Histoire du radar

vignette|Principe du sondage radar.

L’histoire du radar est une branche de l'histoire de l'électronique et même de la stratégie militaire du . L’idée de repérer un objet à distance, la télédétection, a commencé au début de ce siècle quand Christian Hülsmeyer a appliqué les lois de l’électromagnétisme et a utilisé les ondes électromagnétiques découvertes par Hertz dans un précurseur du radar, le « Telemobiloskop » (Reichspatent Nr. 165546) . Les années 1920 et 1930 verront plusieurs découvertes en électronique rendant possible le développement d’un système opérationnel, juste à temps pour la Seconde Guerre mondiale. Le radar a joué un rôle crucial dans le conflit, et a probablement eu une contribution plus importante pour la victoire des Alliés que la bombe atomique .

L’expérience acquise pendant le conflit par un grand nombre de chercheurs a permis d’élargir l’utilisation du radar à d’autres domaines que le militaire. On le retrouve directement ou indirectement aujourd’hui dans l’aviation civile, le contrôle maritime, la détection météorologique, les détecteurs de vitesse de nos routes et même en médecine.

Évolution d’une idée

Fondements physiques La plus grande partie de la vie scientifique de James Clerk Maxwell, brillant scientifique britannique, a été consacrée à l'électricité. Sa plus grande contribution est le développement et la formulation mathématiques d’un ensemble de vingt équations différentielles à vingt variables, plus tard réduites aux quatre lois de l’électromagnétisme. Ces équations, désormais connues sous le nom d'équations de Maxwell, sont présentées la première fois à la Royal Society en 1864 et décrivent le comportement et les relations du champ électromagnétique ainsi que son interaction avec la matière. L'équation d'onde électromagnétique de Maxwell prévoit l'existence d'une onde associée aux oscillations des champs électriques et magnétiques, se déplaçant dans le vide.

Heinrich Rudolf Hertz prouve expérimentalement en 1884 que la lumière est une onde électromagnétique qui obéit à la théorie de Maxwell. À Karlsruhe, il utilise un oscillateur (dit oscillateur de Hertz, composé d'un éclateur agissant entre deux sphères creuses en laiton) et met en évidence l'existence d'autres ondes électromagnétiques, celles-là non visibles. Il démontra que ces nouvelles ondes étaient susceptibles elles aussi de se diffracter, de se réfracter et de se polariser. Le , il effectua la première liaison par faisceau hertzien entre un émetteur et un récepteur . En 1888, il montre finalement que les ondes électromagnétiques sont réfléchies par les surfaces métalliques, ce qui ouvre la voie au radar.

Au début du , le développement de la radio et de la TSF (par Marconi, entre autres), donne lieu à celui des antennes. Celles-ci sont fondamentales dans l’invention du radar puisqu’il faut un émetteur et un récepteur.

Christian Hülsmeyer

Au début du , le trafic maritime est très important et les collisions entre navires ou avec des obstacles cachés par la brume sont communes. Plusieurs instruments sont en usage pour essayer d’éviter ces accidents, dont la corne de brume, mais un moyen direct de détection des obstacles est recherché. En 1904, Christian Hülsmeyer a assimilé les éléments de base formulés antérieurement et conçoit un appareil, le « Telemobiloskop », dont il donne une démonstration en Allemagne et aux Pays-Bas. Son invention utilise un émetteur à éclateur pour produire une onde radio. Celle-ci est orientée directionnellement par une antenne multipolaire. L’onde frappant un obstacle métallique, comme un navire, était en partie réfléchie vers la source où deux antennes dipolaires servaient de récepteur qui sonnait une cloche lors de détection. Ce système pouvait repérer l’azimut approximatif des navires jusqu’à , sans pouvoir déterminer la distance. La même année, Hülsmeyer utilisa son « Telemobiloscope » au sommet d’une tour et fit un sondage vertical pour trouver l’angle d’élévation du retour maximal, ce qui donnait, par triangulation avec la courbure terrestre, la distance approximative du navire . Le manque d’intérêt des autorités et des compagnies maritimes fit sombrer l’appareil dans l’oubli.

Nikola Tesla

En août 1917, Nikola Tesla proposa les fréquences et l’énergie nécessaire pour un système de repérage à distance des obstacles dans le périodique The Electrical Experimenter. Il propose l’utilisation d’une onde entretenue pour repérer les objets, cette onde formant une onde stationnaire avec la réflexion par la cible lorsque la fréquence est ajustée convenablement (Radar à ondes entretenues). La fréquence utilisée permet alors de déterminer la distance de l’objet ou sa variation dans le temps permet de déduire la vitesse radiale de déplacement. Il propose comme alternative l’utilisation d’impulsions pour obtenir le même résultat. Tesla envisageait l’affichage des échos résultants sur un écran fluorescent, une idée reprise par le radar.

Développement des années 1920-1930

Des idées communes et une multiplicité d'histoires parallèles

Après le temps des précurseurs et de la genèse des idées inventives s'ouvre, à partir des années 1920 jusqu'à la Seconde Guerre mondiale, le temps des pionniers et des premières réalisations qui profitent des avancées de la radioélectricité suscitées par le développement spectaculaire de la TSF. Dans un premier temps, ce que l'on n'appelle pas encore « radar », mais, en français, « détecteur électromagnétique», consiste à détecter l'écho d'un système d'ondes électromagnétiques continues. On peut détecter une présence, mais le positionnement de l'obstacle n'est pas possible. À partir de 1934-1935, les ingénieurs ont appris à maitriser la technique d'émission et de réception d'impulsions brèves. La mesure du délai séparant l'émission et la réception permet alors de mesurer la position de l'objet détecté.

Au cours de cette période 1920-1940, les diverses équipes travaillent de façon relativement indépendante, si bien que les développements observés dans chaque pays connaissent chacun leur propre rythme et leur propre logique, et l'on est plus en présence d'une multiplicité d'histoires parallèles que d'une histoire commune. Par la suite, les historiens du radar des différents pays ont tendance à attribuer la paternité de telle ou telle avancée à leurs propres ressortissants.

L'application dominante est, jusqu'en 1935, l'aide à la navigation. Plutôt en retard jusqu'alors, les Britanniques sont les premiers à développer à partir de 1935 un réseau intégré de stations de détection aérienne couvrant l'ensemble de leurs côtesBlanchard, .

Allemagne

vignette|Radar Freya à membrures En Allemagne, Hans Hollmann et l'ingénieur militaire Kühnhold, spécialiste du sonar, travaillaient dans le domaine des micro-ondes pour la compagnie GEMA (Gesellschaft für Elektroakustische und Mechanische Apparate ou Société d'appareillages électro-acoustiques et mécaniques). En 1935, Hollman publia dans la revue Physics and Technic of Ultrashort Waves les résultats de ses recherches et les scientifiques du monde entier furent très intéressés par ses découvertes. Il y donnait des informations non seulement sur l’utilisation de ces ondes pour les télécommunications, mais également pour l’écholocation sur laquelle il avait travaillé avec Hans-Karl von Willisen.

En effet, à l’automne 1934, ils avaient construit un premier appareil similaire à celui de Hülsmeyer qui permettait, avec une onde de , de détecter les navires jusqu’à , sans toutefois pouvoir évaluer leur distance. En 1935, ils utilisèrent un émetteur à impulsions qui leur permit de localiser le croiseur léger Königsberg à de distance, assez pour l’utiliser pour le tir au canon. Le même système permettait de suivre des avions volant à d’altitude à de distance..

Ces démonstrations intéressèrent cette fois le commandement militaire allemand, qui décida de construire un réseau de radars terrestres (Freya) et marins (Seetakt).

États-Unis vignette|gauche|upright=0.68|Robert Page À l’automne 1922, Albert H. Taylor et Leo C. Young, du Naval Research Laboratory (NRL) aux États-Unis, effectuaient des essais de communication radio dans le fleuve Potomac. Ils remarquèrent que les bateaux en bois traversant la trajectoire de leur signal d’onde continu causaient des interférences, redécouvrant ainsi le même principe qu’Hülsmeyer. En 1930, Lawrence A. Hyland du NRL détecta le passage d’un avion à l’aide d’une interférence dans le signal d’une onde continue de (longueur d’onde d’environ ). Ces deux expériences montraient la possibilité de détection mais ne fournissaient ni la position ni la vitesse de la cible.

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 avait imaginé pour contourner ce problème . Page construisit donc l’appareil et en l’essaya. Il utilisait une fréquence de avec une impulsion de . Il continua les essais en 1935 et le , Page fut capable de repérer un petit avion à de distance le long du Potomac. La fréquence utilisée nécessitait une large antenne afin d’avoir un faisceau suffisamment concentré dans la direction de sondage, ce qui le rendait impossible d’utilisation sur un navire ou un avion. En utilisant une fréquence de , puis , l'antenne fut réduite. Le radar CXAM qui en résulta fut essayé sur l'' en et permit de repérer un avion à de distance.

France

Durant la même période, le physicien Camille Gutton et son assistant Émile Pierret travaillaient sur les communications par ondes décimétriques à la Faculté des Sciences de Nancy. Ils utilisaient dès 1927 une longueur d’onde de et purent démontrer la possibilité de détecter la présence d'un objet dans la cour de l'UniversitéBlanchard, .

De son côté, au Laboratoire national de radioélectricité du Général Ferrié, Pierre David propose en 1928 de détecter les avions avec un faisceau d'ondes courtes et expérimente en 1934 un dispositif bistatique en onde continue comprenant un émetteur à = et un récepteur distant de . Ces systèmes, que l'on appellera de manière générique Barrage David, sont utilisés par la Marine française pour équiper les abords des ports de Brest et de Toulon et acquis à trente exemplaires par l'Armée de l'Air pour protéger les frontières de la Suisse à la Mer du nord. Ils deviennent les premiers systèmes français opérationnels de détection électromagnétiqueBlanchard, . Ces systèmes étaient capables de détecter le passage d’un avion (perturbation des signaux radio électriques) sans pourvoir donner l’altitude ni la position de l’appareil.

En 1934, Henri Gutton, fils de Camille, est engagé par Maurice Ponte au laboratoire de recherches de la Compagnie générale de la télégraphie sans fil. Son équipe fait une étude systématique du magnétron, développé en 1921 par Albert W. Hull, et procède à des essais sur des systèmes de détection par ondes courtes avec des longueurs d'onde de 16 et ., selon les principes de Tesla... Un brevet est déposé le ([brevet français ].) pour un « appareil de détection » à ondes décimétriques. Le premier exemplaire équipa en le cargo OregonBlanchard, . L’appareil qui utilisait des antennes paraboliques indépendantes pour l’émission et pour la réception permit de suivre la côte tout en détectant précisément les navires jusqu’à 10 ou 12 milles marins, l'onde de s'avéra celle la plus efficace. En 1935, on l'a retenu pour être utilisée sur le modèle de production monté sur le paquebot Normandie.