RADAR 2014

Radars à antennes électroniques - Plus sensibles et plus agiles au prix d’une complexité accrue 18/01/2016
Auteurs : Sylvain Azarian
Publication REE REE 2015-5
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2015-5:14942
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RADAR 2014

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RADAR 2014 Introduction La loi de Moore prédit depuis plusieurs années le cycle d’évolution de l’informa- tique : toujours plus rapide, toujours plus petit, toujours moins gourmand en éner- gie électrique. Cette évolution ne s’est pas limitée aux éléments de calcul des or- dinateurs, mais a bénéficié à l’ensemble de l’industrie électronique. Elle a par exemple également bénéficié aux ampli- ficateurs de puissance hyperfréquence réalisés en technologie « intégrée » qui fonctionnent à des fréquences toujours plus élevées, avec des rendements amé- liorés et des puissances plus importantes. Ces moyens de calcul et ces circuits radiofré- quences constituent les ingrédients élémentaires qui composent les radars : émettre un signal ra- diofréquence, le laisser se propager dans l’envi- ronnement puis capter et analyser les signaux qui sont réfléchis par les éventuelles « cibles » et sont atténués et modifiés selon la distance parcourue et la nature des milieux rencontrés. Le gain obtenu en encombrement et en consommation a permis d’étendre le nombre de voies utilisées en émission comme en réception, les dernières générations de radar pouvant embar- quer jusqu’à plusieurs centaines d’antennes dans un espace réduit. Ces nouveaux systèmes per- mettent d’élargir les fonctionnalités offertes en apportant, par exemple, la possibilité de former des faisceaux orientables électroniquement, la possibilité de diviser le faisceau émis en plusieurs sous-faisceaux disjoints et simultanés pour suivre plusieurs « cibles » en même temps. Bien sûr, ces performances sont obtenues au prix d’une complexité accrue et les équipes de recherche et développement ont à résoudre les nombreux challenges qui accompagnent ces nou- velles possibilités. La conférence « Radar 2014 », organisée par la SEE et le club R2SR en octobre 2014 à Lille, a été l’occasion de rassembler pour quelques jours les principaux acteurs du domaine, industriels ou académiques, toutes na- tions confondues. Les dernières avan- cées techniques et algorithmiques ont été présentées à une audience de près de 450 visiteurs. Ce dossier a été élaboré avec la volonté de vous présenter un aperçu des avancées les plus notables dans le domaine. Nous y avons sélectionné des travaux parmi les plus significatifs en rapport avec les systèmes multivoies. Le dossier aborde dans un premier temps sous l’angle théorique les nou- veaux problèmes que posent ces archi- tectures et présente quelques-unes des solutions envisagées pour y répondre. Ensuite, les solutions industrielles qui ont été imaginées pour rendre ces concepts théoriques opérationnels sont présentées, offrant ainsi un éclairage complet sur l’utilisation des antennes électroniques dans les radar actuels. Concevoir des formes d’onde adaptées aux radars multivoies Il y a d’abord la nécessité de définir la nature des signaux qui seront émis par ces antennes. On parle ici de « forme d’onde ». La capacité du radar à estimer la distance ou la vitesse des objets détectés est directement reliée à la nature de ces signaux. Lorsque plusieurs antennes sont utilisées à l’émission, une nouvelle variable entre en jeu avec la possibilité d’émettre des signaux différents d’une antenne à l’autre, d’un instant à l’autre. Le terme « radar MIMO » (Multiple Input, Multiple Output) est généralement employé pour dési- gner des systèmes où les voies d’émission et de réception sont utilisées de façon indépendante et simultanément. Ce nouveau degré de liberté aug- mente significativement la complexité de l’étude de cette forme d’onde mais ouvre des possibilités jusqu’alors impossibles dans les radars monovoie : pointer plusieurs faisceaux électromagnétiques presque instantanément suivant des axes en azi- Introduction 44 REE N°5/2015 Radars à antennes électroniques Plus sensibles et plus agiles au prix d’une complexité accrue Sylvain Azarian ONERA Département électromagnétisme et radar Président du Club technique R2SR Introduction RADAR 2014 mut et élévation différents, permettant à un radar multivoie de réaliser des fonctions de surveillance de l’espace, la poursuite et la reconnaissance des cibles en continu. La conception de nouvelles formes d’onde est un travail de recherche à part entière et requiert des outils mathématiques adaptés pour prédire les résolutions en distance et vitesse que le radar pourra espérer atteindre. L’outil le plus couram- ment utilisé est la « fonction d’ambiguïté » qui per- met d’évaluer la capacité d’une forme d’onde à bien rendre compte de la position et de la vitesse d’une cible, avec une ambiguïté minimale. Un premier article de notre sélection aborde ce problème de la construction de formes d’onde adaptées. Dans cette étude intitulée « Analyse et comparaison de formes d’ondes pour le radar MIMO » [1] les auteurs présentent un tour d’horizon des différentes techniques classiquement utilisées pour les radars multivoies et résument les performances qui peuvent être atteintes. Trouver la forme d’onde optimale reste une tâche difficile et les auteurs montrent qu’il n’y a qu’une suite de compromis qui permette d’atteindre le niveau de performances recherché pour une application donnée. Quelle que soit la forme d’onde émise, seules les zones qui sont éclairées par le signal d’émission peuvent être surveillées. Couvrir une large portion de l’espace suppose donc d’émettre un signal non focalisé dans une direction privilégiée, on parle alors de « fonction de veille ». Cette émission non focalisée rend alors complexe la localisation précise des éventuelles cibles qui seraient détectées dans ce mode, il faut donc ensuite modifier la forme d’onde émise et focaliser l’énergie vers les zones d’intérêt. Les auteurs de l’article « Codage spa- tio-temporel multi-rafales pour systèmes à antenne active » [2] proposent une approche qui exploite la possibilité d’exploiter conjointement la diversité des formes d’onde employées à l’émis- sion, la diversité spatiale à la réception, et l’emploi de formes d’ondes évoluant dans le temps. Organiser le temps alloué à chaque mission du radar Une autre réponse à ce problème d’optima- lité consiste à découper le temps de fonctionne- ment en phases successives pendant lesquelles le radar ne se consacre qu’à une tâche. Chaque nouvelle phase est alors assortie de sa configu- ration optimale et c’est l’enchaînement rapide de ces différentes phases qui permettra de rem- plir l’ensemble des missions. Bien sûr, se posent alors de nouvelles questions : combien de temps doit-on consacrer à une mission sans pénali- ser les autres ? Quelle est le meilleur enchaîne- ment ? Une approche originale est présentée dans l’article « Ordonnancement des tâches pour un radar multifonction avec contrainte de temps dur et priorité » [3]. Ici les auteurs séparent les différentes missions à remplir en deux grandes familles : celles qui imposent un cadencement strict et celles qui peuvent être exécutées à tout moment. En situation réelle, le nombre de tâches que le radar doit réaliser évolue au cours du temps et dépend du contexte : l’arrivée d’une nouvelle cible dans le périmètre de détection du radar im- posera de passer d’abord plus de temps à analyser ce nouvel objet pour évaluer le risque associé. Les auteurs proposent une approche algorithmique permettant au radar de s’adapter dynamiquement à l’ensemble des missions qu’il devra effectuer en fonction du contexte rencontré. Fabriquer et intégrer ces radars multivoies La tendance majoritairement rencontrée chez les fabricants de système radar multivoies re- pose sur la conception de briques élémentaires intégrant toutes les pièces nécessaires : circuits générateurs de forme d’onde d’émission, circuits d’amplification pour l’émission et la réception, commutateurs, antennes. Très compactes, ces briques peuvent alors être embarquées à bord d’un avion d’arme comme le Rafale, ou encore sur des drones par exemple. Là encore, les ingénieurs doivent relever des défis complexes tels que la dissipation thermique, la consommation électrique, la tenue aux vibra- tions, etc. Il devient alors nécessaire d’intégrer les contraintes de différents métiers et d’aborder la conception de l’ensemble au niveau « système » pour identifier les bons compromis et leurs conséquences. Un aperçu de cette complexité est présenté dans l’article « Antenne active multi-facettes à balayage électronique en technologie ‘’tuile’’ » [4] où les auteurs explorent les configurations pos- sibles de positionnement des différents éléments ©StéphaneSaillant-Onera REE N°5/2015 45 RADAR 2014 et se consacrent à l’exploration d’une disposition de type « dièdre » pour un radar multivoie opérant en bande X. Avec un éclairage plus large, les auteurs de l’article « Nouveaux développements pour les antennes actives et les modules T/R » [5] dressent un panorama des travaux de recherche et développement en cours sur ces antennes compactes. Ces deux articles montrent qu’une difficulté supplémentaire apparaît lorsque l’on intègre ces antennes et leurs circuits de traitement associés dans un espace contraint : il devient complexe d’obtenir une focalisation du faisceau constante dans toutes les directions, en particulier pour des angles « rasants » (proches de la structure où est installée l’antenne). Cette mauvaise foca- lisation se traduit par une perte significative de performance et on parle alors « d’angle mort ». Le dernier article de notre sélection explore, dans le cadre du projet METALESA financé par l’Agence Européenne de Défense (AED), une approche à base de « métamatériaux ». Dans leur article intitulé « Suppres- sion des directions aveugles d’une antenne réseau grâce aux métamatériaux » [6], les auteurs montrent l’apport de structures périodiques de petites dimensions pour étendre le domaine angulaire des antennes. Radars à antennes électroniques actives : un standard de fait. Bien que tous les points durs techniques et théoriques n’aient pas encore tous été levés, les possibilités offertes par ces systèmes à diversité « spatiale et temporelle » sont telles que ces radars sont très certainement destinés à prendre une place déterminante. Leur capacité en particulier à permettre la réalisation de plusieurs fonctions en simultané sont la garantie d’une sécurité accrue. Développées vers la fin des années 70, les antennes actives ont peu à peu envahi les radars, sol d’abord puis aéroportés au fur et à mesure des progrès technologiques liés à l’électronique de puissance, sa capacité d’intégration et de miniatu- risation. Les problèmes les plus ardus demeurent encore le conditionnement et l’intégration des mo- dules actifs dans les antennes avant que celles-ci se fondent comme les antennes conformes dans les plate-formes. Peu à peu les différents équipements jadis bien identifiables se fonderont dans les plates- formes de manière éclatée pour remplir la fonction de dis- crétion qui demeure l’une des plus importantes nécessités. Les antennes actives à balayage électronique sont au cœur de cette mutation et seront les capteurs indifférenciés pour les fonctions radar, guerre électro- nique ou communication des plates-formes aéroportées du futur pilotées ou non. Analyse et comparaison de formes d’ondes pour le radar MIMO Hongbo Sun, Frédéric Brigui, Marc Lesturgie ........................................................................................................... p. 47 Codage spatio-temporel multi-rafales pour systèmes à antenne active Guy Desodt, Georges-Edouard Michel, Jean-Paul Guyvarch, François Le Chevalier, Olivier Rabaste .......................................................................................................................... p. 55 Ordonnancement des tâches pour un radar multifonction avec contrainte de temps dur et priorité Vincent Jeauneau, FrédéricBarabaresco, Thomas Guenais ..................................................................................... p. 64 Antenne active multi-facettes à balayage électronique en technologie tuile G Byrne, A M Kinghorn, R W Lyon et G D Morrison ............................................................................................. p. 75 Nouveaux développements pour les antennes actives et les modules T/R Yves Mancuso, Christian Renard ..................................................................................................................................... p. 79 Suppression des directions aveugles d›une antenne réseau grâce aux métamatériaux Thomas Crépin, Cédric Martel, Benjamin Gabard, Fabrice Boust, Jean-Paul Martinaud, Thierry Dousset, Pablo Rodriguez-Ulibarri, Miguel Beruete, Claudius Loecker, Thomas Bertuch, José Antonio Marcotegui, Stefano Maci ....................................................................................................................... p. 83 LES ARTICLES Introduction 46 REE N°5/2015 Sylvain Azarian est chargé de mission au département Electromagnétisme et radar à l’Onera et est en charge des « nou- veaux concepts radars ». Il est également directeur adjoint du laboratoire Sondra (Supélec-Onera-NUS-DSO-Research Alliance) à Supélec et s’intéresse plus particulièrement aux systèmes radars distribués et aux radars passifs. En 2015, il a été élu président du club technique R2SR de la SEE.