9999

MASTERSMASTERSÉlectronique Électronique etet TélécommunicationTélécommunication

& TSE& TSE

Prof. Dr. M. Khalladi

Université Abdelmalek EssaadiFaculté des Sciences de Tétouan

Département de PhysiqueLaboratoire des Systèmes d’Information et de

Télécommunication (LaSIT)Equipe d’Electronique et Microondes (EMG)

Chapitre V

Les RADARS

EMG

100100

Les Antennes dans leur Contexte d'Utilisation

1- Liens de communications

2- Systèmes de Radars

Pi

RécepteurPs

Angle bistatique

Cibleσ

Le radar est une technique de détection et demesure de position d’objets réfléchissant les OEM.

I. Introduction

Pi

RécepteurPs

Angle bistatique

Cibleσ

102102

Le système radar est parmi les applications micro-ondes les plusrépandues. Il est constitué d’un émetteur qui envoie un signal sur une cibledonnée, et d’un récepteur qui détecte et intercepte le signal réfléchi par lacible (Le signal capté est appelé un écho) .

I.1. le Système radar

Applications: Civiles et militairesLes fréquences utilisées en techniques radar peuvent aller de qqs MHzpour les radars OTH (Over The Horizon) à qqs dizaine de GHz pour lesradars anticollisions. Comme principales applications, nous pouvons citer:

Civiles, le contrôle routier (vitesse), la surveillance aérienne, la navigationmaritime, la mesure de la vitesse et de l’altitude, les prévisionsmétéorologiques, aide au contrôle des satellites …

- En militaire, il est appliqué dans la détection et la poursuite des corpsvolants (missiles, avions, engin…), la reconnaissance des citesstratégiques, le guidage et le contrôle des missiles et artillerie…

- En sciences, il est appliqué dans, la recherche et la détection desressources naturelles, la mesure des distances, l’imagerie, l’astronomie…En médecine, détection et traitement des tumeur…

103103

RADAR Radio Detection And RangingΞ

Détection et localisation à l'aide des signaux radio

I.2. Définition du radar

Cette appellation a été adoptéepar l’US Navy au cours de laseconde guerre mondiale.

Les radars ont étéimplantés, pour lapremière fois, dans lesannées 30 pour ladétection des navires etpour mesurer lesdistances

104104

Le radar météorologique de Martinique

105105

Radar multidimensionnel

Antenne d’un radar de recherche multidimensionnel 3D

106106

Les radars de contrôle de Vitesse

Mesta 208

- Bande K: F = 24.150GHz - Distance de mesure : 10m à 50m - Peut être couplé à un flash- Prend de très bonnes photos ! - N’émet que lorsque le radariste le souhaite...

107107

Schéma simplifié du radar

Eléments de base du système RADAR: Tous les Radars doiventcontenir au moins quatre systèmes de base: un Emetteur, une ouplusieurs Antennes, un Récepteur et un Indicateur.

Remarque: La plupart des Radars utilisent la même antenne dansl’émission et la réception utilisation d’un duplexeur (Switch)

108108

Cible

Émetteur et récepteur

Monostatic Radar direction

Angle bistatique

Cible

Émetteur Récepteur

Bistatic Radar direction

109109

Principe de fonctionnement du radar- Son émetteur envoie un signal sur la cible et son récepteur détecte etintercepte le signal réfléchi par la cible.- Si R est la distance entre l’antenne du radar et la cible, le temps écouléentre le départ de l’onde et le retour de l’écho est : T0=2R/C- La localisation de la cible (en direction) est assurée à partir de la directiondu rayonnement de l’antenne.- La vitesse de la cible peut être déterminer grâce à l’effet Doppler (Vr=Δf/2λ).

- La forme de la cible peut être déterminer grâce à sa RCS.

Types de radarsDe point de vue fonctionnement, il y a deux catégories de radars:

- Radars à impulsion (pulse radar): leurs émetteur envoie des impulsions.

- Radars à ondes continues (continue wave radars): Du fait qu’ilsémettent d’une façon continue, ces radars nécessitent deux antennes,l’une pour l’émission et l’autre pour la réception.

110110

Band Band DesignationDesignation

Frequency RangeFrequency Range General usagesGeneral usages

VHFVHFUHFUHF

LL

SS

CC

XX

KuKu

KKKaKa

MillimeterMillimeter

55--300 MHz300 MHz300300--1000 MHz1000 MHz

11--2 GHz2 GHz

22--4 GHz4 GHz

44--8 GHz8 GHz

88--12 GHz12 GHz

1212--18 GHz18 GHz

1818--27 GHz27 GHz2727--40 GHz40 GHz

4040--100+ GHz100+ GHz

Very LongVery Long--Range SurveillanceRange SurveillanceVery LongVery Long--Range SurveillanceRange SurveillanceLongLong--Range Surveillance,Range Surveillance,Enroute Traffic ControlEnroute Traffic ControlModerate Range Surveillance,Moderate Range Surveillance,Terminal Traffic Control, Terminal Traffic Control, LongLong--Range WeatherRange Weather

LongLong--Range Tracking, Airborne Weather Range Tracking, Airborne Weather DetectionDetectionShort Rang Tracking, Missile Guidance, Short Rang Tracking, Missile Guidance, Mapping, Marine Radar, Mapping, Marine Radar, Airborne InterceptAirborne InterceptHigh Resolution Mapping, Satellite High Resolution Mapping, Satellite AltimetryAltimetryLittle Used (Water Vapor Absorption)Little Used (Water Vapor Absorption)Very High Resolution Mapping, Airport Very High Resolution Mapping, Airport SurveillanceSurveillanceExperimentalExperimental

Radar frequency Bands and General Usages (From IEEE Standard 521-1976, 30 November 1976)

111111

Les cibles radar sont caractérisées par la grandeur nommée section droitedu radar (ou bien la section efficace du radar): RCS, σ

C’est l’un des facteurs qui influence la détection des cibles par le radar.

1. Définition de la RCS

La section droite du radar évalue la puissance ou énergieélectromagnétique diffractée dans une direction donnée par une cibleilluminée par une onde incidente. Elle est normalisée par la puissance del’onde incidente éclairant l’objet, elle est indépendante de la distance quisépare la source excitante de l’objet cible, de la puissance de la sourceémettrice, c’est une surface écho caractérisant la cible ou l’objet.

RCS = σ = Scattered power / Incident power density =

24

limrP

Pi

s

πr ∞

Définition de la RCS

III. La section droite du radar (RCS)

112112

La section droite du radar RCS est définie comme une surfaceinterceptant une quantité de puissance qui, quand elle est rayonnée d’unefaçon uniforme dans toutes les directions de l’espace, produira unedensité de puissance égale à celle diffractée par l’objet réel.

La RCS est la ‘taille apparente’ d’un objet ‘aperçu’ par le radarAutrement:

Pi (W/m2) σ Pi (W) Ps = σPi/4πr2 (W/m2)

Flux de puissance envoyé su la cible

Cible de section droite σ, capte σPi

Cible renvoie uniformément dans toutes

les directions l’énergie capturée.

cible cible

Définition intuitive de la RCS

2r4

iσPsPπ

=iP

P2r4πσs

=Ainsi

113113

2. Calcul de la RCS

La RCS des corps simples de formes élémentaires etcomposition uniforme peut être calculée théoriquement,tandis que la RCS des cibles complexes de surfaces nonuniformes et de compositions inhomogènes, se faitexpérimentalement dans des chambres spéciales(anéchoidales) ou numériquement par les techniquesnumériques (TLM, FDTD, MoM ...)

Pour calculer la RCS d’un objet, il y a trois voies possibles:

NumériqueThéorique

Expérimentale

114114

Pour les trois méthodes, la détermination de la RCS est influencée par plusieurs paramètres :

- La forme de l’objet

- La taille de l’objet

- Le matériel constitutif de l’objet (conducteur, diélectrique…)

- L’orientation angulaire de l’objet (sa position / émetteur & récepteur

- La fréquence

- La polarisation de l’émetteur (excitation: TE, TM…) ou durécepteur (θ variable et φ fixe, θ fixe et φ variable, θ et φvariables ou fixes tous les deux …).

- Les différents aspects d’illumination (normale, oblique)

Calcul de la RCS (suite)

115115

Mathématiquement:La RCS d’une cible en un point distant d’une longueur r de la source est :

r1

R1

→

rR aa rr→

et

a. Calcul analytique de la RCS

Une solution exacte (théorique) existe seulement pourquelques structures simples

Les objets complexes Difficile d’avoir une solution rigoureuse

Calcul de la RCS (suite)

24

lim

rP

Pi

s

π

r ∞

116116

- Cibles à deux dimensions

Dans ce cas, on attribue à ce paramètre de rayonnementle nom de ‘scattering width’ (SW) ou bien la sectiondroite du radar par unité de longueur

Scattering width:

Two-dimensional target

Unité: [σ2-D] = L, (m)

ou bien dB / m Ξ dBm

ρπ=σ ∞→ρ− 2i

2s

D2E

E2Lim

ρπ=σ ∞→ρ− i

s

D2 PP2Lim

ρπ=σ ∞→ρ− 2i

2s

D2H

H2Lim

ρ est la distance de la cibleau point de l’observation

Ps : la densité de puissance réfléchie

où

Pi : la densité de puissance incidente

117117

- Cibles à trois dimensions

Dans ce cas, on attribue à ce paramètre de rayonnementle nom de ‘radar cross section’ (RCS) ou bien la sectiondroite du radar.

Radar Cross-Section

Three-dimensional target

Unité: [σ3-D] = L2, (m2)

ou bien dB / m2 Ξ dBsm

où r est la distance de la cible au point de l’observation

π=σ ∞→− 2i

2s2

rD3E

Er4Lim

π=σ ∞→− i

s2

rD3 PPr4Lim

π=σ ∞→− 2i

2s2

rD3H

Hr4Lim

118118

Remarques:1- Pour une incidence normale, les champs EM (rayonnés dans la zoneéloignée) à 2D et 3D, le SW et la RCS d’un objet de longueur ℓ sontreliés par:

r

4j

D2D3e.EE

=ρ

π

−−

λρ≈

l

λσ≈σ −−

2

D2D3.2 l

2- Appellation:

Selon la position de l’émetteur et récepteur

RCS monostatique (Backscattered direction)

RCS bistatique (Forward direction)(voir page 128)

3- Diagramme de la RCS

RCS pattern Ξ RCS en fonction des coordonnées

119119

-30 -24 -18 -12 -6 0-30

-24

-18

-12

-6

0

-30-24-18-12-60-30

-24

-18

-12

-6

0

0

10

20

30

40

50

6070

8090100110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240250

260 270 280290

300

310

320

330

340

350

TLMFDTD

TLM⊙ FDTD

Exemple de diagramme de la RCS

Le diagramme horizontal de la RCS à la fréquence 5MHz, de deux cibles parallèles identiques de dimensions

(20m×100m×20m) situées à d = 100m l’une de l’autre en fonction de l’angle ϕ.

120120

Exemples de calcul théorique de la RCS

1- Cas d’incidence normale d’une onde plane sur un cylindre circulaire et conducteur de longueur infinie (2 D)

Ei

Hi

Les cylindres représentent une des plus importantes formes géométriques: Fuselages des avions, missiles, …

z

x

y

a

Polarisation TEz (Ez = 0)

-HiEi

z

x

y

a

Polarisation TMz (Hz = 0)

121121

- Cas de la polarisation TMz

On montre théoriquement (technique modale) que:2

n

nj)2(

n

n2i

z

2sz

D2 e)ka(H

)ka(Jk4

E

E2Lim ∑

∞+

∞−=

φ∞→ρ− =

ρπ=σ

( )2

0n)2(

n

nnD2 ncos

)ka(H)ka(J2 ∑

∞+

=− φε

πλ

=σ où εn =1; n = 0

2; n ≠ 0

TMz

Φ

SW MonostatiqueSW Bistatique

Livre ‘ Advanced EngineeringElectromagnetics ’, ConstantineA. Balanis.

122122

- Cas de la polarisation TEz

2

n

nj

n

'

2iz

2sz

D2 e)ka('H

)ka(Jk4

H

H2Lim )2(

n∑∞+

∞−=

φ∞→ρ− =

ρπ=σ

( )2

0n n

'

nD2 ncos)ka('H

)ka(J2)2(

n∑∞+

=− φε

πλ

=σ où εn =1; n = 0

2; n ≠ 0

Φ

SW Bistatique

Livre ‘ Advanced EngineeringElectromagnetics ’, ConstantineA. Balanis.

Yn fonction de Bessel (2ème espèce)

Hn(2) fonction de Hankel

Hn(2) = Jn(x) – j Yn(x)

Jn fonction de Bessel (1ère espèce)

k la cte de phase = nbr d’onde

Jn’ est la fonction dérivée de Jn

Hn’ est la fonction dérivée de Hn

123123

( ) 2

1n)2(

n)2(

n

2n2

D3 )ka(H)ka('H)1n2(1

4 ∑∞+

=−

+−π

λ=σ

2- La RCS théorique d’une sphère conductrice

Hi

z

y

a

xΦ

θUne sphère conductrice derayon a excitée par une OEMplane uniforme:

Livre: ‘ Advanced Engineering Electromagnetics ’, Constantine A. Balanis.

π=σ ∞→− 2i

2s2

rD3E

Er4Lim

)ka(H2kr)ka(H )2(

2/1n)2(

n +π

=

RCS monostatique:

est la fonction sphérique de Hankel

où

124124

z

y

a

x

Creeping wave return

Specular return

Wave traveling around the backside

125125

La RCS théorique d’une sphère conductrice

OptiqueMie

Rayleigh

Creeping Wave

126126

Interprétation la courbe : RCS( fr ) d’une sphère conductrice

Trois régions:

1- Zone de Rayleigh: A basses fréquences, elle représente la partie de lacourbe dans laquelle a prend des petites valeurs (a < 0.1 λ). La RCS estpresque linéaire.

2- Zone optique: A hautes fréquences, le rayon a prend des valeursimportantes (a > 2 λ). La RCS est de l’ordre de πa2 ( le radar voie la sphèrecomme un disque),

jka1nka

)2(n ej)ka(H −+

∞→

≈

jkanka

)2(n ej)ka('H −

∞→

≈

( ) 22

1nka2j1n2

2n2ka

D3 aej

)1n2(14

π=+−

πλ

≈σ ∑∞+

=−+

∞→

−

3- Zone de Mie: Fréquences intermédiaires entre les fréquences des deuxzones précédentes ( résonance), la RCS est oscillatoire par rapport à πa2.

127127

b. Mesure expérimentale de la RCS

Calcul de la RCS (suite)

La mesure des champs EM lointains et la RCS se fait dans des chambresspéciales (anechoic chambers Ξ chambres anéchoidales ou anéchoïques)qui ont des parois absorbantes (RAM: radar absorbing material).

128128

Instrumentation pour la mesure de la RCS- Une chambre anéchoïdale- Une antenne d’émission et un système de transmission.- Un système de réception.- Un système de positionnement.- Un système d’enregistrement des données.- Un système de traitement des données.

129129

Dimensions de cette chambre :(8 x 5 x 5) m3

bande de fréquence 10 MHz – 20 GHz.

Chambre anéchoïdale (anechoic chamber)

130130

131131

132132

Les investigations expérimentales soufrent desinconvénients suivants :- La longueur de la région champ lointain (r >2D2/λ) estsupérieure à la portée de l’antenne ou de la chambre.

- Il est très difficile de se prémunir des réflexions indésirablesdes champs par la masse et les objets qui entourentl’antenne et la cible.

- Dans certains cas, il est presque impraticable de fairebouger l’antenne dans l’environnement de mesure.

- Le temps requis pour effectuer des mesures est énorme(sur tout dans le DT).

- Les techniques de mesure sont en général, trop chères.

Mesure expérimentale de la RCS (suite)

133133

Pour contourner certains obstacles:- Le système de mesure est piloté par un ordinateur (conçus spécialementpour les mesures de la RCS) qui permet de gérer facilement sonfonctionnement en utilisant des logiciels.

- La distance minimale entre l’émetteur et la cible est:

D : diamètre de la surface équivalente de l’antenne émettrice.

- La portée des mesures sera réduite par l’évaluation des mesures deschamps proches (near-fields), puis on utilise des méthodes analytiques ounumériques pour transformer ces champs en champs lointains.- Les mesures doivent être faites en espace libre, loin de tout obstacle.- Il faut assurer l’adaptation d’impédance.- Il faut assurer un contrôle quasi parfait de la fréquence, la stabilité de la fréquence, la pureté du spectre, le niveau de la puissance et la modulation.

λ≥

2)D(2r

Mesure expérimentale de la RCS (suite)

134134

c. Calcul numérique de la RCS

- Méthodes numériques différentielles

Ces méthodes sont basées sur une discrétisation de l’espace et parfoisdu temps aussi. Grâce au développement des deux utiles suivants:

Exemples:

- TLM: méthode de modélisation par les lignes de transmission.

- FD (ou FDTD): méthode des différences finies.

- FEM: méthode des éléments finies.

- BEM …

- Les conditions aux limites absorbantes qui ont permis la résolutionnumérique des problèmes ouverts avec des frontières infinies.

- Les techniques de transformation des champs de la zone proche à lointaine qui ont permis le calcul du champ lointain.

Calcul de la RCS avec les méthodes différentielles.

135135

Calcul numérique de la RCS (suite)

- Méthodes numériques intégrales

En général, avec ces méthodes, le système physique est représentépar des équations intégrales.

Exemples: MoM, MFIE, EFIE

- MoM: méthode des moments.

- MFIE: magnetic fields integral equations.

- EFIE: electric fields integral equations.

- …

Pour les systèmes complexes, la résolution de ceséquations est presque impossible.

Le développement de la capacité et mémoire desordinateurs a permis la résolution de quelques problèmes.

Néanmoins

136136

Exemples:1- Sphère conductrice, pp. 158-159.

2- Tube cylindrique, pp. 160-161.

3- Cylindre circulaire et conducteur de longueur infinie (2D), pp. 178-180.

4- Cube conducteur:

RCS dans le sens opposé à l’incidence normale d’un cube parfaitement conducteur

en fonction de son côté a.

0 30 60 90 120 150 180Teta (°)

-30

-20

-10

0

10

20

(dB

)

TLM

Mesures

σ/λ

2

0.755λ

Z

Y

X

k

RCS bistatique d’un cube parfaitement conducteur de côté a=0.755λ, excité

normalement sous les angles θi =180°et φi =90°.

0 1 2 3 4 5 6 74 / λ

TLMMesures

a

2(d

B)

aZ

Y

X

k

σ/ λ

137137

5- Cylindre fini diélectrique:

0 30 60 90 120 150 180teta (°)

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(d

B)

TLM, POL-HH

MoM, POL-HH

TLM, POL-VV

MoM,POL-VVσ/λ

2

Z

Y

X

Lr = 0.1λL = 0.2λεr = 4.0

k

RCS bistatique d’un cylindre diélectrique de rayon 0.1λ, de longueur 0.2λ, et de εr=4.0

a- Cylindre fini d’axe de révolution oy, de permittivité εr = 4., derayon r = 0.1λ et de longueur L = 2.0λ. Il est éclairé par une ondeGaussienne se propageant suivant l’axe oz selon les polarisationsVV- et HH-

138138RCS bistatique d’un cylindre bi-anisotrope pour ka=π/2.

-180 -135 -90 -45 0 45 90 135 180Phi (°)

-60

-40

-20

0

20

TLMMoM

kϕ

X

Y

b- Cylindre diélectrique anisotrope infini d’axe oz, depermittivité εzz = 2.0, de perméabilité µxx = 1.0 et µyy = 4.0, derayon r = 0.025λ, éclairé par une onde Gaussienne polariséeTMz.

139139

La diffraction par plusieurs objets se manifeste souvent dans la pratique,comme c’est le cas de nombreuses applications et antennes nécessitantune analyse exacte pour la prédiction de la diffraction ou la caractéristiquede la RCS. L’étude de la diffraction par plus d’un objet est une opérationdifficile, parce que les caractéristiques des ondes diffractées par ungroupement de corps différent de celles diffractées par un seul corps.

6- RCS de plusieurs cibles

Champ diffracté (Es, Hs) =champ total – champ incident

Conditionsabsorbantes

Surfaces imaginaire s (S1, S2)

(E, H ) =(0, 0)

(D1) n

n

n

n

n(E, H ) =

(0, 0)

n

n

n

Champ diffracté (Es, Hs) =champ total – champ incident

Conditionsabsorbantes

Surfaces imaginaire s (S1, S2)

Diffracteur(D1)

n

n

n

n

nDiffracteur

(D2)

n

n

n

CAS DE DEUX OBJETSLe modèle suivant est basé sur la méthode TLM et le Principe d’équivalence

S1 S2

140140

k

Hyinc

Z

Conducteur

Diélectrique

εr = 2.0

0.15λ

Une plaque conductrice carrée de côté 0.75λ, est placée au-dessus d’un blocdiélectrique de longueur 0.4λ, de hauteur 0.2λ et de εr = 2. Le système estexcité par une onde plane polarisée suivant ox et se déplace selon oz.

0 30 60 90 120 150 180Teta (°)

-40

-30

-20

-10

0

20lo

g(E

)

MoM

TLM

θ

Exemple

Le champ lointain normalisé

Deux surfaces imaginaires S1 et S2 sont utilisées. A partir des champs EMtangentiels à S1 et S2 situées respectivement aux voisinages des deuxobjets s’obtiennent les champs EM rayonnés dans la zone lointaine.

141141

0 4 8 12 16 20Temps (ns)

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Cha

mp

élec

triqu

e (m

V/M

)

TLM

Théorie

7- RCS des milieux dispersifs

a- Diffraction par une sphère diélectrique dispersive type Debye

Parties réelle et complexe de lapermittivité complexe du milieu deDebye considéré.

Champ lointain de sens inverse àcelui du champ incident d’unesphère diélectrique dispersive typeDebye de rayon a = 0.25m.

0e j)()(

ωεσ

−ωχ+ε=ωε ∞

εεss=1.16, =1.16, εε∞∞=1.01=1.01

ττ00=6.497E=6.497E--10 s10 s

σσ=2.95.E=2.95.E--4 S/m4 S/m

Rayon a = 0.25mRayon a = 0.25m

∆∆l = 0.01m. l = 0.01m.

0 1 2 30

1

2

3

4

Part

ie im

agin

aire

Imaginaire

0 1 2 3Fréquence (GHz)

1.00

1.04

1.08

1.12

1.16

Part

ie ré

elle

Réelle

142142

RCS monostatique d’une sphère de Debye

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0Fréquence (GHz)

-100.0

-75.0

-50.0

-25.0

RC

S (d

B/m

)

TLM Théorie

0.0 0.3 0.6 0.9 1.2Fréquence (GHz)

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Phas

e du

cha

mp

loin

tain

(rad

) ThéorieTLM

Phase du champ dans la zonelointaine en fonction de lafréquence de la sphère diélectriquedispersive type Debye.

RCS calculée en fonction de lafréquence dans le sens inverse àcelui du champ incident d’une sphèrediélectrique dispersive type Debye derayon a = 0.25m.

143143

ωδ+ω−ω

ωε−ε+ε=ωε ∞

∞j2

)()(

220

20s

0.0E+0 1.0E+7 2.0E+7 3.0E+7 4.0E+7Fréquence (GHz)

-4.0

-2.0

0.0

2.0

4.0

6.0

Part

ie ré

elle

Réelle

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

Parti

e im

agin

aire

Imaginaire

εεss==22..2525,, εε∞∞==11..00,, ωω00==44..00EE1616 rad/srad/s

δδ==00..2828EE1616 rads,rads, σσ==00..00 S/mS/m

RayonRayon aa == 1515..00nm,nm, ∆∆l=l=66..00EE--1010 mm..

0 1E+7 2E+7 3E+7Fréqunce (GHz)

-220

-210

-200

-190

-180

-170

-160

-150

RCS

(dB

/m )

FDTD

TLM

2

RCS calculée en fonction de lafréquence dans le sens inverse àcelui du champ incident d’une sphèrediélectrique dispersive type Lorentzde rayon a =15nm.

Parties réelle et complexe de lapermittivité complexe du milieu deLorentz considéré.

b- Diffraction par une sphère diélectrique en matériel de Lorentz

144144

Parties réelle et complexe de lapermittivité complexe du milieuplasma considéré

0 50 100 150 200Fréquence (GHz)

-120

-90

-60

-30

RCS

(dB/

m )

FDTD

TLM

2

RCS calculée en fonction de lafréquence dans le sens inverse àcelui du champ incident d’unesphère diélectrique dispersive typeplasma de rayon a = 3.75mm.

c

2p

c

c2p

jj

/1)(

ων

ω+

ω+ν

νω−=ωε

-72

-54

-36

-18

0

18

Part

ie ré

elle

Réelle

0 20 40 60 80Fréquence (GHz)

0

500

1000

1500

2000

Parti

e im

agin

aire

Imaginaire

ννcc=2.01E10 rad/s, =2.01E10 rad/s, ωωpp=2=2π×π×28.7E9 rad/s28.7E9 rad/s

σσ=14.395E=14.395E--3 S/m, Rayon a=3.75mm3 S/m, Rayon a=3.75mm

∆∆l=150l=150µµm. m.

c- Diffraction par une sphère diélectrique en matériel plasma

145145

3. La RCS des objets de EMCC (The Electromagnetic Code Consortium)

Le EMCC est un consortium qui a été formé en 1987, il est constituépar des membres du gouvernement des États Unies (USA), par desgroupes de l’industrie et des universités américains. Son objectifprincipale est de canaliser tous les efforts pour fournir des nouveauxalgorithmes numériques modélisant les problèmes EM de rayonnementet scattering.

Le EMCC a publié la RCS expérimentale et numérique de plusieurstypes d’objets métalliques formant ainsi une banque de données.

La communauté scientifique qui travail dans ce domaine peutcomparer ses résultats et valider ses modèles numériques.

146146

Amande de la NASA

RCS pour fo = 1.19 Ghz

RCS des objets de EMCC (suite)

147147

RCS des objets de EMCC (suite)

RCS pour fo = 1.18 Ghz

Ogive métallique

148148

RCS des objets de EMCC (suite)

Cône-sphère avec anneau

RCS pour fo = 86.9 MGhz

149149

4. RCS des objets naturels

Souvent, lorsqu’il s’agit de l’interaction des OEM avec les objets naturels,les organes interagissant avec ces ondes, sont des milieux dispersifscaractérisés par des permittivités ou/et perméabilités complexes variantd’un point à l’autre (du corps de ces objets) et dépendent de la fréquencemise en jeu.

Avoir de l’information sur la RCS des cibles naturelles : terrain,végétation et quelques animaux comme les oiseaux et les insectes estvital dans la plus part des applications radar (ex: dans les aéroports).

Néanmoins

Les objets naturels sont des cibles complexes. Il est difficile de mesurer ou de calculer leurs RCS

Souvent: leurs RCS sont mesurées expérimentalement

150150

Sample of measured RCSof insects as a function ofinsect mass as measuredat 9.4 GHz. The heavytrace represents thecomputed echo of waterdroplet for comparison.

RCS des objets naturels (suite)

(puceron)

(coccinelle)

(papillon de nuit)

(criquet)

151151

Levels of some of the targets compared with the echo of a metal sphere. Locations of target classes on the chart are

general, not specific.

RCS des objets (suite)

152152

RCS( en m2) des objets terrestres, maritimes, aériens et de l’espace

153153

5- Contribution à la détermination de la RCS de quelques parties de la cible

Dans plusieurs cas, il est souhaitable de déterminer la contribution desparties d’un objet pour calculer la RCS. Les champs EM proches peuventapporter des données pour la génération d’une ‘image de diffraction’ d’unobjet en calculant une composante du champ EM en fonction du tempsdans chaque point de la surface d’intégration qui entour cet objet:

- Sei, i = 1, 2, … de la technique de transformation de champs proches àlointains basée sur le principe d’équivalence.

- Sk1, Sk2 ou Sk3 utilisées dans la technique de transformation de champsproches à lointains qui dérive de la méthode d’intégration de Kirchhoff.

La TF (Transformée de Fourier) de la composante du camp EM sur chaquepoint d’une de ces surfaces, à une fréquence bien déterminée (particulière),donne une indication qualitative de la contribution relative à la RCS à partirdes différentes caractéristiques de l’objet.

154154

Exemple: Cas d’un cylindre métallique avec une seule base ouverte

z

Base fermée

Base ouverte

Surface parallèle àla base ouvertek

Hyinc

(verre cylindrique)

155155

Courbe de niveau de la contribution à la RCS des points situés sur unesurface parallèle à la base d’un verre cylindrique de rayon a pour unefréquence Ka = 10. Cette courbe indique les parties de ce cylindre quivont contribuer à la détermination de la RCS (les bords, baseintérieure et base extérieure)

156156

6- Compatibilité EM et contre-mesures électroniques: Réduction de la RCS (RCSR)

● En général, un radar opèredans une ambiance EM trèssaturée

Compatibilité électromagnétique

(CEM)

Nécessité d’une utilisationrationnelle du spectre EM

La CEM est l'aptitude d'un appareil ou d'un système électrique ouélectronique à fonctionner dans son environnement électromagnétique defaçon satisfaisante et sans produire lui-même des perturbationsélectromagnétiques intolérables pour tout ce qui se trouve dans cetenvironnement. Une bonne compatibilité électromagnétique décrit un étatde « bon voisinage électromagnétique ».

157157

6- Compatibilité EM et contre-mesures électroniques: Réduction de la RCS (RCSR) (suite)

● Les radars militaires peuvent opérer dans une ambiance hostile où ilspeuvent souffrir des interférences intensionnelles et spécialementdésignées pour troubler ou bloquer son fonctionnement.

● Les différentes techniques d’interférer ou annuler électromagnétiquementun radar (sans le détruire) s’appellent: les contre-mesures électroniques (enanglais: Electronic Counter Measures ‘ECM’). Ce sont des mesures ousystèmes de défense face à une menace d’être localisé par le radar.

Exple: brouillage d'émissions radio.

● Les méthodes utilisées pour luter contre les ‘ECM’ s’appellent: lescontre contre-mesures électroniques (ECCM). Comme leur nom l’indique,elles sont destinées à contrer les contre-mesures électroniques.

● Dans le cas général: Les contre-mesures peuvent être de natureélectronique, électromécanique (paillettes de brouillage antiradar) oupyrotechnique (leurrage) contre les détecteurs ou senseurs adverses.

158158

Les paillettes sont des filaments métalliques utilisées pour troubler lefonctionnement d’un radar. Elles sont inefficaces contre les missiles àguidage infrarouge. Elles peuvent se présenter sous la formed'aiguilles, de bandelettes ou de rubans.

Principe de fonctionnement des paillettes:

Lorsque les paillettes sont illuminées par le faisceau d'un radar, ellesfonctionnent comme des antennes dipôles et réfléchissent une partiede l'énergie rayonnée pour autant que leur longueur corresponde à lalongueur d’onde du radar, c'est-à-dire en fait un multiple de la demi-longueur d'onde. Le récepteur du radar reçoit alors un écho erroné.

Les avions de combat actuels utilisent des paillettes dont la longueura été déterminée en fonction de la longueur d'onde des radarsadverses. Les radars modernes ne sont cependant plus aussi facilesà brouiller du fait qu'ils mesurent par l‘effet Doppler la vitesse desobjets détectés et sont ainsi en mesure de filtrer les paillettes.

Paillettes de brouillage antiradar

159159

1- Les ECM passives, au moyen desquelles on cherche, à traversleurs émissions radioélectriques de toute nature, à identifier etlocaliser les forces ennemies, deviner et anticiper leursmanoeuvres, sans qu'il soit nécessaire d'émettre et donc de risquerde se dévoiler et de donner prise soi-même aux ECM ennemies.

2- Les ECM actives dont le but est de désorganiser ou d'interdireles communications de l'adversaire et qui nécessitent le recours àdes émissions EM, généralement de forte puissance, pour brouillerles radars.

Deux grandes catégories de contre-mesures électroniques:

Les contre-mesures électroniques (ECM)

160160

Les contre-mesures électroniques (ECM)

Deux grandes catégories de contre-mesures électroniques

Techniques PassivesTechniques Actives

Donc indiscrètes: Elles sontliées à l’émission des signauxde bruits dans la bande defréquence du radar

Sans énergie EM

Exemples:

- Réduction de la RCS(RCSR)

- Mesures de leurrage(astuces de tromperie)

Exemples:

- Réduction de la RCS(RCSR)- (voir les pages suivantes)

161161

Les contre-mesures électroniques (ECM) (suite)

Autres exemples de Techniques Actives:ECM ECCM

Concentrer l’énergie EM dans une fréquence

Changer de fréquence d’une manière imprévisible

Interférence dans une large bande de fréquence

Analyser le signal d’interférence et rayonner l’impulsion suivante dans la fréquence pour la quelle le bruit est minimal

L’interféron étendre la puissance sur plusieurs bandes de fréquence

162162

Les contre-mesures électroniques (ECM) (suite)

Autres exemples de Techniques Actives:

ECM ECCMImpulsions Echos:- Changer les fréquences de répétition de l’impulsion- Déplacement de fréquence

Antennes avec des lobes latéraux qui opèrent à très hautes fréquences ⇒ Meilleur épaisseur de la bande de fréquence

163163

Des RC-135 utilisés par l‘US Air Forcepour le soutien dans la guerreélectronique

Le Grumman EA-6Prowler’ est un avion deguerre électronique utilisépar l‘US Navy

EF-18 destiné à la relèvedes EA-6 à partir de la findes années 2000

Exemples:

164164

- Réduction de la RCS: (RCSR)

Il est toujours intéressant de réduire la RCS d’un objet defaçon qu’elle soit indétectable par les radars. Il y a quatreméthodes fondamentales pour réduire la RCS:

1- Shaping: Géométrie de l’objet qui altère la configuration durayonnement.

2- RAM : Radar Absorbing Materials, matériels de constitution(de l’objet) absorbant.

3- Annulation active: active cancellation or active loading.

4- Annulation passive : passive cancellation or impedance loading.

Ces deux dernières méthodes sont les plus efficaces, elles sontpassives et sont appliquées à des diffracteurs passifs. Il y a deuxautres catégories additionnelles.

165165

Picible

Ps

cible

Pi

Ps

Méthode 1 de la RCSR: Shaping

1- Shaping: Modification de la forme extérieure de l'objet demanière à disperser les ondes diffractées pour qu'elles nereviennent pas au radar.

Dans le cas où elle peut être appliquée, c’est la méthode dela RCSR la plus efficace.

166166

Inconvénient de cette méthode

CetteCette méthodeméthode peutpeut êtreêtre efficaceefficace seulementseulementdansdans lele cascas oùoù lesles radarsradars sontsont monostatiquesmonostatiques

DansDans lele cascas desdes radarsradars bistatiques,bistatiques, ilil yy aa toujourstoujoursunun angleangle d’observationd’observation pourpour lequellequel lala surfacesurface dede lalaciblecible peutpeut êtreêtre vuevue.. LeLe succèssuccès dede cettecette méthodeméthodedépenddépend dede l’existencel’existence desdes secteurssecteurs d’angled’angle sursur leslesquelsquels lala RCSRCS estest moinsmoins importantimportant..

En plus: le ‘Shaping’ est un outil de réduction de la RCSappliqué seulement à des cibles de dimensions supérieuresà la longueur d’onde.

167167

Avion

168168

Matériels de constitution de l’objet (ou de la surface externe de l’objet) quilui permettent d’être transparent (ex: fiberglass wings) ou absorbant (ex:the RAM coating). A travers un ou plusieurs mécanismes d’absorption,basés sur la transformation de l’énergie EM en chaleur a cause despropriétés diélectriques ou magnétiques du matériel, celui-ci réduitl’énergie RF diffractée par la cible (carbone, ferrite…).

Méthode 2 de la RCSR : RAM

Utilisation des matériaux ayantbeaucoup de perte et impédanceintrinsèque ≈ ZO du vide

Valeurs importantes de μ et ε.

Ex: Matériaux magnétiques

- Les absorbants de Jaumann

- Les absorbants à diélectriques progressifs

- Les absorbants à transition géométrique

169169

- L'écran de SalisburyL'écran de Salisbury, est composéd’une feuille mince de matérielrésistif (admittance réelle) séparéedu support métallique par une calediélectrique de réglage (spacer)d’épaisseur d et de permittivité εr ≈ 1.

a- Les absorbants avec une seule couche:Deux exemples typiques et simples:

Plusieurs types d’absorbant:1- Les absorbants à couches résistives:

Un RAM idéal possède les caractéristiques suivantes: fin, léger, durable,application facile, moins cher et qui a une bande de fréquence importante.

Méthode 2 de la RCSR : RAM (suite)

170170

- Les couches de Dallenbach:

Dans ce deuxième exemple, la feuillemince de l'écran de Salisbury estremplacée par une couche homogènedispersive (acétate de vinyle, la siliconeou le polyuréthane).

b- Les absorbants à Multicouches:

Ces absorbants assurent une meilleureabsorption des rayonnements EM que lesabsorbants à une seule couche:minimisation des réflexions par unchangement lent de l’impédance effectiveen fonction de la distance dans lematériel.

Un exemple très important:

- Les absorbants de Jaumann

171171

Il a une meilleure performance si :

- Les résistivités des feuilles varient de la valeur max (de la feuilled’avant) à la valeur min (feuille de la partie arrière).

- Les couches sont résistives homogènes et isotropes.

- Les absorbants de JaumannL’efficacité de l’écran de Salisbury peut être améliorer par l’addition d’autresfeuilles minces jointes et résistives et des cales diélectriques, c’estl’absorbant de Jaumann.

2- Les absorbants à diélectriques progressifs (graduels) (Graded dielectricabsorbers)

Dans ce type d’absorbant, les différentes feuilles minces jointes sontremplacées par des diélectriques progressifs (graded dielectric) (avec ε et μ)pour réduire les réflexions et assurer une bonne adaptation d’impédanceentre l’espace libre et le métal (conducteur parfait).Exemples:- Typique: Absorbant à couches diélectriques discrètes.

- Commercial: AN series of graded dielectric absorbers (Emerson & Cuming). AN-74, a three-layer foam absorber about 3cm thick …

172172

Wave propagation and reflection in a dielectric multilayer for oblique incidence

173173

3- Les absorbants à transition géométrique

C’est un cas particulier des absorbantsdiélectriques progressifs. La géométrieutilisée peut être rectangulaire,sinusoïdale, triangulaire ou pyramidale.

Meilleure performance pour la géométrie triangulaire

4- Circuit analogique RAM

On peut avoir une flexibilité significative dans le processus de conceptiondes absorbants ‘écran de Salisbury’ et de Jaumann si les feuilles résistivespossèdent une certaine successibilité ou/et conductivité (Partie imag nonnulle) on remplace les feuilles continues et résistives par d’autresappropriées pour déposer des composants électriques.

174174

5- Surfaces sélectives des fréquences (Frequency-Selective Surface (FSS))

Contrairement aux feuilles de circuits analogiques, les FSSn’absorbent pas l’énergie RF, ce sont des filtres de fréquences.

175175

- Méthode de base pour réduire le RCS: Émission d’un rayonnement qui coïncideavec l’onde incidente et annule l’énergie diffractée cible ‘smart’- C’est une technique spéciale de contre-mesure électronique basée sur le

principe de superposition des ondes.- Utilisation avec prudence (exécution rapide & efficace) car elle peut augmenterla RCS.- Souhaitable à basses fréquences.

Méthode 3 de laRCSR : Annulationactive

176176

Méthode 4 de la RCSR : Annulation passive

Passive cancellation or impedance loading:

- Ne possède pas de rayonnement électromagnétique.

-Méthode très limitée qui a reçue une grande attention durant les annéessoixante.

- Elle est basée sur l’introduction d’une source dont l’amplitude et laphase peuvent être ajustées pour annuler une autre source.

- Elle est basée sur l’intégration d’une impédance dans la cible: Un portpeut être créé dans la cible, la conception de la forme et la taille de lacavité intérieure de ce dernier peut assurer une impédance optimale.

- Sensible au changement de fréquence.

- Appliquée à des objets relativement simples.

Méthode écartée de la RCSR