Le radar (acronyme issu de l'anglais ) est un système qui utilise les ondes électromagnétiques pour détecter la présence et déterminer la position ainsi que la vitesse d'objets tels que les avions, les bateaux, ou la pluie. Les ondes envoyées par l'émetteur sont réfléchies par la cible, et les signaux de retour (appelés écho radar ou écho-radar) sont captés et analysés par le récepteur, souvent situé au même endroit que l'émetteur. La distance est obtenue grâce au temps aller-retour du signal, la direction grâce à la position angulaire de l'antenne où le signal de retour a été capté et la vitesse avec le décalage de fréquence du signal de retour généré selon l'effet Doppler. Il existe également différentes informations trouvées par le rapport entre les retours captés selon des plans de polarisation orthogonaux.
Le radar est utilisé dans de nombreux contextes : en météorologie pour détecter les orages, pour le contrôle de la circulation aérienne, pour la surveillance du trafic routier, par les militaires pour détecter les objets volants mais aussi les navires, en astronautique
Origine du mot Le mot radar est un néologisme obtenu par lexicalisation de RADAR, acronyme de l'anglais RAdio Detection And Ranging. (« détection et estimation de la distance par ondes radio », « détection et télémétrie radio » ou plus simplement « radiorepérage »). Cet acronyme d'origine américaine a remplacé le sigle anglais précédemment utilisé, RDF (Radio Direction Finding, « radiocompas »). Son usage est devenu si prévalent qu'il n’est plus perçu comme un acronyme mais est devenu un anacronyme, un nom commun.
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 1888, Heinrich Hertz montre que les ondes électromagnétiques sont réfléchies par les surfaces métalliques. Au début du , le développement de la radio et de la TSF (par Guglielmo Marconi, entre autres) impose le développement de la technologie des antennes, composant indispensable au déploiement du radar. Simultanément, la lutte contre la guerre sous-marine stimule la recherche dans le domaine de l’écholocation, et débouche sur la mise au point des premiers sonars (Curie et Langevin en France, Cady aux Etats-Unis).
Plusieurs inventeurs, scientifiques, et ingénieurs ont contribué ensuite au développement du concept du radar. Les fondements théoriques datent de 1904 avec le dépôt du brevet du « Telemobiloskop » (Reichspatent n° 165546) par l'Allemand Christian Hülsmeyer . Celui-ci 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.
Il fallut ensuite résoudre les problèmes de longueur d’onde et de puissance soulevés en 1917 par le physicien Nikola Tesla. Durant les années 1920, on commence donc les expériences de détection avec des antennes. À l’automne 1922, Albert H. Taylor et Leo C. Young, du Naval Research Laboratory des États-Unis, effectuent des essais de communication radio dans le fleuve Potomac. Ils remarquent que les bateaux en bois traversant la trajectoire de leur signal d’onde continu causent des interférences, redécouvrant ainsi le même principe que Hülsmeyer. Au début des années 1930, Taylor confia à un de ses ingénieurs, Robert M. Page, la tâche de développer un émetteur à impulsion et une antenne d’émission que lui et Young avaient imaginé pour contourner ce problème .
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 de longueur d'onde). Un brevet est déposé (brevet français ). 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.
Simultanément, un spécialiste allemand du sonar, l'ingénieur militaire Rudolf Kühnhold, cherche à mettre au point un « télémètre radio » à la base navale de Kiel. Au mois de , il détecte par interférométrie Doppler des vaisseaux croisant à 2 km au large du port de Kiel ; mais l'instabilité des fréquences émises par le magnétron Philips qu'il utilise, pose encore des problèmes de fiabilité. Au mois d’, les échos intenses d'un petit avion ayant coupé le faisceau entre les antennes sont reçus : cet incident, qui montre l'intérêt du dispositif pour la sécurité aérienne, suscitera un intérêt renouvelé de la marine de guerre et apportera de nouveaux crédits de recherche à Kühnhold et à son prestataire, la société GEMA..
En 1935, faisant suite à un brevet déposé par Robert Watson-Watt (l’inventeur dit « officiel » du radar) (brevet anglais GB593017), le premier réseau de radars est commandé par les Britanniques à MetroVick et portera le nom de code Chain Home. Le Hongrois Zoltán Lajos Bay a produit un autre des premiers modèles opérationnels en 1936 dans le laboratoire de la compagnie Tungsram (Hongrie). L’Allemagne nazie, l'Union soviétique, les Américains et d'autres pays ont également poursuivi des recherches dans ce domaine.
On peut considérer que l'architecture des radars était quasiment finalisée à l'aube de la Seconde Guerre mondiale. Il manquait cependant l'expérience opérationnelle au combat qui a poussé les ingénieurs à trouver de nombreuses améliorations techniques. Ainsi, les radars aéroportés ont été développés pour donner la possibilité à l'arme aérienne de procéder aux bombardements et à la chasse de nuit. On mena également des expériences sur la polarisation.
Lors de l'utilisation du radar de manière opérationnelle, les opérateurs ont constaté la présence 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.), constat qui a mené au développement des radars météorologiques après la fin des combats. Sont également mis au point les premières techniques de brouillage et de contre-mesures électroniques.
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. Dans les années 1950, l'invention du radar à synthèse d'ouverture a ouvert la voie à l'obtention d'images radar à très haute résolution. En 1965, Cooley et Tuckey (re)découvrent la transformée de Fourier rapide qui a pris tout son intérêt surtout lorsque l'informatique a commencé à devenir suffisamment performante. Cet algorithme est à la base de la plupart des traitements radar numériques d'aujourd'hui.
Description générale vignette|Principe du sondage radar.|alt= Un radar émet de puissantes ondes, produites par un oscillateur radio et transmises par une antenne. La portion de l'énergie du faisceau qui est réfléchie et renvoyée au récepteur lorsque le faisceau rencontre un obstacle dans l'atmosphère est appelée l’écho radar (ou écho-radar). Bien que la puissance des ondes émises soit grande, l’amplitude de l'écho est le plus souvent très petite mais ces signaux radio sont facilement détectables électroniquement et peuvent être amplifiés de nombreuses fois. Il existe différentes façons d'émettre ces ondes. 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.
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 grâce à l'effet Doppler. 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
Composantes d'un système radar vignette|Composantes d'un radar (ici, un radar monostatique).|alt= Un radar est formé de différentes composantes : l'émetteur qui produit l'onde radio ; un guide d'ondes qui amène l'onde vers l'antenne sur les radars à hyperfréquences (fréquences supérieures au gigahertz) ; un commutateur électronique, dirige l'onde vers l'antenne lors de l'émission puis le signal de retour depuis l'antenne vers le récepteur lors de la réception quand on utilise un radar monostatique. 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 est de l'ordre du mega-watt ce qui est trop important 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 généralement asservies mécaniquement, mais parfois aussi électroniquement (voir l'article Antenne réseau à commande de phase). L'antenne est sollicitée tant en émission qu'en réception. Ces deux fonctions peuvent être cependant séparées entre deux antennes dans le cas de radars multistatiques ; le récepteur qui reçoit le signal incident (cible - antenne - guide d'ondes - commutateur), le fait émerger des bruits radios parasites, l'amplifie, le traite ; un étage de traitement de signal permettant de traiter le signal brut afin d'en extraire des données utiles à l'opérateur (détection, suivi et identification de cible; extraction de paramètres météorologiques, océanographiques, etc.). Le tout est contrôlé par le système électronique du radar, programmé selon un logiciel de sondage. Les données obtenues sont alors affichées aux utilisateurs.
Radar monostatique, bistatique, multistatique Dans la plupart des cas, l'émetteur et le récepteur du radar partagent une électronique et une antenne commune. On parle alors de radar monostatique. Rien n'empêche cependant de considérer un système radar où l'émetteur et le récepteur sont séparés (exemple : le système GRAVES et les radars trans-horizon de Jindalee en Australie) ; on parle alors de radar bistatique, ou même de configuration multistatique, si l'on a un émetteur et plusieurs récepteurs distincts ou plusieurs émetteurs et un récepteur distinct. L'une et l'autre configuration offrent des avantages et des inconvénients : dans une configuration monostatique, le partage de l'électronique et de l'antenne permet de réduire l'encombrement et les coûts de synchronisation entre l'émetteur et le récepteur, ce qui explique pourquoi l'immense majorité des radars sont monostatiques. En contrepartie, seul le signal rétrodiffusé par la cible est reçu par le radar. D'autre part, dans un contexte militaire, l'émetteur peut être détecté par l'ennemi et détruit ;