antenne parabolique est encore utilisée dans l'aviation générale et les autres utilisations civiles mais
cela pourrait changer si les coûts continuent à décliner.
Réfrigérant de radar
Le coolanol et le PAO (poly alpha olefin) sont les deux principaux réfrigérants utilisés dans les radar aéroportés. La U.S.
Navy ayant institué un programme anti-pollution pour réduire les déchets toxiques, le Coolanol est moins en usage depuis

7. quelques années. Le PAO est un lubrifiant synthétique composé d'esters de polyol, d'anti-oxydants, d'inhibiteurs de rouille
et de triazole un "yellow metal pacifier".
Les principes de fonctionnement
Réflexion [modifier]
La luminosité sur un affichage radar est proportionnelle à la réflectivité des cibles, comme le montre cette image radar
météo de 1960. La fréquence de l’onde, la forme de l'impulsion et le type d’antenne déterminent ce que le radar peut
observer.
Les ondes électromagnétiques sont réfléchies par tout changement significatif des constantes diélectriques ou
diamagnétiques du milieu traversé. Cela signifie qu’un objet solide dans l’air ou le vide, ou tout autre changement
significatif de la densité atomique entre l’objet et ce qui l’entoure, disperse les ondes radar. C’est particulièrement vrai
pour les matériaux conducteurs d’électricité, tels les métaux et la fibre de carbone, ce qui rend les radars très adaptés à la
détection d’avions et bateaux.
La portion de l'onde qui est retournée au radar par une cible est appelée sa réflectivité. La propension de la cible à
réfléchir ou disperser ces ondes est appelée sa section efficace. En fait, les ondes radar se dispersent de façons différentes
suivant la longueur d'onde utilisée, la forme de la cible et sa composition:
Si la longueur d’onde est beaucoup plus petite que la taille de la cible, l’onde rebondira dessus comme la lumière
sur un miroir. La section efficace dépendra dans ce cas de la forme de la cible et de ses propriétées réflectives.
Si la longueur d’onde est beaucoup plus grande que la taille de la cible, les atomes de cette dernière seront
polarisés. C'est-à-dire que les charges négatives et positives dans le matériaux seront séparées comme dans une
antenne dipolaire. Ceci est décrit par le modèle de la diffusion Rayleigh qui prédit le bleu du ciel et le rouge d’un
coucher de soleil. Dans cette situation, la section efficace sera proportionnelle au diamètre de la cible et à ses
propriétées réflectives.
Quand les deux longueurs sont comparables, il peut se produire des résonances entre les atomes de la cible et la
réflexion se comporte selon la théorie de Mie, rendant le spectre de réémission très variable.
Les premiers radars utilisaient des longueurs d’onde beaucoup plus importantes que la taille des cibles et recevaient un
signal vague, tandis que certains radars modernes utilisent des longueurs d’onde plus courtes (quelques centimètres, voire
moins) qui peuvent voir des objets plus petits, comme la pluie ou les insectes.
Les ondes radio courtes sont réfléchies par les courbes et des angles aigus comme la lumière sur un morceau de verre
arrondi. Les cibles les plus réfléchissantes pour des courtes longueurs d’ondes présentent des angles de 90° entre leurs
surfaces réfléchissantes. Une structure composée de trois surfaces planes se rejoignant en un seul coin (par exemple le
coin d’une boite) réfléchira toujours les ondes entrantes directement vers leur source. Ces types de réflexion sont
couramment utilisés comme réflecteurs radar afin de détecter plus facilement des objets difficilement décelables
autrement, et sont souvent présents sur des bateaux afin d’améliorer leur détection en cas de sauvetage et pour réduire les
risques de collision.
Pour les mêmes raisons, les objets voulant éviter d’être détectés vont orienter leurs surfaces afin d’éliminer les coins
intérieurs et éviter les surfaces et arêtes perpendiculaires aux directions de détection courantes. Cela conduit à des avions
furtifs aux formes particulières. Ces précautions n’éliminent pas complètement les réflexions à cause du phénomène de
diffraction, particulièrement pour les grandes longueurs d’onde. Des câbles ayant pour longueur la moitié de la longueur

8. d’onde ou des bandes de matériau conducteur (comme les « paillettes » de contre-mesures radar) sont très réfléchissants
mais ne renvoient pas l’onde vers sa source.
Un autre façon de se camoufler est d'utiliser des matériaux absorbant les ondes des radars, c'est-à-dire contenant des
substances résistantes ou/et magnétiques. On les utilise sur les véhicules militaires afin de réduire la réflexion de l’onde.
C’est en quelque sorte l’équivalent de peindre quelque chose de couleur sombre dans le spectre visible.
Calcul de la réflectivité
Selon l'équation radar, la puissance retournée au radar depuis la cible est :
Où est la puissance transmise, est la distance et est la section efface de la cible.
La réflectivité étant définie comme , on voit:
Que des cibles se trouvant à des distances différentes mais ayant les même caractéristiques de réflexion donneront
des échos fort différents, et, dans tous les cas, beaucoup plus faibles que le signal émis. Cette équation tient
compte seulement de la diminution du signal selon la distance et ne tient pas compte de l'atténuation causée par
l'absorption du milieu traversé.
Que la réflectivité dépend de la section efficace qui est trouvée selon ce qu'on a montré antérieurement. D’autres
développements mathématiques influent sur la section efficace. Ceux-ci incluent des analyses basées à la fois sur
le temps et la fréquence comme la théorie des ondelettes et la transformée de Chirplet. Elles utilisent le fait que
les cibles en mouvement des radars sont typiquement « chantantes » (c'est-à-dire qu’elles changent leur fréquence
en fonction du temps, comme le chant d’un oiseau ou des chauves-souris).
Polarisation
Illumination de la cible avec polarisation horizontale et verticale. Notez la forme de la cible qui donnera un retour plus
intense avec l'onde horizontale
Dans le signal émis par le radar, le champ électrique est perpendiculaire à la direction de propagation, et la direction de ce
champ électrique est la polarisation de l’onde. Les radars utilisent une polarisation verticale, horizontale et circulaire pour
détecter différents types de réflexions.
Par exemple, la polarisation circulaire est utilisée pour minimiser les interférences causées par la pluie.
Une polarisation linéaire indique généralement des surfaces métalliques, et aide un radar de recherche à ignorer la
pluie.
Une polarisation aléatoire indique généralement une surface fractale, par exemple du roc ou de la terre, et est utilisée
par les radars de navigation.

9. Interférences
Il existe de nombreuses sources de signaux malvenus, que les radars doivent pouvoir ignorer plus ou moins,
afin de se focaliser uniquement sur les cibles intéressantes. Ces signaux malvenus peuvent avoir des origines
internes et externes, passives et actives. La capacité d’un radar à surmonter ces nuisances définit son rapport
signal sur bruit (SNR) : plus le SNR est grand, plus le radar peut séparer efficacement une cible des signaux
parasites alentour.
Bruit
Le bruit est une source interne de variations aléatoires du signal, que tous les composants électroniques génèrent de façon
inhérente à différents degrés. Le bruit apparaît typiquement comme constitué de variations aléatoires superposées au
signal d’écho reçu par le radar, lequel est celui qu'on recherche. Plus la puissance du signal désiré est faible, plus il est
difficile de le discerner du bruit (tenter d’entendre un murmure près d’une route encombrée est similaire). Ainsi, les
sources de bruit les plus importunes apparaissent au niveau du récepteur et beaucoup d’efforts sont faits pour minimiser
ces facteurs. La facteur de bruit est une mesure du bruit produit par un récepteur comparé à celui produit par un récepteur
idéal, et ce ratio doit être minimal.
Le bruit est aussi généré par des sources extérieures, principalement par les radiations thermiques naturelles de
l’environnement entourant la cible du radar. Dans le cas des radars modernes, grâce aux hautes performances de leurs
récepteurs, le bruit interne est inférieur ou égal au bruit de l’environnement extérieur, sauf si le radar est pointé vers un
ciel dégagé, auquel cas l’environnement est si froid qu’il génère très peu de bruit thermique.
Échos parasites
Les échos dus au phénomène de trajets multiples d’une cible font apparaître des fantômes.
Les échos parasites sont des retours venant de cibles qui sont par définition inintéressantes pour l'opérateur radar. Les
causes de ces échos sont :
Des objets naturels tels que le sol, la mer, les précipitations (telles que la pluie, la neige ou la grêle), les tempêtes de
sable, les animaux (particulièrement les oiseaux), les turbulences atmosphériques, et d’autres effets atmosphériques
(par exemple les chutes de météores ou les réflexions sur l’ionosphère).
Des objets fabriqués par l’homme tels que les immeubles ou des paillettes métalliques lâchées intentionnellement
comme contre-mesures dans la guerre électronique.
Les supports du guide d'onde partant de l'antenne vers le cornet d'émission situé au point focal de la parabole. Dans
un affichage radar comme le PPI, ces échos indésirables ressembleront à des points très brillants au centre de
l’affichage.
Des réflexions venant de trajets par réflexions multiples sur une cible. Ainsi, le faisceau radar frappe une cible et
comme l'onde émise est réfléchie dans toutes les directions, une partie peut être réfléchie sur une autre cible et
retourner au radar. Comme le temps mis pour cette seconde réflexion pour atteindre le radar est plus long que le
retour direct, elle sera placée au mauvais endroit. On peut ainsi obtenir deux cibles au lieu d'une.
Des échos de propagation anormale dans l'atmosphère. En effet, le trajet que doit parcourir le faisceau radar est
calculé à partir d'une structure normale de l'atmosphère. Si la température varie différemment de la norme, le faisceau
sera dévié anormalement. Dans le cas où la température augmente avec l'altitude (inversion de température), le
faisceau est dévié vers le sol et on a un très fort retour de ce dernier.
Des échos venant des réflexions/réfractions ionosphériques. Ce type de parasites est particulièrement difficile à
identifier, puisqu’il est en mouvement et se comporte de la même manière que les cibles voulues, créant ainsi un
fantôme.

10. Il est à noter que ce qui est un écho indésirable pour certains peut cependant être le but recherché par d'autres. Ainsi les
opérateurs à l'aviation veulent éliminer tout ce dont on vient de parler mais les météorologistes considèrent que les avions
sont du bruit et ne veulent garder que les signaux provenant des précipitations.
Les échos parasites sont considérés comme une source d’interférences passive, puisqu’elles ne sont détectées qu'en
réponse aux signaux émis par le radar. Il existe plusieurs façons d'éliminer ces échos. Plusieurs de ces méthodes reposent
sur le fait que ces échos tendent à être stationnaires lors des balayages du radar. Ainsi, en comparant des sondages radar
successifs, la cible désirée sera mobile et tous les échos stationnaires pourront être éliminés. Les échos de mer peuvent
être réduits en utilisant une polarisation horizontale, tandis que la pluie est réduite avec une polarisation circulaire (notez
que les radars météorologiques souhaitent obtenir l’effet inverse, utilisant donc une polarisation horizontale afin de
détecter les précipitations). Les autres méthodes visent à augmenter le rapport signal sur bruit.
La méthode CFAR (Constant False-Alarm Rate, parfois appelée AGC pour Automatic Gain Control) repose sur le fait
que les échos dus aux parasites sont beaucoup plus nombreux que ceux dus à la cible. Le gain du récepteur est
automatiquement ajusté afin de maintenir un niveau constant des échos parasites visibles. Les cibles ayant un retour plus
important que les parasites ressortiront facilement de ces derniers, même si les cibles plus faibles se perdent dans le bruit.
Par le passé, le CFAR était contrôlé électroniquement et affectait également tout le volume sondé. Maintenant, le CFAR
est contrôlé par ordinateur et peut être réglé différemment en chaque zone de l'affichage. Ainsi il s'adapte au niveau des
échos parasites selon la distance et l'azimut.
On peut utiliser également des masques de régions connues d'échos parasites permanents (par ex. les montagnes) ou
incorporer une carte des environs du radar pour éliminer tous les échos ayant une origine située sous le niveau du sol ou
au dessus d’une certaine hauteur. Pour réduire les retours des supports du cornet d'émission sans diminuer la portée, il est
nécessaire d’ajuster la période muette entre le moment où l’émetteur envoie une impulsion et le moment où le récepteur
est activé, afin de ne pas tenir compte de retours internes à l’antenne.
Brouillage
Le brouillage radar se réfère aux fréquences radios originaires de sources extérieures au radar, émettant à la fréquence du
radar et masquant donc les cibles intéressantes. Le brouillage peut être intentionnel (un dispositif antiradars dans le cas
d’une guerre électronique) ou non voulu (par exemple dans le cas de forces alliées utilisant du matériel qui émet dans la
même gamme de fréquences). Le brouillage est considéré comme une source d’interférences active, puisqu’il est causé
par des éléments extérieurs au radar et généralement sans lien avec les signaux du radar.
Le brouillage du lobe principal peut généralement être réduit seulement en réduisant son angle solide, et ne peut jamais
être complètement éliminé si le brouilleur est situé directement face au radar et s’il utilise les mêmes fréquence et
polarisation que le radar. Le brouillage des lobes latéraux peut être surmonté en réduisant les lobes de réception latéraux
dans la conception de l’antenne du radar et en utilisant une antenne unidirectionnelle afin de détecter et ignorer tous les
signaux non destinés au lobe principal. On peut citer d’autres techniques antibrouillage : le Frequence hopping et la
polarisation par exemple.
Traitement des signaux radar
Mesure de distance
Temps de retour du signal
Schéma du fonctionnement d'un radar météorologique de bande C à impulsion
Une manière de mesurer la distance à un objet est d'émettre une courte impulsion de signal radio, et de mesurer le temps
que prend l'onde pour revenir après avoir été réfléchie. La distance est la moitié du temps de retour de l'onde (car le signal

11. doit aller à la cible puis revenir) multipliée par la vitesse du signal (qui est proche de la vitesse de la lumière dans le vide
si le milieu traversé est l'atmosphère).
Quand l'antenne est à la fois émettrice et réceptrice (ce qui est le cas le plus courant), l'antenne ne peut pas détecter l'onde
réfléchie (aussi appelée retour) pendant que le signal est émis - on ne peut pas savoir si le signal mesuré est l'original ou
le retour. Cela implique qu'un radar a une portée minimale, qui est la moitié de la durée de l'impulsion multipliée par la
vitesse de la lumière. Pour détecter des cibles plus proches, il faut utiliser une durée d'impulsion plus courte.
Un effet similaire impose de la même manière une portée maximale. Si le retour arrive quand l'impulsion suivante est
émise, une fois encore le récepteur ne peut pas faire la différence. La portée maximale est donc calculée par:
où c est la vitesse de la lumière et t est le temps entre deux impulsions
Cette forme d'émission est utilisée par les radars à impulsions.
Modulation de fréquence
Une autre façon de mesurer la distance au radar est d'utiliser une modulation de la fréquence d'un radar à émission
continue. L'onde est émise par une antenne et reçue par une seconde antenne puisque le même électronique ne peut
émettre et recevoir à la fois. Dans ce cas le signal émis au temps T a une fréquence A mais une fréquence B au temps T'
ultérieur. Le signal émis à T qui frappe une cible et revient au radar aura donc une fréquence différente de celle émise à
ce moment par le radar. En faisant la différence entre les deux fréquences, on peut déduire la distance parcourue, aller-
retour, entre le radar et la cible. On utilise généralement une variation sinusoïdale de fréquences qu'il est facile de calibrer
et la comparaison entre les deux fréquences est faite en utilisant les battements inter-fréquentiels. Cette technique est
utilisée depuis longtemps dans les altimètres pour mesurer l'altitude de vol et peut être utilisée dans les radars comme les
détecteurs de vitesse de la police routière.
Cette forme d'émission est utilisée par les radars à émission continue.
Mesure de vitesse
Il existe différentes méthodes pour mesurer la vitesse de déplacement d'une cible:
La plus ancienne consiste à noter sa position à un instant X, à l'aide d'un crayon gras, sur l'affichage radar. À un
instant Y, on refait la même chose et la différence des deux positions divisée par le temps écoulé entre X et Y
donne la vitesse de déplacement.
On peut également noter la variation de fréquence de l'onde émise par rapport à celle reçue lorsqu'on émet
continuellement à une fréquence fixe. Il s'agit là de l'utilisation de l'Effet Doppler-Fizeau. Comme on ne fait pas
varier pas la fréquence émise, on ne peut cependant pas définir la position de la cible de cette manière. En plus,
on n'a que la composante radiale au radar de la vitesse. Par exemple, une cible se déplaçant perpendiculaire au
faisceau radar ne causera pas de changement de fréquence alors que la même cible se déplaçant vers le radar à la
même vitesse aura un changement maximal.
La plus courante des méthodes est d'utiliser une variante de l'effet Doppler avec un radar pulsé. Dans ce cas, on
note la différence de phase entre les impulsions successives revenant de la cible. Cette méthode permet de
déterminer la vitesse radiale ET la position de la cible.
Vitesse Doppler avec radar pulsé
Au lieu de noter la différence de fréquence entre l'onde émise et celle reçue, qui peut être trop minime pour l'électronique,
on utilise la différence de phase entre deux impulsions successives revenant d'un même volume sondé (paire d'ondes
pulsées). Entre chaque impulsion, les cibles se déplacent légèrement et sont frappées par l'onde à une partie légèrement
différente de son cycle. C'est cette différence de phase que le radar note au retour.
L'intensité d'une impulsion après un aller-retour est donnée par :

12. Différence de phase entre deux ondes revenant d'une cible ayant bougé
L'intensité d'une impulsion subséquente revenant du même volume sondé mais où les cibles ont légèrement bougé est
donnée par:
Donc
La portée maximale et la vitesse Doppler maximale non ambigüe varient de façon inverse (rouge pour la portée et bleu
pour la vitesse maximale)
Comme on n'obtient que la composante radiale du déplacement, il faut donc le suivre pour savoir l’angle que fait sa
véritable direction de déplacement avec le rayon au radar. Par la suite, un simple calcul trigonométrique donne la
véritable vitesse de la cible.
Dilemme Doppler
Intéressons-nous maintenant à la vitesse maximale qu'on peut mesurer sans ambiguïté. Comme un sinus peut varier entre -
et + , on ne peut mesurer une vitesse supérieure à:

13. C'est ce qu'on appelle la vitesse de Nyquist. Pour obtenir une meilleure détermination de la vitesse des cibles, il faut
envoyer des impulsions très rapprochées, donc avec très petit. Mais on sait également que la portée en réflectivité est
directement proportionnelle à t, ce qui demande un grand t pour être sûr de la position des échos revenant de loin sans
ambiguïté. Ce dilemme Doppler limite donc la portée utile des radars Doppler à impulsions.
Réduction des interférences
Le traitement du signal est nécessaire pour éliminer les interférences dûes à des sources radio autres que celle du radar
ainsi que les échos parasites. On utilise les techniques suivantes:
Élimination en suivant seuls les échos qui bougent.
Filtre des échos en utilisant leur vitesse Doppler : les échos parasites et les interférences ayant généralement des
vitesses nulles.
Corrélation avec radars de surveillance secondaires : il s'agit d'un dispositif qui envoie depuis la cible un signal
lorsqu'il reçoit un faisceau radar. Ce signal identifie la cible et, selon le cas, son altitude et sa vitesse.
Processus adaptif temps-espace : en utilisant une antenne à commande de phase pulsé et les vitesses Doppler qu'on en
obtient, on peut analyser le spectre moyen des fréquences et en faire ressortir le pic qui indique la cible.
Taux de fausse alarme constant : il s'agit de déterminer le niveau de bruit moyen continuel en chaque point de
l'affichage radar et de noter les échos ayant un retour supérieur à celui-ci.
Masque digital du terrain qui permet d'éliminer les échos qui se trouveraient sous le niveau du sol.
Applications
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, tant par le Royaume-Uni que par les forces allemandes.
Les radars ont aujourd'hui une très grande variété d'applications dans de nombreux domaines :
militaire : radars de détection et de surveillance aérienne au sol ou embarqués (sur chasseurs pour le combat
aérien et Système de Détection et de Commandement Aéroporté sur avions de guet (Airborne Warning And
Control System (AWACS) en anglais); radars de veille surface sur navire de guerre ; radars d'appontage ;
identification radar (IFF) ; autodirecteurs de missiles ; radars de détection terrestre ; radar d'artillerie ; brouilleurs
radars ; satellites radar d'observation de la terre ;
aéronautique : contrôle du trafic aérien ; guidage d'approche d'aéroport ; radars d'altimétrie ; radars de
navigation ;
maritime : radar de navigation ; radars anti-collision ; balises radars ; transpondeur radar
météorologie : détection de précipitations (pluie, neige, grésil, grêle, etc.) et de formations nuageuses. Les radars
les plus récents utilisent l'effet Doppler et sont donc capables d'évaluer la vitesse de ces particules. Certains radars
utilisent les polarisations verticale et horizontale pour donner une idée du mélange de formes des particules
sondées ce qui, associé à leur intensité, peut indiquer le type de précipitation.
circulation et sécurité routière : contrôle de la vitesse des automobiles (voir cinémomètre), le modèle classique sur
les routes de France est le Miradop (mini radar doppler) utilisé par les brigades de gendarmerie. Ils sont placés
sur les autoroutes, dans les zones où les véhicules roulent à une vitesse supérieure à la vitesse maximale autorisée.
Radars de recul sur automobiles ;
scientifique : embarqués sur satellite pour connaissance de la Terre, niveaux des océans…
o Radar à synthèse d'ouverture
Un radar à synthèse d'ouverture (RSO) est un radar imageur qui effectue un traitement des données reçues afin
d'améliorer la résolution azimutale. Le traitement effectué permet d'affiner l'ouverture de l'antenne. On parle donc de
synthèse d'ouverture. D'où le nom de ce type de système.

14. Les radars à synthèse d'ouverture sont donc à opposer aux "radars à ouverture réelle" (RAR ou real aperture radar en
anglais) pour lesquelles la résolution azimutale est simplement obtenue en utilisant une antenne d'émission/réception
possédant un lobe d'antenne étroit dans la direction azimutale.
L'abréviation anglo-saxone SAR (Synthetic Aperture Radar) est fréquemment utilisée pour désigner ce type de radar.
On distingue deux grandes familles de RSO :
les RSO mono statiques pour lesquels une seule antenne est utilisée en émission et réception
les RSO bi ou multi statiques pour lesquels des antennes différentes sont utilisées en émission et réception
Principe
Principe de fonctionnement du RSO. Le point P est illuminé plusieurs
fois par le radar en mouvement.
L'antenne du radar est fixée sur une face latérale d'un porteur (avion ou satellite). Elle a une ouverture azimutale assez
grande (plusieurs degrés) dans la direction du mouvement et latéralement elle peut aller de l'horizon à la verticale ce qui
donne une résolution assez faible. Le temps de retour des échos s'effectuant à différents temps selon leur distance au
radar, on peut donc obtenir une image grossière du sol si on ne sonde que dans une direction fixe.
Comme le radar se déplace, le même point est cependant illuminé plusieurs fois, on obtient une série de données pour
chaque point sous le radar. En combinant la variation d'amplitude et de phase de ces retours, le traitement de synthèse
d'ouverture permet d'obtenir des images des zones observées comme si on utilisait une large antenne à très grande
résolution. Comme le traitement se fait par transformée de Fourier, il est en général calculé en postraitement ou en
traitement à distance par un ordinateur puissant.
D'ailleurs, avant le développement des ordinateurs récents, on utilisait une technique holographique pour traiter les
données. Un spectre holographique d'interférences, ayant une échelle de projection donnée par rapport au terrain (ex.
1:1,000,000 pour un radar de 0.6m de résolution) était produit à partir des données brutes du radar. Une fois illuminé par
un laser ayant le même rapport d'échelle, la résultante était une projection du terrain en trois dimensions, un peu comme
une projection stéroscopique.
Applications simples
Cependant, pour les applications les plus simples, la donnée de phase est rejetée et on obtient ainsi une carte plane en
deux dimensions de la zone sondée.
Applications plus complexes
Polarimétrie [modifier]
Plusieurs images simultanées sont générées en utilisant des faisceaux polarisés différents, habituellement orthogonaux.
Comme les cibles rencontrées (sol, feuillage, édifices, etc.) ont des propriétés polarisantes différentes, l'intensité venant
des différentes ondes vont varier avec le type de matériel. On étudie alors les différences d'intensité entre les images

15. générées à partir de ces faisceaux pour produire des cartes géomorphologiques et d'occupation du terrain. On peut ainsi
relever des détails non visibles à première vue comme le type de végétation ou la présence de tunnels sous le sol.
Interférométrie [modifier]
On utilise simultanément deux radars à synthèse d'ouverture, ou bien le même radar est utilisé à des instants différents.
On étudie alors les différences de phase point à point des images générées pour retrouver la dimension verticale du
terrain. On parle alors de SAR interférométrique ou InSAR
o Radar tridimensionnel à balayage électronique
Le Radar tridimensionnel à balayage électronique1 (phased-array radar en anglais) est un radar qui utilise une antenne
formée d'un très grand nombre d'ouvertures de tubes de guides d'ondes sur une surface plane: une antenne réseau à
commande de phase.
Principe
Le déphasage de l'émission entre chacune des ouvertures permet de recréer électroniquement un spectre directionnel
similaire à une antenne parabolique. En variant le déphasage, on change la direction sondée et on peut ainsi balayer selon
la verticale et l'horizontale sans avoir à faire bouger l'antenne.
Ce balayage tri-dimensionnel, électronique, peut donc se faire beaucoup plus rapidement qu'avec un système mécanique,
ce qui explique son développement pour la défense navale et aérienne. Plusieurs bâtiments des marines nationales
l'utilisent comme élément des systèmes de poursuite des cibles très mobiles comme les missiles air-sol. Le radar ci-contre
se trouve en Alaska et fait partie du système américain de défense anti-missiles transcontinentaux balistiques. L'ensemble
de ce réseau sera modernisé en utilisant ce type d'antennes .
Recherches
Installation de l'antenne d'un ancien radar SPY-1A de la US Navy au National Severe Storm Laboratory,
Norman Oklahoma
Depuis 2003, un radar tridimensionnel à balayage électronique, acheté de la US Navy par le service météo de la NOAA,
est mis à l'essai pour voir l'utilité de ce concept dans la détection des précipitations.
L'avantage de ce type d'antenne serait d'obtenir un sondage de l'atmosphère dans un temps beaucoup plus rapide qu'avec
une antenne conventionnelle, permettant de voir l'évolution des orages avec une résolution temporelle grandement
supérieure. Comme ces derniers peuvent changer de caractérisques très rapidement et donner du temps violent, l'espoir est
de pouvoir mieux anticiper le déclenchement des phénomènes violents (tornade, grêle, pluie torrentielle et rafales
descendantes) et ainsi améliorer les préavis d'alertes météorologiques.

16. On estime qu'il faudra de 10 à 15 ans pour compléter les recherches et faire les plans pour construire une nouvelle
génération de radars météorologiques utilisant ce principe. Le coût estimé de cette expérience est de 25 millions USD.2
o Radar à antenne latérale
o Moving Target Indicator
Moving Target Indicator (MTI) ou en français Visualisation des Cibles Mobiles (VCM) est une des fonctions offertes
par certains radars. Cette fonction consiste à éliminer les échos venant des cibles fixes pour ne traiter que les échos des
cibles mobiles. Les cibles fixes renvoyent un écho radar à la fréquence du signal reçu, alors que les cibles mobiles
modifient la fréquence du signal renvoyé ; cet effet est connu sous le nom d'effet Doppler. La différence entre la
fréquence reçue et la fréquence renvoyée (telle que perçue par le radar) est fonction de la vitesse de la cible par rapport au
radar.
Dans le cas d'un radar à impulsion, il convient toutefois de préciser la nature du signal Doppler.
Signal Doppler "normal"
Imaginez-vous à la plage. Vous avez les pieds dans l'eau et des vagues arrivent régulièrement sur vous toutes les T
secondes. L'émetteur (Neptune dans ce cas) envoie des vagues toutes les T secondes à une vitesse c et la distance entre
deux vagues est . Donc :
ou
si F est la fréquence des vagues. Si maintenant vous avancez dans l'eau à une vitesse v vous recevrez une vague avec une
période différente T'.
ou ou
On appelle fréquence Doppler la différence entre F' (fréquence reçue ... ici par vous) et F (fréquence émise ..... ici par
Neptune)
Si vous avancez dans l'eau, la fréquence Doppler sera positive. Si vous allez vers la plage la fréquence reçue sera plus
petite que F et la fréquence Doppler sera négative. (Une fréquence négative est une fréquence "normale" de phase
inversée de par rapport à celle définie comme positive)
On constate que la fréquence Doppler apparaît quand il y a un mouvement relatif de rapprochement ou d'éloignement
entre l'émetteur et le récepteur. Supposons que vous puissiez renvoyer les vagues reçues à Neptune (toujours en avançant
dans l'eau à la vitesse v). Vous ne pouvez renvoyer que ce que vous recevez, donc des vagues à la fréquence F'. Neptune
recevra alors des vagues à la fréquence F".
En remplaçant F' par sa valeur :
Si on suppose que c est beaucoup plus grand que v, ce qui est le cas pour les ondes électromagnétiques, le troisième terme
est négligeable devant les deux premiers. La fréquence Doppler liée à votre déplacement, perçue par l'émetteur, sera la
différence de fréquences entre celle qu'il a émise et celle qu'il recevra.

17. Fréquence Doppler pour un radar à impulsions
L'impulsion radar dure en moyenne 1 sec.
La fréquence d'émission est généralement comprise entre 1 et 16 gigahertz. Pour le calcul suivant, supposons 16 gigahertz
(16.000.000.000 hertz)
La vitesse d'une cible peut atteindre 2000 km/h soit 0,5 km/sec.
La vitesse de la lumière est 300.000 km/sec
La fréquence Doppler reçue sera alors :
hertz
Le signal reçu a donc une période de 6,25*10^-5 sec (l'inverse de 53.330+16*10^9). On constate que cette période est
plus petite que la durée de l'impulsion émise (1 sec). La fréquence Doppler ne peut donc pas être analysée sur une
impulsion. Remarquons que les valeurs choisies dans le calcul précédent sont "limites" : dans la réalité, les avions vont
souvent moins vite et leur trajectoire n'est pas forcément dans l'axe du radar. De plus les fréquences d'émission peuvent
être plus basses surtout pour les radars de veille (généralement 1 à 3 gigahertz) .... le 16 gigahertz est courant pour les
radars de poursuite qui ont une impulsion plus courte que 1 sec.
LA DIFFERENCIATION ENTRE CIBLE FIXE ET MOBILE NE PEUT SE FAIRE PAR L'ANALYSE DE LA
FREQUENCE DOPPLER PORTEE PAR L'ECHO RENVOYE PAR LA CIBLE.
Comment le radar peut-il retrouver la fréquence Doppler ?
Principe
Supposons que le radar possède un oscillateur local de fréquence F. Supposons que l'émission soit générée en prélevant
un échantillon (d'1 sec) de cet oscillateur. Cet échantillon porteur de la phase de l'oscillateur local au moment de
l'émission parcourt l'aller/retour entre le radar et la cible. Le radar recevra l'écho un temps 2D1 / c après l'émission. D,
étant la distance entre le radar et la cible. Supposons que cet écho soit démodulé en phase par l'oscillateur local. LE
SIGNAL DEMODULE EST ALORS PORTEUR DE L'INFORMATION "DIFFRERENCE DE PHASE DE
L'OSCILLATEUR LOCAL ENTRE L'EMISSION ET LA RECEPTION". On peut calculer ce déphasage :
Le signal écho se présente alors, après cette démodulation, comme une impulsion positive, négative ou nulle suivant le
déphasage perçu.
ON GARDE EN MEMOIRE CE SIGNAL. Le radar émet une nouvelle impulsion et reçoit à nouveau un écho. La
distance de la cible est maintenant 2D2 et :
ON COMPARE et en faisant simplement une soustraction. Si le résultat est nul, c'est que 2D2 égale 2D1 et
que la cible est fixe. Sinon, c'est que la cible a bougé. Calculons cette différence et voyons comment on retrouve la
fréquence Doppler.

18. Si v est la vitesse de la cible D2 D1 est la distance parcourue entre les deux émissions (une réccurence Tr) à une vitesse
v.
D2 D1 = vTr
Donc :
Comme, par définition, une fréquence a la dimension d'une différence de phases divisée par le temps entre les deux
phases prises en compte ( ici Tr), on retrouve la fréquence Doppler :
En fait tout ce passe comme si le radar prélevait des échantillons de la fréquence Doppler.
Mais est-ce la véritable fréquence Doppler ? Théorème de Shannon
On retrouve ici les problèmes d'échantillonnage. Il est évident que le radar se comporte comme un stroboscope pour la
cible. Imaginez un stroboscope qui éclaire tous les temps Tr une roue de bicyclette dont un rayon serait peint en blanc. - Si
le rayon a fait moins d'un demi-tour entre deux éclairs, on verra tourner la roue dans le bon sens et à sa véritable vitesse.
La fréquence de la roue est alors plus petite que la moitié de la fréquence du stroboscope. On peut écrire :
Si alors Fmesure = Froue
- Si le rayon a fait un peu plus d'un demi-tour entre deux éclairs, on verra tourner la roue en sens inverse. La fréquence de
la roue est alors plus grande que la moitié de la fréquence du stroboscope. La fréquence perçue est "négative" par rapport
à la fréquence réelle et inférieure en valeur absolue à la moitié de la fréquence du stoboscope.
Si alors
- Si le rayon a fait un nombre entier de tours entre deux éclairs, la roue paraîtra fixe (vitesse ou fréquence aveugle).
- Si le rayon a fait plusieurs tours plus une portion de tour, on verra toujours tourner la roue à une fréquence comprise
entre et
Pour nous, la fréquence du stroboscope est la fréquence de récurrence du radar Fr qui est de l'ordre de kilohertz (si on
admet que le temps Tr est de l'ordre de la milliseconde. Donc, si la fréquence Doppler ne correspond pas à un multiple de
la fréquence de récurrence, on verra un signal, et la vitesse perçue sera plus faible que la vitesse réelle de la cible. Cela n'a
pas d'importance car c'est suffisant pour décréter que la cible bouge. Un problème apparaît quand la fréquence Doppler
est un multiple exact de la fréquence de récurrence : la cible mobile paraît fixe. Pour éliminer ce problème il suffit de
wobuler la fréquence de récurrence, c'est-à-dire de modifier la fréquence de récurrence à chaque émission.
La démodulation réelle
Nous avions présenté le principe en imaginant UN OSCILLATEUR. En fait, il y en a deux. Un premier (hyperfréquence)
sert au changement de fréquence dans le récepteur. Il transforme l'écho hyperfréquence en écho moyenne fréquence. On
l'appelle oscillateur local Le second (moyenne fréquence) sert à réaliser la démodulation finale pour transformer l'écho

19. moyenne fréquence en impulsion continue. C'est cette impulsion qui peut être positive, négative ou nulle. Quand cet
oscillateur est "libre", on l'appelle "coho" (oscillateur cohérent). Il est asservi en fréquence et en phase par l'impulsion
émission (voir boucle CAF). Dans les radars entièrement cohérents, il n'y a pas de problème d'asservissement car c'est un
seul oscillateur qui génère toutes les fréquences dont le radar a besoin : fréquence de l'émission, de l'oscillateur local, de
l'oscilateur moyenne fréquence, de la réccurence (la synchro radar), et toutes les synchros nécessaires.
Dans le paragraphe précédent on descendait brutalement de la table au sol. Ici on fait la même chose en se servant d'une
marche intermédiaire.
Le filtre MTI ... le plus simple
Le filtre MTI de base peut se décrire de la façon suivante: un soustracteur qui réalise la différence entre les niveaux des
échos démodulés de la réccurence en cours et les niveaux des échos démodulés de la réccurence précedente. Les échos
démodulés de la réccurence précédente ont été mis en mémoire dans des RAM (random acces memory) ou dans ce qu'on
appelait autrefois "une ligne à retard d'une réccurence". Tandis que cette RAM se décharge de la réccurence précédente
sur le soustracteur , elle se charge de la réccurence en cours et ainsi de suite. En "filtrage numérique" un tel filtre s'appelle
"filtre SINUS". En général, les filtres MTI sont plus complexes mais réalisent toujours cette soustraction.
Radar météorologique
Un radar météorologique est un type de radar utilisé en météorologie pour repérer les précipitations, calculer leur
déplacement et déterminer leur type (pluie, neige, grêle, etc.). La structure tridimensionnelle des données obtenues permet
également d'inférer les mouvements des précipitations dans les nuages et ainsi de repérer ceux qui pourraient causer des
dommages. Enfin, les précipitations servant de traceurs, on peut en déduire la direction et la vitesse des vents dans la
basse atmosphère.
Tour et pose du radôme du nouveau radar météorologique de King City, Canada.
Petite histoire
En 1864, James Clerk Maxwell décrit les lois de l’électromagnétisme ce qui permet pour la première fois de travailler
sur leur source.
En 1889, Heinrich Rudolf Hertz montre que les ondes électromagnétiques sont réfléchies par les surfaces métalliques.
Début XXe siècle siècle, plusieurs inventeurs, scientifiques, et ingénieurs ont contribué au développement du radar:
Développement de la radio et de la TSF (par Marconi, entre autres), donc des antennes
En 1904, le dépôt du brevet du « Telemobiloskop » (Reichspatent Nr. 165546) par l'allemand Christian
Hülsmeyer 1, qui a démontré la possibilité de détecter la présence de bateaux dans un brouillard très dense.
En 1917, Nikola Tesla établit les principes théoriques ( fréquences et niveaux de puissance) du futur « radar »
2
Dans les années 1920: expériences de détection avec des antennes. Problème de longueur d'onde et de
puissance.
En 1934, faisant suite à une étude systématique du magnétron des essais sur des systèmes de détection par
ondes courtes sont menés en France par la CSF (16 et 80 cm de longueur d'onde) selon les principes de
Nikola Tesla, un brevet est déposé (brevet français 3 n° 788795). C'est ainsi que naquirent les « radars » à
ondes décimétriques. Le premier équipa en 1934 le cargo Orégon suivi 1935 par celui du paquebot
Normandie

20. Émetteur à magnétron
Récepteur séparé
En 1935, faisant suite à un brevet déposé par Robert Watson-Watt (l’inventeur dit « officiel » du
radar)(brevet britannique 3 4 GB593017) le premier réseau de radars est commandé par les Britanniques
Le hongrois Zoltán Lajos Bay 5 a produit un autre des premiers modèles opérationnels en 1936 dans le
laboratoire de Tungsram (Hongrie).
Durant la Seconde Guerre mondiale, les opérateurs des radars micro-ondes des armées alliées remarquèrent de la
contamination qui s’avéra être des échos venant de la précipitation (pluie, neige , etc.).
Juste après la guerre, les scientifiques militaires, qui avaient déjà commencé leur recherche sur les phénomènes
rapportés, ont continué leur travail tant dans la vie militaire que civile.
Aux États-Unis : David Atlas6, pour le groupe de l’armée de l’air et plus tard avec le MIT. Ils ont développé
les premiers radars météorologiques opérationnels.
Au Canada : J.S. Marshall et R.H. Douglas forment le « Stormy Weather Group »7 à l’Université McGill de
Montréal. Marshall et son étudiant Walter Palmer sont reconnus pour avoir travaillé sur la distribution du
diamètre des gouttes dans les précipitations ce qui a mené à la relation entre la réflectivité (Z), le retour
d’intensité de la précipitation, et le taux de précipitation (R) au sol communément appelé relation Z-R.
En Grande-Bretagne, les recherches se poursuivent pour relier les caractéristiques des échos au spectre des
précipitations et sur les possibilités qu’offrent les différentes longueurs d'onde entre 1 et 10 centimètres.
Entre 1950 et 1980, les différents services de météorologie à travers le monde construisent des radars
météorologiques pour suivre la précipitation par sa réflectivité. D’abord ces radars furent pour usage local dans
les grands centres avec un nombre limité d’angles. Ils étaient opérés en temps réel par les météorologistes qui
devaient suivre les échos sur des écrans cathodiques.
Dans les années 1970, les différents radars commencent à être organisés en réseaux avec un début de
standardisation. Les premiers systèmes de capture des images ont été développés. Le nombre d’angles sondés
augmente ce qui permet d’obtenir un volume de données en trois dimensions. Les coupes horizontales (CAPPI) et
verticales sont développées. On étudie ainsi la structure des orages et autres nuages (entre autre par Isztar
Zawadski). Les groupes de recherche se sont multipliés à travers le monde, en particulier le NSSL aux États-Unis
en 1964, qui commencent à expérimenter sur la variation de la polarisation du signal radar ainsi que sur
l’utilisation de l’effet Doppler.
Entre 1980 et 2000, les réseaux de radars météorologiques se généralisent en Amérique du Nord, en Europe, au
Japon et dans certains autres pays. Les radars conventionnels sont remplacés par des radars pouvant détecter non
seulement l’intensité des précipitations mais également leur vitesse de déplacement (effet Doppler). Aux États-
Unis, l’implantation de ces radars de longueur d’onde de 10 cm appelé NEXRAD ou WSR-88D commence en
1988 et se termine au début des années 90. Au Canada, le premier radar Doppler est celui de 10 centimètres à
l’Université McGill en 1993 et le second à King City (un radar de 5 centimètres), au nord de Toronto. Le réseau
canadien de radars météorologiques est modernisé en ce sens à partir de 1998. La France (réseau ARAMIS) et les
autres pays européens se convertissent à la fin des années 1990 et après 2000.
Le développement fulgurant de l’informatique permet de traiter les données radars en temps réel pour faire une
multitude de produits directs (CAPPI, PPI, cumul de précipitations, etc.) mais également des algorithmes qui
permettent de repérer les précipitations dangereuses (orages, pluie diluvienne, rafales sous les nuages, etc.) et de
prévoir à court terme leur déplacement.
Après 2000, les recherches qui ont été effectuées sur la double polarisation du signal radar commencent à trouver
des applications pratiques dans la détection du type de précipitations. La France8, le Canada, les États-Unis,
l’Australie et d’autres ont transformé certains de leur radars pour utiliser ce concept en mode pré-opérationnel.
Des recherches sont en cours depuis 2003 pour utiliser des antennes réseau à commande de phase assemblés en
radar tridimensionnel à balayage électronique pour remplacer le sondage mécanique en balayage électronique,
donc plus rapide.

21. Principes du radar météorologique
Émission d’une onde électromagnétique pulsée (impulsion de l’ordre de la microseconde)
Trajectoire du faisceau radar et volume sondé
Une impulsion est produite par un oscillateur, envoyé à travers un tube guide d’onde à une antenne parabolique qui elle
l’émet vers la précipitation. Chaque impulsion sonde un volume de cibles qui est égal à (h est largeur de
l'impulsion, r la distance au radar et angle d’ouverture du faisceau). Cependant, comme on ne peut distinguer le retour
du front de l’impulsion et celui de sa fin au-delà de h/2, la résolution est la moitié du volume.
Avec les dimensions typiques d'un faisceau radar, le volume sondé varie donc de 0,001 km³ (à 10 km de distance) jusqu'à
1 km³ (à 200 km). Comme les intensités reçues dans chacun de ces volumes viennent de l'ensemble des cibles, le fait
qu'ils augmentent avec la distance veut dire que le retour est une moyenne sur une variété d'intensités de plus en plus
grande.
D'autre part, le retour sera inversement proportionnel à selon l'équation du radar pour cibles volumiques. Donc pour
comparer des échos venant de deux distances différentes, il faudra normaliser leur intensité en accord avec ce rapport.
Temps d’écoute (généralement de l’ordre de 1 ms)
Calcul de la hauteur des échos
Entre chaque impulsion, l'antenne et le circuit électronique sont mis à l’écoute de l’impulsion de retour. Les échos seront
donc notés en distance par:
(c = vitesse de la lumière).
Donc la distance maximale qu'on peut sonder sans ambiguïté dépend du utilisé entre deux impulsions subséquentes.
La position de tout retour qui arrive d'une première impulsion, APRÈS que soit partie une seconde, sera mal interprétée
comme revenant de cette dernière.
En plus de la distance, on peut calculer la hauteur au-dessus du sol où se trouvent les cibles. Cela se calcule en
connaissant l’angle d’élévation du radar et en tenant compte de la stratification des couches de l’atmosphère qui fait
courber le faisceau par changement de l’indice de réfraction.

22. Stratégie de sondage [modifier]
Après avoir effectué une rotation complète à un angle d’élévation donné, l’antenne parabolique sera haussée à un angle
supérieur et effectuera une autre rotation. Ce scénario se répétera sur plusieurs angles de telle façon que le radar
effectuera un balayage en trois dimensions de l’atmosphère en 5 ou 10 minutes. On aura ainsi une idée des précipitations
depuis un niveau près sol jusqu’à environ 15 à 20 km d’altitude et sur 250 km de distance.
Angles typiquement sondés au Canada. Les lignes en zig-zig représentent les données de deux CAPPI à 1,5 et 4 km
d'altitude
À cause de la courbure de la Terre et du changement d’indice de réfraction de l’air avec l’altitude, qui affecte la
trajectoire du faisceau radar, le sondage ne pourra pas « voir » sous une certaine hauteur qui dépend de la distance au
radar et de l’angle minimal utilisé. Il ne pourra également pas « voir » plus près du radar que la trajectoire de l’angle
maximal utilisé. La figure à gauche montre la hauteur versus la distance d’une série d’angles typiquement utilisés par un
radar météorologique canadien. Ils vont de 0,3 à 25 degrés.
Types de données
Réflectivité (en décibel ou dBZ) [modifier]
L’écho de retour réfléchi par les cibles est également analysé pour son intensité afin d’établir le taux de précipitation
dans le volume sondé. On utilise une longueur d’onde radar entre 1 et 10 cm afin que le retour agisse selon la loi de
Rayleigh (intensité proportionnelle à une puissance du diamètre de la cible en autant que le diamètre des cibles (pluie,
flocons, etc.) soit beaucoup plus petit que la longueur d’onde du faisceau radar). C’est ce qu’on nomme la réflectivité
(Z).
Cette intensité varie en fait comme la 6e puissance du diamètre des cibles de diamètre D et le carré de leur constante
diélectrique. La distribution des gouttes (N[D]) est celle d'un fonction Gamma tronquée 9 ce qui donne:
Comme le taux de précipitation (R) est égal au nombre de particules, leur volume et leur vitesse de chute (v[D]):
On voit que Z et R sont reliés par:
où a et b dépendent du type de précipitations (pluie,neige, convective ou stratiforme) qui ont des , K, N0 et v différents
L’antenne tourne sur son axe à un angle d’élévation donné mais émet un grand nombre d’impulsions dans chaque
angle de visée. La RÉFLECTIVITÉ revenant de chaque impulsion pour chacun des volumes de cibles est donc
notée pour calculer une intensité moyenne de sondage pour ce volume.

23. La variation de diamètre et la constante diélectrique entre les différents types de précipitations (pluie, neige,
bruine, grêle, etc.) est très grande, la RÉFLECTIVITÉ est exprimée en dBZ (10 fois le logarithme du rapport
entre le retour et une constante qui correspond au retour que donnerait une volume remplie de gouttelettes de
pluie de 1 mm de diamètre avec une certaine densité)
Vitesse Doppler
Radar pulsé
À proprement parler, la différence de fréquence générée, selon l'effet Doppler traditionnel, par le déplacement des gouttes
de pluie ou les flocons de neige est trop petite pour être notée par l'instrumentation électronique actuelle. En effet, les
fréquences utilisées sont de l'ordre de 109 Hz (longueurs d'onde 5 à 10 cm) et les vitesses des cibles de 0 à 70 m/s ce qui
donne un changement de fréquence de seulement 10-5%. On utilise donc à la place la différence de phase entre deux
impulsions successives revenant d'un même volume sondée (paire d'ondes pulsées). Entre chaque impulsion, les cibles se
déplacent légèrement créant cette différence de phase. L'intensité d'une impulsion après un aller-retour est donnée par :
Différence de phase entre deux ondes revenant d'une cible ayant bougée
L'intensité d'une impulsion subséquente revenant du même volume sondé mais où les cibles ont légèrement bougé est
donnée par:
Donc
Dilemme Doppler

24. La portée maximale et la vitesse Doppler maximale non ambigüe varient de façon inverse (rouge pour la portée et bleu
pour la vitesse maximale)
Regardons maintenant la vitesse maximale qu'on peut mesurer sans ambiguïté. Comme un Sinus peut varier entre - et
, on ne peut noter une vitesse supérieure à:
C'est ce qu'on appelle la vitesse de Nyquist. Pour obtenir une meilleure détermination de la vitesse des cibles, il faut
envoyer des impulsions très rapprochées, donc avec très petit. Mais on sait également que la portée en réflectivité est
ce qui demande un grand t pour être sûr de la position des échos revenant de loin sans ambiguïté. Ce dilemme Doppler
limite donc la portée utile des radars qui utilise cet effet. Il faut donc faire un compromis qui en général fait que les radars
Doppler ont une portée utile de 100 à 150 km.
Interprétation
Exemple idéalisé de sortie Doppler. Les vents s'approchant sont en bleu et ceux sortant en rouge selon la convention
habituelle. Remarquez la variation sinusoïdale de la vitesse lorsqu'on se déplace sur 360 degrés le long d'un des
cercles(Source: Environnement Canada).
Cette vitesse est appelée la vitesse Doppler. Elle ne donne que la composante radiale du déplacement. Cependant, il est
possible de déduire avec une certaine précision les vraies vitesses et directions si l'écran est suffisamment rempli de
précipitations. Pensons à une pluie d'automne qui dure toute la journée et qui se déplace uniformément d'ouest en est. Le
faisceau radar pointant vers l'ouest verra donc les gouttes s'approcher de lui et l'inverse quand il pointe vers l'est. Par
contre, quand le radar pointe vers le nord et le sud, les gouttes ne se rapprochent, ni ne s'éloignent de lui car elles passent
perpendiculairement au faisceau. Donc la vitesse notée sera nulle.
Si on se rappelle que le radar tourne sur 360 degrés, il verra donc toutes les composantes de projection de la vitesse de ces
gouttes sur son axe de visée. L'ensemble des vitesses sur un tour complet prendra les valeurs d'un cosinus. Fort de cela, on

25. peut donc déduire la direction et la vitesse des précipitations (+/- celle du vent).
On a cependant négligé la vitesse de chute des gouttes mais elle est faible pour les angles d'élévation sous 3 degrés à
l'intérieur de 150 km du radar ce qui sont le plus souvent les angles recherchés. Un regard plus en hauteur doit en tenir
compte.
Polarisation
En général, la plupart des hydrométéores ont un axe plus grand selon l’horizontale (ex. les gouttes de pluie deviennent
oblates en tombant à cause de la résistance de l’air). L’axe dipolaire des molécules d’eau a donc tendance à s’aligner dans
cette direction et le faisceau radar sera généralement sera polarisé horizontalement pour tirer profit d’un retour maximal.
Si on envoie en même temps une impulsion avec polarisation verticale et une autre avec polarisation horizontale, on
pourra noter une différence de plusieurs caractéristiques entre ces retours comme leur intensité (Zdr), leur différence de
phase ( dp), leur corrélation d’un pulse à l’autre ( hv), etc. Les radars dits POLARISÉS qui utilisent ce type de sondage
peuvent donc obtenir des indications sur la forme des cibles ainsi que sur le mélange de formes. Ceci peut être utilisé, en
plus de l’intensité du retour, pour une identification directe du type de précipitations (pluie, neige, grêle, etc.) grâce à un
algorithme 10.
NCAR aux États-Unis, a été un des centres pionniers dans ce domaine avec Dusan S. Zrnic et Alexandre V. Ryzhkov. Le
NOAA met à l'essai depuis le début des années 2000 un radar opérationnel de ce type et pense équiper tout son réseau
d'ici la fin de cette décennie. L'université McGill (Montréal, Canada) a également un radar qui en est équipé et dont les
données sont utilisées opérationnellement par Environnement Canada. EC a un autre radar polarisé à King City en
banlieue nord de Toronto en mode développement. Finalement, Météo-France pourrait avoir ses premiers radars polarisés
en 2008.
Animations
Boucle de PPIs de réflectivité (en dBZ) montrant l'évolution d'un ouragan (NOAA)
Tous les produits dérivés des données radar peuvent être animées. L'utilisateur peut ainsi voir l'évolution du spectre de
réflectivités, de vitesses, etc. et en tirer des informations sur le déplacement et la dynamique du phénomène
météorologique observé.
Par exemple, on peut extrapoler le déplacement pour prévoir à court terme l'arrivée de la pluie sur une ville d'intérêt. On
peut remarquer également le développement ou la diminution des précipitations.
Dans les sections suivantes, nous parlerons des différents types de retours au radar qui ne proviennent pas
d'hydrométéores et qui nuisent à l'interprétation. Un animation est très utile pour repérer les plusieurs artéfacts non
météorologiques car ces derniers ont un comportement soit aléatoire (bruit, propagation anormale) ou ne bougent pas
(échos de sol).
Mosaïques de radars [modifier]
Les données d'un seul radar météorologique sont utiles si on ne regarde qu'à courte portée et sur un temps assez court.
Cependant, pour bien voir le déplacement des précipitations, les sorties de plusieurs radars doivent être mis en réseau sur
une carte mosaïque. Comme les différents radars peuvent avoir des caractéristiques différentes, dont leur calibration, et
avoir des zones de recoupement, il faut prévoir un arbre de décision pour choisir quelque valeur mettre en un point de
façon à avoir un continuum.
Pour les radars qui peuvent avoir une certaine atténuation dans les précipitations fortes, comme ceux de 5 cm de longueur
d'onde, on mettra en général la donnée du radar ayant le plus fort retour en un point si deux radars couvrent cet endroit.
Pour les radars n'ayant pas d'atténuation notable, comme ceux de 10 cm, on mettra plutôt la valeur du radar le plus près.

26. Ceci peut également varier entre l'hiver et l'été. Dans le premier cas, il peut y avoir beaucoup de différence de position dû
au transport par les vents et de variations du taux de précipitations par sublimation (virga). Cela peut donner à une grande
différence entre le niveau de la donnée du radar et le sol.
Algorithmes automatiques
Le carré est mis par le programme de traitement lorsqu'il a repéré une rotation sur les données Doppler. A noter que ceci
est un zoom d'une région et que le doublet de rotation (vert-jaune) a moins de 10 km de rayon (Source: Environnement
Canada).
Pour mieux repérer les informations contenus dans les données d'un radar, divers algorithmes informatiques ont été
développés. En effet, un météorologiste à l'œil averti et avec beaucoup d'expérience pourra interpréter ces sorties mais
certains détails demande trop d'attention. Ceci est particulièrement vrai des données Doppler qui ne donnent que la
composante radiale.
Les principaux algorithmes de réflectivité sont:
La quantité de précipitation totale (VIL en anglais) dans la colonne ce qui permet de repérer les nuages les plus
importants comme les orages.
Celui de Rafale Potentielle qui relie le VIL et la hauteur du sommet des échos radar. Plus la quantité d'eau se
concentre dans le nuage, plus la rafale sera forte lorsque le cœur des précipitations descendra.
Présence de grêle.
Les principaux algorithmes pour les vitesses Doppler (voir algorithmes Doppler):
Repérage des rotations dans les orages. Avec un radar météorologique on ne peut voir les tornades, car elles sont
plus petites que la résolution habituelle, mais on peut voir se former dans les cellules orageuses les rotations qui
pourront se concentrer en tornade si les conditions sont favorables.
Repérage du cisaillement des vents dans les bas niveaux qui donne une idée où se produisent des rafales
importantes.
L'interprétation des données radar dépend de plusieurs hypothèses qui ne sont pas toujours remplies:

27. Atmosphère standard
Obéissance à la loi de Rayleigh et relation directe entre le retour et le taux de précipitation
Le volume sondé par le faisceau est rempli de cibles (gouttes, flocons, etc.) météorologiques, toutes du même
type et à une concentration uniforme
Aucune atténuation
Aucun phénomène d'amplification
Les lobes latéraux sont négligeables.
La forme du faisceau à mi-puissance peut être représentée de façon approximative par une courbe gaussienne.
Les ondes incidentes et rétrodiffusées sont polarisées linéairement.
La diffusion multiple est négligeable (pas de retour à multiples réflections sur différentes cibles).
Le faisceau radar se propage dans l'atmosphère et rencontre bien des choses en plus de la pluie ou de la neige. Il faut donc
savoir reconnaître la signature de ces artéfacts pour pouvoir interpréter correctement les données.
Propagation anormale (atmosphère non standard)
L'on prend comme hypothèse que le faisceau radar se déplacera dans une atmosphère standard où la température diminue
selon une courbe normale avec l'altitude. Le calcul de la position des échos et leur altitude dépend de cette hypothèse.
Suréfraction
Il arrive souvent que des inversions de températures se produisent à bas niveau (ex. refroidissement nocturne par ciel
clair) ce qui change la stratification de l'air. L'indice de réfraction de l'air, qui dépend de la température, de la pression et
de l'humidité, change donc anormalement. Il augmente au lieu de diminuer dans la couche en inversion de température ce
qui fait recourber le faisceau radar vers le sol. Cela a pour effet que le faisceau frappe le sol et retourne au radar. Comme
ce dernier s'attend à un retour d'une certaine hauteur, il place erronément l'écho.
Ce type de faux échos est facilement repérable en regardant une séquence d'images s'il n'y a pas de précipitations. On y
voit dans certains endroits des échos très forts qui varient d'intensité dans le temps sans changer de place. De plus, il y a
une très grande variation d'intensité entre points voisins. Comme cela se produit en inversion nocturne, le tout commence
après le coucher du soleil et disparaît au matin.
Par contre, si l'inversion est due à une inversion pré-frontale (front chaud), il peut y avoir de la précipitation mêlée avec la
propagation anormale ce qui rend la détection plus problématique.
L'extrême de ce phénomène se produit quand l'inversion est si prononcé et sur une mince couche que le faisceau radar
devient piégé dans la couche en guide d'onde et rebondit plusieurs fois au sol avant de revenir au radar. Ceci crée des
échos de propagation anormale en bandes concentriques multiples.
Infra-réfraction
Si l'air diminue de température plus rapidement que dans l'atmosphère standard, comme dans une situation d'air instable
(convection), l'effet inverse se produit. Le faisceau radar est alors plus haut que l'on pense. Cette situation est difficile à
repérer.
Des cibles hors de la loi de Rayleigh
Une des hypothèses de l'interprétation radar est que le retour des cibles est proportionnel au diamètre des cibles. Ceci se
produit quand les gouttes sont de l'ordre de 10 fois inférieures à la longueur d'onde utilisée. Si les cibles sont trop petites,
le dipôle des molécules d'eau contenues dans la cible (ex. gouttelettes de nuage de quelques microns de diamètre) sera
trop petit pour être excité et le retour sera invisible pour le radar.
Si par contre, si la cible s'approche de la longueur d'onde (ex. grêle de 5 cm), le dipôle de la cible sera excité de façon non
linéaire et le retour ne sera plus proportionnel. Cette zone est appelée la diffusion selon la théorie de Mie.
Donc un radar météorologique opérationnel (5 et 10 cm en général) ne peut percevoir la bruine ou les nuages. D'un autre
côté, si la réflectivité dépasse 50 dBZ, il est très probable que nous ayons affaire à de la grêle mais on ne peut en préciser
le taux de précipitation.

28. Volume sondé non rempli et gradients de réflectivité
Vue par un profileur à grande résolution et par un radar
météorologique typique.
Le faisceau radar a une certaine largeur et on prend des données avec un nombre défini d'impulsions sur chaque angle de
visée ainsi qu'à des angles d'élévation discrets. Il en résulte que nous avons des données qui moyennent les valeurs de
réflectivité, de vitesse et de polarisation sur des volumes de cibles. Plus on est loin, comme on l'a vu plus haut, plus ce
volume est grand.
Dans la figure ci-contre, on voit en haut une coupe verticale effectuée lorsqu'un orage est passé au-dessus d'un profileur
de vents. Ce dernier a une résolution de 150m selon la verticale et de 30m selon l'horizontale ce qui fait qu'on peut voir
énormément de détails. On peut entre autre voir que la réflectivité change rapidement à certains endroits (gradient).
Comparons cette image à celle du bas, simulée à partir des caractéristiques d'un faisceau radar météorologique de 1 degré
de largeur, à une distance de 60 km. On voit très clairement la dégradation qui est particulièrement importante dans les
zones où le gradient est fort. Ceci montre comment les données des radars peuvent facilement déroger de l'hypothèse que
le volume sondé est rempli de cibles, uniformément disposées.
Cibles non météorologiques
En plus de la pluie, de la neige, du verglas et autres précipitations, le radar météorologique peut recevoir des échos
provenant d'autres sources. Les principaux polluants des données sont:
Les oiseaux, surtout en temps de migration.
Les insectes à très basse altitude.
Les leurres électroniques que peuvent laisser tomber des avions militaires.
Les obstacles solides comme les montagnes, les édifices, les avions.
La réflection venant de plans d'eau à angle rasant.
Chacun de ces artéfacts a des caractéristiques propres qui permettent de les reconnaître de la vraie précipitation pour une
œil averti. Nous verrons plus bas qu'il est possible en combinant la réflectivité, les vitesses Doppler et la polarisation de
les filtrer.
Atténuation

29. Exemple de forte atténuation par une ligne d'orages passant au-dessus d'un radar de 5 cm de longueur d'onde (flèche
rouge). Source: Environnement Canada
Toute onde électromagnétique peut être absorbée en passant dans un milieu quelconque car elle excite les molécules qui
le composent. Cela peut donc enlever une partie des photons pour faire changer le niveau énergétique du milieu. L'air est
très peu absorbant mais la molécule d'eau l'est. Plus la longueur d'onde porteuse du faisceau radar se rapproche de celle
des gouttes d'eau (0,1 à 7 millimètres), plus le dipôle de ces molécules sera excité et plus l'onde sera atténuée par la
précipitation rencontrée.
En conséquence, les radars météorologiques utilisent généralement une longueur d'onde de 5 cm ou plus. À 5 centimètres,
lors de pluies intenses, on note une perte de signal en aval de celles-ci sur l'image radar (voir image). L'atténuation est
cependant de nulle à acceptable dans des précipitations faibles à modérées et dans la neige. C'est pourquoi la plupart des
pays des régions tempérées (Canada et une bonne partie de l'Europe) utilisent cette longueur d'onde. Elle nécessite une
technologie moins coûteuse (magnétron et de plus petite antenne). Les nations ayant une prédominance d'orages violents
utilisent une longueur d'onde de 10 centimètres qui est atténuée de façon négligeable dans toutes les conditions mais est
plus coûteuse (klystron). C'est le cas des États-Unis, de Taïwan et d'autres.
Les longueurs d'onde plus courtes sont fortement atténuées, même par pluie modérée, mais peuvent avoir une certaine
utilité à courte portée, là où la résolution est plus fine. Certaines stations de télévision américaines utilisent des radars de 3
centimètres pour couvrir leur auditoire en plus du NEXRAD local.
Bandes brillantes
En haut, CAPPI de 1,5km d'altitude fortement contaminé par la bande brillante (en jaune) visible dans la coupe verticale
du bas (Source: Environnement Canada).
Comme nous l'avons vu antérieurement, le retour de réflectivité est proportionnel au diamètre et à la constante
diélectrique de la cible. Entre un flocon de neige et une goutte de pluie de même masse, il y a une différence importante
de ces deux variables mais dans le sens inverse. Ainsi le diamètre d'un flocon est beaucoup plus grand que celui de la
goutte mais la constante diélectrique est beaucoup plus petite. Lorsque l'on calcule le Z de chacune de ces deux cibles, on
se rend compte que la différence est d'environ 1,5 dBZ en faveur de la goutte.
Lorsque de la neige, en altitude, descend vers le sol et rencontre de l'air au-dessus du point de congélation, elle se
transforme en pluie. Donc on s'attend à ce que la réflectivité augmente d'environ 1,5 dBZ entre une donnée radar prise
dans la neige et une prise dans la pluie. À l'altitude où la neige commence à fondre, il y a cependant un rehaussement des
réflectivités jusqu'à 6,5 dBZ. Qu'arrive-t-il?
À ce niveau, nous avons affaire à des flocons mouillés. Ils ont encore un diamètre important, se rapprochant de celui des
flocons de neige, mais leur constante diélectrique s'approche de celle de la pluie. Nous avons alors les deux facteurs
favorisant une plus grande réflectivité et il en résulte une zone qu'on appelle la bande brillante. Dans les données radar,
sur PPI ou CAPPI, qui croisent ce niveau l'on verra alors un rehaussement des intensités des précipitations qui n'est pas
réel.
Plusieurs techniques ont été développées pour filtrer cet artéfact par plusieurs services météorologiques.

30. Géométrie du faisceau
Spectre idéalisé de la distribution d'énergie d'un faisceau radar (Pic central à 0 et pics secondaires à différents angles
de chaque côté de celui-ci)
Le faisceau émis n'est pas un pinceau comme un faisceau laser mais il a plutôt la forme d'un spectre de diffraction par une
fente puisque l'onde émise sort par la fente d'un tube guide d'onde au point focal d'une antenne parabolique. Le pic central
(le faisceau radar) est plus ou moins une courbe gaussienne mais il y a des pics secondaires qui peuvent également illumer
les cibles hors de l'axe principal. Tout est fait pour minimiser l'énergie des pics secondaires à une faible fraction du pic
central mais ils ne sont jamais nuls.
Lorsque le faisceau radar passe sur un écho particulièrement fort, le retour de l'énergie du pic central est dans l'axe de
visée. Les retours des pics secondaires arrivent, quant à eux, au même temps où le pic central illumine un autre angle de
visée. Comme le récepteur note l'angle de visée du pic central, les retours des pics secondaires sont donc notés à un
mauvais azimuth ce qui crée un faible faux retour de chaque côté de notre vrai écho.
Les forts échos retournés par des collines par temps dégagé (pixels rouges et jaunes) et les retours mal placés
venant des lobes secondaires (bleus et verts)
Réflections multiples
Le faisceau radar est défléchi par la cible dans toutes les directions. En général, le retour venant de réflections multiples
dans le nuage est négligeable. Dans certaines conditions où le cœur de précipitation est intense (comme la grêle), une
partie de l'énergie envoyée vers le sol retournera au nuage et sera réfléchi vers le radar. On aura alors une réflection à trois

31. corps. Comme cet écho arrive plus tard que l'écho initial du nuage (plus long trajet), il sera placé erronément à l'arrière
des vrais échos de précipitations.
Solutions actuelles et futures
Image radar de réflectivité comportant de nombreux échos non météorologiques (Source: Environnement Canada).
Même image radar nettoyé par utilisation de la vitesse (Source: Environnement Canada).
Les deux images suivantes montrent comment on peut nettoyer une image brute de réflectivité pour trouver les vrais
échos dus à la précipitation. Ces derniers sont en général mobiles ce qui fait qu'en éliminant les échos dont la vitesse,
obtenu par traitement Doppler, est nulle, il nous reste les vrais échos. Bien que le traitement soit complexe et non
infaillible, il donne en général des résultats très intéressants.
Les problèmes dus au changement de type de précipitation, au mélange de ces derniers et aux cibles non météorologiques,
comme les oiseaux, peuvent quand à eux être filtrés par l'utilisation d'un filtre venant des données de polarisation. Ceci
commence à être fait expérimentalement et donne de bons résultats.
o Profileur de vents
Un Profileur de vents est un type de radar monté verticalement utilisé en météorologie pour mesurer la
direction et la vitesse des vents.
Principe de fonctionnement
Un profileur de vents est un radar Doppler à très grande résolution (typiquement 100 à 200 m à la verticale et moins de
100 m à l’horizontale) pointant verticalement. Il note la variation de l’indice de réfraction de l’air selon la théorie de la
diffusion de Bragg (Loi de Bragg). Cette variation est due aux turbulences de l’air en mouvement par la variation de sa
densité. Lorsque l’indice change sur une distance qui correspond à la moitié de la longueur d’onde du radar utilisé, il y a
un retour constructif entre les ondes revenant des zones de variation successives.

32. Les trois axes de prises de données
Cette distance de variation est typiquement de l’ordre de quelques centimètres à quelques mètres ce qui fait qu’on
utilisera une longueur d’onde de cet ordre de grandeur. Il s’agit là du même spectre que pour les radars météorologiques
et donc on suit également avec les profileurs, des cibles telles que la pluie, la neige, les insectes, les oiseaux et même
parfois les avions. Il faut donc filtrer ces cibles du signal désiré pour pouvoir estimer le vrai déplacement de l’air.
Pour mesurer le vent horizontal, le radar est dirigé dans deux directions orthogonales l’une de l’autre à un certain angle du
zénith. Par exemple, on analyse de changement Doppler des échos émis par le radar en direction nord à 30 degrés de la
verticale et ensuite vers l’est pour trouver les composantes de la vitesse dans ces directions. Ensuite, on trouve la vitesse
de l’air selon la verticale en pointant vers le zénith. On combine les trois composantes ainsi trouvées dans l’équation de
continuité de masse pour obtenir le vent total et donc sa composante horizontale.
Accessoirement, on obtient la réflectivité des hydrométéores à grande résolution et leur vitesse de chute. Cela donne une
information complémentaire à celle de tout radar météorologique voisin. En effet, ce dernier a moins de résolution mais
couvre une très grande région et ne voit pas la composante verticale de vitesses des particules, puisqu'il sonde
horizontalement.
Les profileurs de vents opèrent dans une large gamme de longueurs d’onde. La couche entre le sol, où la friction freine le
déplacement de l’air, et la hauteur où cette dernière devient négligeable est appelée la couche limite planétaire (CLP). Elle
est de l’ordre de moins de 3 kilomètres en général. Dans cette couche, les gradients de température et d’humidité sont
grands et nécessitent une faible longueur d’onde. Les profileurs UHF (30 à 40 cm) sont donc utilisés pour cette étude. Ils
sont compacts et peuvent être déplacés facilement : ils sont souvent utilisés pour des campagnes de prises de données.
Les profileurs VHF (1 à 10 m) sont sensibles à des gradients de températures variant sur de plus grandes distances, donc
au-dessus de la couche limite. Ils vont être utilisés pour le sondage de l’atmosphère de 2 à 16 km au-dessus du sol. Selon
la longueur d’onde, leurs dimensions varient. Plus la longueur est grande plus l’antenne le sera (ex. 10 x 10 m pour une
longueur d’onde d'un mètre et la grandeur d’un terrain de football pour une de 6 à 10 m) avec la même résolution.
En France, les services de Météo France sont autorisés par l'ANFR à utiliser les bandes de fréquences suivantes pour les
radars profileurs de vent : 45,00 à 68,00 MHz ; 900,00 à 1 400,00 MHz et 35,20 à 36,00 GHz. Il existe aussi quelques
radars profileurs de vent dans la bande des 72 MHz en accord avec EDF (les services d'intervention d'EDF utilisent la
bande 72,5250 à 73,1125 MHz pour leurs radiocommunications).
Radars spatiaux
o Altimètre radar, voir Altimètre
o Diffusiomètre
Radars navals
RADARS DE CONTROLE AERIEN
o Radar primaire
Définition
Un radar primaire est un capteur qui illumine une portion d’espace avec une onde électromagnétique et qui reçoit en
retour les ondes réfléchies par les cibles se trouvant dans cet espace. Le terme de "radar primaire" désigne un système
radar utilisé pour détecter et localiser des cibles potentiellement coopératives et est spécifique au domaine du contrôle
aérien où on l'oppose au Radar_secondaire.