Historique et description du fonctionnement d’un radar

initialement de l’acronyme anglais de « RAdio Detection And Ranging ». La base du fonctionnement d’un radar repose sur la théorie de l’onde électromagnétique et de sa propagation, développée par le physicien anglais James Clerk Maxwell à partir de 1865, et confirmée par la suite par l’allemand Heinrich Rodolf Hertz en 1889. Dès le début du XX^ème siècle, le développement de la radio permet la mise au point des antennes nécessaires à l’utilisation de la radiodétection. En 1917, Nikola Tesla

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expose les grands principes du radar dans le périodique The Electrical Experimenter. Le britannique Robert Watson-Watt dépose officiellement le premier brevet du radar en 1935, ce qui fait de lui l’inventeur « officiel » de l’instrument.

Le radar connaît des progrès fulgurants grâce à son application dans le cadre militaire durant la seconde guerre mondiale, à la fois sur terre, mais aussi à bord d’avions et de sous-marins. Les armées de l’air alliées remarquent notamment que le signal radar est contaminé par des échos causés par les précipitations. Cette réflexion s’avère primordiale dans le développement des radars météorologiques après la guerre. Aujourd’hui les radars constituent des instruments indispensables et privilégiés pour l’étude de l’atmosphère, des nuages, et des précipitations.

L’intérêt majeur des radars météorologiques est qu’ils permettent l’observation de volumes importants en trois dimensions, à distance, et sans interaction directe avec le milieu atmosphérique. Bien que pouvant présenter des caractéristiques techniques très variées, tous les radars météorologiques suivent le même principe de fonctionnement. Plusieurs ouvrages de référence exposent la théorie du radar en détail, comme ceux de Battan (1959), Sauvageot (1982), Skolnik (1990), ou Doviak et Zrnic (1993). Les radars sont des instruments de télédétection active, c’est-à-dire des dispositifs qui émettent une onde électromagnétique dont ensuite ils reçoivent l’écho renvoyé par le milieu sondé. Les radars météorologiques sont des radars à impulsion, c’est-à-dire qu’ils émettent des « paquets » d’ondes à intervalle de temps régulier, par opposition aux radars à émission continue.

La caractéristique principale d’un radar - qui conditionne des particularités techniques souvent différentes- réside dans le choix de la fréquence de l’onde émise. Une large gamme du spectre électromagnétique peut être utilisée. On désigne généralement un radar par la lettre assignée à la bande de fréquence qu’il utilise. Les principaux domaines de fréquences et de longueurs d’onde utilisés pour les radars météorologiques sont représentés sur la figure 2-4. Le choix de la fréquence d’un radar dépend essentiellement de l’application que l’on souhaite en faire. Les plus grandes longueurs d’onde sont généralement utilisées pour des radars nécessitant une très longue portée car elles interagissent très peu avec les constituants atmosphériques. À l’inverse, l’étude des hydrométéores présents dans l’atmosphère implique d’utiliser de courtes longueurs d’onde. Le choix de la longueur d’onde utilisée est primordial car celle-ci doit correspondre aux ordres de grandeur des cibles que l’on souhaite étudier. Si elle est trop petite, l’onde est trop atténuée, et à l’inverse, si elle est trop grande, le bruit instrumental rend les mesures inexploitables.

Quelle que soit la fréquence choisie, les ondes sont tout d’abord générées par un émetteur pendant une durée très brève, puis elles sont focalisées par l’antenne. Elles se propagent alors dans

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l’air à la vitesse de la lumière, sous la forme d’un faisceau de forme conique. Lorsqu’elles rencontrent une cible, cette dernière diffuse de l’énergie dans toutes les directions et renvoie alors une part infime du signal électromagnétique dans la direction du radar. On parle de rétrodiffusion de l’onde par la cible. C’est cette part d’énergie rétrodiffusée et réceptionnée par l’antenne qui constitue l’écho radar. Ce dernier est ensuite analysé afin d’en tirer des informations sur la position, la vitesse de déplacement, ou la nature de la cible (taille, forme, propriétés diélectriques). Les radars les plus simples mesurent uniquement l’amplitude du signal rétrodiffusé, qui donne une information sur l’intensité des précipitations. Ils localisent aussi la cible en distance et en direction grâce à l’orientation de l’antenne et au délai entre l’émission de l’onde et sa réception. On parle dans ce cas de récepteurs incohérents. Les récepteurs cohérents, quant à eux, mesurent également la phase du signal. En se basant sur la différence de phase entre l’onde émise et l’onde reçue, ils en déduisent la vitesse radiale de la cible. On parle alors de radar Doppler. Enfin, les radars dits polarimétriques émettent des ondes selon deux polarisations et déduisent de l’information concernant la forme des cibles et leur taille.

Bien que nous verrons dans la suite de ce chapitre que les radars utilisés durant Megha-Tropiques sont des radars Doppler ou polarimétriques, nous avons choisi de ne pas utiliser ce type de données pour la suite de notre étude (ces données étant au centre des travaux des différentes équipes scientifiques du LTHE notamment). C’est pourquoi le fonctionnement de ce type d’appareils ne sera pas explicité ici. Nous développerons uniquement dans la suite de cette section le principe des radars incohérents.

Figure 2-4 : Domaine de fréquences et de longueurs d’onde des radars météorologiques.

Les radars météorologiques fonctionnent selon deux types de balayages principaux. Si leur angle d’élévation n’est pas modifié durant une rotation complète d’azimut (de 0° à 360°), on parle de PPI (Plan Position Indicator). À l’inverse, si l’angle azimutal reste constant mais l’élévation du faisceau du radar varie, on parle de mode RHI (Range Height Indicator).

La figure 2-5 schématise la réalisation d’une mesure PPI selon une élévation d’angle θ. En considérant que les ondes électromagnétiques se propagent dans l’atmosphère à la vitesse de la lumière c, la

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mesure du délai ∆t entre l’émission de l’onde et la réception de l’écho radar (selon un trajet aller-retour) permet de déterminer la distance r entre le radar et la cible selon l’expression :

(2.1)

Outre sa fréquence, chaque radar est également caractérisé par une distance maximale d’observation, appelée « portée », et au-delà de laquelle deux pulses d’ondes émis consécutivement ne peuvent plus être clairement distingués. En effet, pour mesurer le délai ∆t sans ambigüité, l’écho radar doit être reçu par l’antenne avant que celle-ci émette un nouveau paquet d’ondes. On calcule donc la portée d’un radar rmax par l’expression suivante :

(2.2)

où Tr représente la période d’émission du radar.

Enfin, la résolution radiale ∆r d’un radar mesure sa capacité à distinguer deux cibles distinctes situées dans la même direction et est égale à la moitié de la longueur L de l’impulsion émise :

(2.3)

où τ représente la durée de l’impulsion.

Figure 2-5 : Principe de fonctionnement d’un radar météorologique. Adapté de

http://fr.wikipedia.org.

Grâce à un pulse d’émission, le radar météorologique sonde donc, non pas une cible ponctuelle et unique, mais plutôt un volume contenant toutes les cibles situées sur un intervalle de distance ∆r et contribuant toutes à l’écho rétrodiffusé reçu. Ce volume d’échantillonnage dépend également de

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l’ouverture du faisceau du radar. Ce faisceau ayant une géométrie conique, plus la distance radiale est grande plus le volume d’échantillonnage est important. Le calcul de ce dernier est schématisé sur la

figure 2-6. Représenté par la portion de cône en rouge située à la distance r du radar, on peut voir que ce volume est égal à celui du cylindre vert. On peut donc en approximer la valeur par l’expression :

(2.4)

où θ3dB est l’ouverture du faisceau qui concentre 80% de l’énergie totale rayonnée par l’antenne. Cette valeur est considérée comme la résolution angulaire du radar.

Figure 2-6 : Volume d’échantillonnage d’un radar pour une distance radiale r.

2.2.1.2 Équation radar, facteur de réflectivité, et réflectivité