vignette|Radar passif TwInvis de la société allemande Hensoldt. Un radar passif est un radar qui peut détecter et suivre un objet en utilisant les réflexions de sources étrangères au système telles que des stations de radiodiffusion ou de radiocommunication. C'est un cas particulier du radar bistatique qui peut utiliser soit une source faisant partie de son système, soit une source étrangère.
Introduction
Un radar actif conventionnel est constitué d'un émetteur et d'un récepteur situés au même endroit et qui se partagent la même antenne pour l'émission et la réception. On émet un signal pulsé, et en mesurant le temps du parcours jusqu'à la cible et retour sur l'antenne on calcule la distance de l'objet.
Dans le cas d'un radar passif, il n'y a pas d'émetteur dédié. À la place, le récepteur utilise un émetteur d'opportunité — ne faisant pas partie de son système, comme par exemple les ondes diffusées pour la radio FM ou la télévision numérique — et mesure la différence de marche entre le signal qu'il reçoit directement de l'émetteur, et le signal réfléchi par la cible. Cette mesure permet de déterminer la « distance bistatique » de l'objet qui se présente sous forme d'une ellipse, l'émetteur et le récepteur occupant respectivement les foyers de l'ellipse. En plus de la distance bistatique, un radar passif permet de mesurer le décalage de fréquence de l'écho par effet Doppler et dans certaines configurations son azimut. Ces informations étant connues on peut calculer la position, le cap et la vitesse de la cible. Dans certains cas on peut utiliser plusieurs émetteurs et/ou plusieurs récepteurs et augmenter ainsi la pertinence et la précision de la mesure (multistatisme). On peut noter que si l'on dispose de plus de trois géométries différentes de couples émetteur-récepteur non liées, alors le vecteur vitesse obtenu est un vecteur vitesse absolu et non un simple vecteur radial comme dans un radar monostatique ou bistatique.
Le terme de « radar passif » est parfois utilisé improprement pour désigner les capteurs qui permettent la surveillance des avions à l'aide de leurs émissions infrarouges ; en effet, ces systèmes n'utilisent pas une énergie réfléchie par la cible et sont plus justement nommés MRE (Mesures de soutien électronique).
Histoire
L'idée d'un récepteur radar utilisant des ondes radio réfléchies existantes provenant d'un émetteur distant n'est pas nouvelle. Les premiers essais au Royaume-Uni, furent conduits en 1935 par Robert Watson-Watt qui démontrèrent le principe en détectant un bombardier Handley Page Heyford à une distance de en utilisant l'émetteur de radiodiffusion de la BBC à Daventry (Northamptonshire). Les premiers radars étaient bistatiques car on ne savait pas encore faire la commutation émission/réception sur une même antenne. Dès le début des années 1930 plusieurs pays utilisèrent des systèmes de radars bistatiques pour leurs réseaux de défense aérienne. Par exemple, les Britanniques avaient mis sur pied le Chain home, la France utilisait un radar bistatique à porteuse continue en configuration « barrièreOn peut consulter à ce propos l'article Radar bistatique. », les Russes eux aussi avaient un système à porteuse continue, le RUS–1, et les Japonais également.
Les Allemands ont utilisé un radar bistatique passif au cours de la Seconde Guerre mondiale. Ce système, appelé le Klein Heidelberg, était situé à Ostende et était constitué d'un récepteur bistatique qui utilisait les émissions du Chain home britannique comme source extérieure pour détecter les avions survolant le Sud de la mer du Nord.
Les systèmes bistatiques ont laissé la place aux systèmes monostatiquesUn système monostatique est tel que l'émetteur et le récepteur sont situés au même endroit et se partagent la même antenne. avec l'apparition de la commutation synchronisée en 1936. Ces systèmes monostatiques sont beaucoup plus aisés à mettre en œuvre en supprimant les problèmes de géométrie complexes inhérents aux configurations à émetteur et récepteur séparés. De plus, leur usage embarqué à bord d'avions ou de bateaux est devenu possible avec la miniaturisation de l'électronique.
Au début des années 1950, les systèmes bistatiques ont eu un regain d'intérêt avec la découverte des propriétés de la diffraction des ondes radar. Des expériences aux États–Unis d'Amérique ont conduit à l'utilisation d'un système bistatique, le AN/FPS-23 fluttar radar, dans la ligne DEW (Distant Early Warning) nord-américaine. Il s'agissait d'un radar bistatique à faisceau fixe en configuration barrière, développé en 1955, et destiné à détecter le franchissement de la ligne DEW par des bombardiers volant à faible altitude. Les radars fluttar étaient conçus pour surveiller les zones d'ombre entre les radars de surveillance monostatiques MPQ-64 Sentinel. Les radars fluttar sont restés en service sur la ligne DEW pendant cinq ans.
Avec la baisse du coût de l'informatique et l'arrivée de récepteurs numériques dans les années 1980, on assiste à un nouveau regain d'intérêt pour les radars passifs. Pour la première fois les ingénieurs ont pu utiliser des techniques numériques du traitement du signal pour se servir de différents signaux radioélectriques et des techniques de la corrélation croisée pour obtenir des informations suffisamment précises pour détecter des cibles et estimer leur distance bistatique et leur décalage Doppler. Des programmes secrets étaient poursuivis dans plusieurs pays, mais c'est en 1998 que Lockheed-Martin Mission Systems lança le premier matériel commercial avec son Silent Sentry system qui utilisait les émissions des radios FM et des émetteurs de télévision analogiques.
L'intérêt principal d'un tel radar est son faible coût : 20 fois moins qu'un radar actif . De plus, il est indétectable puisqu'il n'y a aucune émission autres que les ondes radios et télévisées locales qu'un avion équipé d'un détecteur de radar puisse noter. Finalement, il peut détecter les avions furtifs car ceux-ci sont dessinés pour minimiser le retour vers le radar émetteur et non pour limiter leur signature dans les autres directions. L'Otan a soupçonné les forces Serbes au Kosovo d'utiliser ce type de radar à cause de ces trois avantages. Le , un bombardier furtif américain F-117A a été abattu et les autorités pensent qu'il a été repéré par un radar passif de fabrication tchèque, de classe Tamara, sans pouvoir le prouver . On craint que la même chose puisse se produire dans divers théâtres de combat comme en Irak.
Principales sources utilisables
On a développé des systèmes de radars passifs qui utilisent chacune de ces sources :
télévision analogique, radio FM, stations terrestres de GSM, diffusion audionumérique, diffusion vidéonumérique, émetteurs terrestres de TV haute définition en Amérique du Nord.
Les signaux des satellites ne conviennent généralement pas car, soit leur puissance est trop faible, soit leur orbite est telle que leur temps de passage est trop court. Comme exception on peut toutefois citer les satellites radar et les satellites de radiodiffusion.
Principe
Dans le cas d'un radar conventionnel, le moment de l'émission de l'impulsion, et l'onde émise, sont parfaitement connus. Ceci permet de calculer facilement la distance de la cible et d'utiliser un filtre adaptéEn matière de télécommunication, un filtre adapté s'obtient en comparant un signal connu (ou modèle) avec un signal inconnu pour détecter si on retrouve la présence du modèle dans le signal inconnu. Voir l'article de la Wikipedia anglophone : Matched filter. pour obtenir un bon rapport signal sur bruit au niveau du récepteur. Un radar passif n'a pas d'informations directes sur le signal émis et doit donc être associé à un canal de réception (le « canal de référence ») pour « écouter » en direct chaque émetteur dont on utilise le signal et en assurer le traitement en temps réel. Typiquement, un radar passif fonctionne selon le schéma suivant : réception du signal direct de l'émetteur et du signal réfléchi par la cible sur des récepteurs numériques, linéaires et à faible bruit, BeamformingLe beamforming numérique est un mode de traitement du signal utilisé par les réseaux de capteurs en émission ou en réception. Cette sélectivité spatiale est rendue possible par comparaison en utilisant des modèles de lobes d'émission ou de réception. Voir l'article de la Wikipédia anglophone : Beamforming. numérique pour déterminer la direction incidente du signal et pour éliminer spatialement les fortes interférences de la bande, filtrage adapté pour supprimer tout retour du signal direct dans le, ou les, canaux de surveillance, mise en forme du signal spécifique à l'émetteur, corrélation croisée du canal de référence avec le, ou les, canaux de surveillance pour déterminer la distance bistatique et le décalage Doppler de l'objet, détection par la méthode du CFAR (Constant false alarm rate), regroupement et suivi des objets détectés dans l'espace distance/Doppler appelé « ligne de poursuite », regroupement et fusion des lignes de poursuite de chaque émetteur pour obtenir l'estimation finale de la position, de l'azimut et de la vitesse des objets.
Tous ces points sont détaillés dans les sections ci-dessous.
Système de réception
Par opposition à un radar conventionnel qui « écoute » les échos pendant les périodes de silence de l'émetteur, un radar passif doit être capable de détecter des cibles de très petite taille au milieu d'interférences puissantes et ininterrompues. Pour cela, il est indispensable que le récepteur soit à très faible bruit, soit parfaitement linéaire et ait une très bonne dynamique. Malgré ces précautions, le signal des échos reçu est très en dessous du bruit de fond, ce qui tend à limiter la sensibilité du récepteur en raison du signal direct de l'émetteur lui-même et d'autres émetteurs qui peuvent opérer sur la même bande. Les radars passifs utilisent des récepteurs numériques qui restituent un signal de sortie échantillonné et numérisé.
Traitement du signal (beamforming)
La plupart des radars passifs utilisent des antennes réseau à commande de phase constituées de quelques antennes. Ceci permet de calculer l'azimut des échos incidents en utilisant les techniques radar classiques du beamforming comme l'amplitude monopulseLa recherche de la direction d'un signal par amplitude monopulse est une technique classique utilisée par les systèmes de radar pour améliorer la précision avec laquelle la direction d'un signal incident peut être estimée. , qui utilise une série de faisceaux connus se recouvrant ou encore des méthodes plus sophistiquées de beamforming adaptatif. D'autre part, quelques systèmes expérimentaux utilisent uniquement deux antennes et la différence de phase à la réception sur chaque antenne (battement) permet de calculer l'azimut des échos. Cette technique est appelée « interférométrie de phase » Pour cette technique, on peut consulter l'article de la Wikipédia anglophone : Phase-Comparison Monopulse. (phase interferometry).
Mise en forme du signal
Avec certains types d'émetteurs il est indispensable de faire une mise en forme spécifique du signal avant l'étape de la corrélation croisée. Il s'agit de faire un filtrage analogique efficace de la bande passante, de procéder à une équalisation pour augmenter la qualité du signal de référence, de supprimer les structures indésirables du signal numérique pour améliorer la fonction d'ambiguïtéDans le cas du traitement du signal d'un radar à impulsions ou d'un sonar, la « fonction d'ambiguïté » est une fonction à deux dimensions du temps-retard et du décalage Doppler qui fait apparaître la distorsion d'un filtre adapté non compensé dû au décalage Doppler renvoyé par une cible en mouvement. On peut consulter à ce sujet l'article de la Wikipédia anglophone : ambiguity function. , et même de reconstruire des parties du signal de référence à l'aide du signal numérique reçu.
Filtrage adapté