Radars futurs : concepts et technologies

31/08/2017
Publication REE REE 2006-5
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2006-5:19720
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Radars futurs : concepts et technologies

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Repères D NOUVELLES PROSPECTIVES DU RADAR (2111,partie) a Radars futurs: concepts et technologies François LE CHEVALIER, Dominique VERNAY Thales Mots clés Radar,Furtivité,Antifurtivité, Détection,Localisation, Identification,Opérationsenréseaux, Guerreélectronique, Adaptativité, Radarà large bande,Antennesynthétique, PeauIntelligente,Antenneconforme, Traitementdel'information,Antenneactive, Oscillateur,Codageanalogique numérique Introduction L'évolution des futurs systèmes radar sera le résultat des transformations majeures des marchés, des besoins et des missions, et des techniques : parmi les principaux fac- teurs, les opérations en réseaux, la furtivité et la transfor- mation de la guerre électronique, et l'amélioration des précisions et des capacités d'identification, doivent être mis en rapport avec les progrès attendus dans les anten- nes, l'émission et la réception, la génération et le codage, et le traitement de l'information. Dans cet article, on tente de synthétiser les principaux facteurs déterminant cette évolution, afin de mettre en évidence les défis essentiels auxquels l'industrie européenne sera confrontée dans les prochaines décennies. 2. Systèmes radars de surface : les principales transformations Les radars de surface (basés au sol ou sur navire) sont l'objet de transformations importantes, simultanément dans les marchés à servir et dans les missions qu'ils devront remplir. 2.1. Adaptation à l'évolution des marchés Dans un marché hautement compétitif, il existe une : i'_. . i r r !e -1 i" -.1'1 : , ",' Figiii-e 1. Radai- de Siti-veillai7ce Stai- 2000, Standard de contrôle du trafic aérien. demande accrue pour des produits à bas coût, tirant avan- tage de conception modulaires et standardisées. La satis- faction de cette demande exige : . Une architecture ouverte des systèmes radar. . Des plates-formes standardisées de développement et de test. ESSENTIEL SYNOPSIS Dans cet article, on tente de synthétiser les principaux facteurs déterminant l'évolution des futurs systèmes radar,afin de mettre en évidence les défis essentiels auxquels l'industrieeuropéenne sera confrontée dansles prochainesdécennies. Troisévolutions majeuressont en particulieridentifiées : les opé- rations en réseaux, la lutte contre la furtivité, et l'amélioration de précision et d'identification dansdes environnementscomplexes. La prise en compte de ces transformationsdansles besoins opé- rationnels et dans lesmarchésnécessiterades évolutions profon- des dans la conception fonctionnelleet dans la spécification des systèmes radar,ainsique dansles technologiesmises en oeuvre. Pourpréparer ces transformationsdes systèmes radar,l'industrie devra faire face à plusieurs défis concernant le financement, le soutien des technologies,et la gestion des compétences. In this paper,the mainfactors drivingthe evolutionof future radar systems is synthesized,and the key challengesfacing european industry for the next decadesare described. Three major evolutionsare identified: network centric operations, counterstealth detection,and precision/identification in complex environments. Taking these transformations into account will inducefundamentalevolutionsin functional design and specifica- tion of radarsystems, and also in the technologiesinvolved. In orderto preparethese transformationsof radarsystems, indus- try will face several challengesconcerning funding, technology support,and skills management. REE NO 5 Mii 1006 Repèrt N e % a NOUVELLES PROSPECTIVES RADAR (2'Ill partie) . Des modules élémentaires réutilisables. . L'emploi de COST (Commercial off the shelf) autant que possible, depuis les unités de traitement de données jusqu'aux têtes hyperfréquences. Les exigences du marché évoluent également, de con- ceptions " mono-capteur " vers des concepts plus intégrés, augmentant la valeur opérationnelle des systèmes radar : . Radar multifonction standard pour opération en réseau. . Intégration multicapteur : Radar, Guerre Electronique, Optronique, Communications. 2.2. Adaptation aux besoins des nouvelles missions Le besoin en disponibilité des systèmes radar a été considérablement augmenté, pour atteindre une capacité 24h/24. Le besoin de projection des forces ajoute encore des exigences spécifiques à la définition des systèmes radar, comme l'aéro-transportabilité et la facilité de déploiement. L'emploi dans des conditions d'environnement plus dif- ficiles sera exigé : opérations littorales imposant des contraintes sévères sur les capacités de détection et de loca- lisation radar, et plus généralement mise en oeuvre en pré- sence de fouillis inhomogènes ou en présence de trafic civil. A ces contraintes d'environnement, il faut ajouter la nécessité de résister à des brouilleurs de plus en plus nombreux. Contre les opérations asymétriques, les radars de sur- face devront prendre en compte les attaques terroristes, les armes de saturation à faible coût. Ils devront aussi détecter et poursuivre les petites cibles marines, et les cibles aériennes petites et lentes (incluant les drones). Ils auront également à détecter et poursuivre des mena- ' '. i-e 1 Il 1 1 e,- ,, 1s ces émergentes : cibles furtives, missiles balistiques tacti- ques, munitions d'artillerie, périscopes. La détection hors vue directe, dans les bandes de fréquence appropriées, conférera de nouvelles capacités aux systèmes de défense. Dans ces situations plus complexes, la reconnaissance et l'identification des cibles exigera des capacités accrues des radars, et une combinaison avec les informations déli- vrées par d'autres capteurs. Les radars de systèmes d'armes devront effectuer la conduite de tir pour des munitions intelligentes, ainsi que l'identification des cibles et l'évaluation des dommages. Figure 2. Radar Multifonction pour Défense Aérienne Elargie. 3. Systèmes Radar Aéroportés : les transformations essentielles Trois évolutions majeures définissent l'évolution des radars aéroportés : les opérations en réseaux, la lutte contre la furtivité, et l'amélioration de précision et d'identification dans des environnements complexes. 3.1. Opérations en réseaux Pour assurer la permanence de la tenue de situation dans des environnements imbriqués et non prédictibles, chaque agent d'une opération donnée devra collecter et distribuer toutes les informations nécessaires aux utilisa- teurs appropriés. Une meilleure gradation et précision des actions (précision spatiale et temporelle) sera obtenue grâce à des moyens de localisation passive, des systèmes multistatiques, et des combinaisons optimisées des moyens de brouillage et de furtivité. Ceci conduira à des optimisations différentes des rôles et des places des opé- rateurs humains, et à la conception de boucles coordon- nées (automatiques et humaines), assurant la robustesse requise face à la variété des scénarios et des conditions d'environnement. Cette évolution vers des opérations en réseaux n'oc- cultera pas le besoin d'opérations autonomes pour des missions ou des marchés spécifiques : les plates-formes futures devront être capables de fonctionner aussi bien comme systèmes autonomes dédiés qu'insérés dans un réseau intégré, selon l'utilisateur et le besoin opérationnel. 3.2. Antifurtivité et interaction avec la Guerre Electronique Les cibles furtives vont devenir la menace typique, dès que l'accessibilité de ces technologies aux puissances de second rang aura été reconnue. Les capacités antifurti- ves deviendront alors une exigence de base, et requerront des évolutions majeures pour les fonctions de surveil- lance aérienne, de tenue de situation tactique, et d'enga- gement. REE No 5 Ma,2006 Radars futurs : concepts et technologies Simultanément, les capacités croissantes des systèmes d'écoute électronique passive (ESM, Electronic Support Measures) en précision et en sensibilité doivent être prises en compte dans la conception des systèmes : la combinaison de systèmes actifs et passifs permettra d'ex- ploiter l'ensemble des capacités de détection et de locali- sation pour la surveillance et la désignation. Pour les plates-formes furtives, il faudra rechercher des compromis entre Guerre Electronique et furtivité (ou une répartition de la protection mutuelle entre des plates- formes coordonnées), suivant les missions et les condi- tions d'emploi. 3.3. Précision et identification dans des configurations imbriquées Compte tenu de la complexité croissante des situa- tions opérationnelles (civils/militaires, systèmes intégrés multisites, contremesures sophistiquées), il est nécessaire de diversifier et d'améliorer les sources d'identification (IFF, Radar, Optronique, ESM, fusion). Ceci demandera des améliorations spécifiques des radars, en termes de sensibilité, dynamique de mesure, formes d'ondes et ges- tion des balayages, etc. Le traitement des cibles mobiles demandera des temps de réaction plus courts (" du capteur au tireur "), dans des situations impliquant des plates-formes et des agents mul- tiples. Cela demandera aussi une précision de positionne- ment accrue, pour assurer précision et robustesse dans les fonctions de surveillance, acquisition, désignation d'ob- jectifs, et évaluation des dommages. 4. Nouveaux systèmes radar La prise en compte de ces transformations dans les besoins opérationnels et dans les marchés nécessitera des évolutions profondes dans la conception fonctionnelle et dans la spécification des systèmes radar. Ces transforma- tions peuvent être classées selon les trois transformations précédemment décrites : opérations en réseaux, la lutte contre la furtivité et interaction avec la Guerre Electronique, et amélioration de précision et d'identifica- tion dans des environnements complexes. 4.1. Opérations en réseaux La disponibilité de plates-formes reliées en réseaux induira des changements majeurs dans la conception fonctionnelle des nouveaux capteurs coopératifs : . Fonctionnement en réseau : utilisation coordonnée des radars, que ce soit à bord d'une plate-forme (par exemple radar de pointe avant couplé avec un com- plément latéral), ou entre plates-formes différentes (par exemple surveillance de zone multi plate-forme en naval), afin d'améliorer à la fois la compatibilité électromagnétique et la résistance aux contremesu- res. Ceci élargira le domaine d'application des tech- niques de " gestion intelligent ", de l'optimisation d'un système radar, jusqu'à celui d'un système mul- ticapteur réparti. . Opérations discrètes (modes passifs ou multistati- ques, modes neutres) : les besoins de discrétion et de résistance aux contremesures conduisent à la mise en oeuvres de tels modes multistatiques ou neutres (modes non spécifiques des fonctions réellement effectuées par le radar). . Très haute précision, y compris en ambiance brouil- lée contre des cibles masquées - par exemple grâce à des mesures par un réseau multicapteur. . Conduite de tir sur cibles mobiles en surface : pour l'acquisition aéroportée de cibles mobiles de surface (air-sol ou air-mer), il est nécessaire de combiner au moins deux plates-formes pour obtenir une précision suffisante. Cette configuration ouvre la voie à l'en- gagement robuste multi plate-forme, combinant des plates-formes discrètes et des modes multistatiques pour améliorer l'efficacité globale (possibilité de survie et précision). 4.2. Antifurtivité et interaction avec la Guerre Electronique L'adaptativité sera un besoin majeur pour les systè- mes futurs, pour conduire les opérations dans l'extrême variété de situations décrite plus haut - contre mesures intelligentes, environnements et situations complexes, opérations littorales. La gestion intelligente des fonction- nalités radar est certainement un facteur clé dans l'opti- misation des futurs concepts systèmes, ainsi que l'emploi des antennes actives, et la formation de faisceau à l'émis- sion (émission colorée) et à la réception. Dans bien des situations, et en particulier à bord des plates-formes complexes (navires, avions de combat), il sera nécessaire de partager les ressources disponibles (depuis les antennes et les têtes hyperfréquences jusqu'aux calculateurs) et les fonctions (Radar, Guerre Electronique, Communications), afin de maximiser l'effi- cacité et la possibilité de survie de la plate-forme. La détection antifitrtive (drones, missiles de croisière, etc.) pourra être obtenue grâce à des modes radar large bande et des stratégies de balayage, ou en tirant profit des propriétés particulières des radars basse fréquence, com- binés avec la détection hors vue directe (radars à pénétra- tion dans le feuillage, aéroportés ou de surface, radars à onde de surface ou à onde de ciel). REE NO 5 Mai2006 pères 1M « a NOUVELLES PROSPECTIVES RADAR partie) 4.3. Précision et identification dans des environnements complexes L'identification est une fonctionnalité exigeante, à la fois pour les performances matérielles et logicielles. Pour l'identification des cibles aériennes à grande dis- tance (NCTR, Non-cooperative target recognition), l'em- ploi combiné des raies de réacteurs et des réponses impLil- sionnelles des cibles nécessitera le recours à des iiiodes cohéreiit. large bande, qui pourront être optimisés égale- ment pour la détection et la confirmation. L'identification des cibles terrestres à partir des radars aéroportés nécessitera des SAR à haute résolution, et donc desformes d'onde large bande(et la réception asso-donc des ciée), combinée à des traitements avancés pour focaliser l'image et réduire les effets de " speckle ". Pour ces appli- cations d'identification, l'emploi de la polarimétrie pour- rait améliorer les performances de façon significative. . <>. : :. :,:::-': :. :':'- " " ... ",. : ,, >g,, f 404MJ 0 ! 4mmmr ; , la Tac PARTY " WKJBO .. : t VNatthkscper Ground Control Station Special Forces launch& Rscovery A ... "r- iile forces Effects based operation Directed logistics Network Enabled Capability Watchkeeper CommandPost - LLI 1 Figiti-e 5. Weitchkeeper. étilde préliiiiinuii-e dtf coiicept. 5.2. Traitement de l'information Les algorithmes de gestion de l'information et de trai- tement (par exemple pour l'extraction des cibles du fouil- lis, les traitements adaptatifs spatio-temporels, le pistage avant détection, la gestion intelligente des formes d'onde et des pointages) seront un élément clé pour l'obtention des performances radar : le traitement des données est au cceur des systèmes radar, et les besoins en puissance de calcul peuvent être considérés comme...infinis, puisque des formes d'onde et des traitements demandant des puis- sances de calcul de plusieurs ordres de grandeur supérieu- res à l'existant attendent dans les laboratoires de pouvoir être expérimentées et implémentées. Par ailleurs, il est nécessaire de mettre au point les architectures de traitement capables de délivrer la puis- sance de traitement sous forte contraintes d'environne- ment, pour les applications aéroportées ou missiles par exemple. Les outils et processus de développement per- mettant un développement fiable et à coût réduit de ces fonctions avancées sont également nécessaires. Les algorithmes de classification par radar sont actuellement en cours de développement, tirant parti des avancées récentes en théorie de la décision (par exemple les réseaux de neurones, les réseaux bayésiens, les machi- nes à support vecteur). Pour obtenir de bonnes perfor- mances dans les conditions opérationnelles, il sera néces- saire de définir et de constituer des bases de données de signatures, combinant des mesures expérimentales et des données synthétiques. rnnrrrm.wvv" n.n fnN",./\'''.hd 1 Ji:J'. £1]." ""1 0"-' a _; suM m i ep3 G - 4FPfUflflf (apl _ ;, :'1.1- -,-je' ", ;.,-'. ", " " " " f'F- ! o 1 I xaFInFI/ !, Figure 6. Cczur avionique pour avions de coinbal, et oiitils de développenieni de ti-ailenient du signal REE No 5 Mai2006 . Repères 1) NOUVELLES PROSPECTIVES RADAR partie) "''. -' "''' ;" -. L r" " ,' n ! '-''-.. < tMtjn-'< !).t it] LiitmlmsY '-''*'' "'''' " "'' " "'' " " \' "'"''.-' "' " ! Më "aa<)'..]...'. ;,...... !.,.).,,.. i......''' " .'- .... "'-,..-' Figure 7.Antenne iiiiiltifonction, technologie ttiile (épaisseiil- totale 50 111111) (6-18 GHz, bi - poloi-isation,/0 coiiches). 5.3. Antennes Les antennes actives seront nécessaires pour la plu- part des applications à hautes performances, et offriront la flexibilité et l'adaptativité nécessaire pour une bonne intégration dans des opérations multi-agents. Pour les applications navales, des concepts de mâtures intégrées seront développés, intégrant les fonctions Radar Multi Bandes, ESM, Communications, et Optronique dans une force navale en opération. La prévision de SER, l'intégration des antennes, et la prédiction de propagation sont des outils essentiels pour la conception, le développement et le test de radars, en particulier face à des cibles furtives ou camouflées ou à bord de plates-formes furtives. Enfin, pour les systèmes les plus avancés, les antennes actives large bande de faible épaisseur pour opération multifonction sont maintenant nécessaires (Figure 7), pour offrir une complète adaptativité et la plus large diversité de formes d'onde et optimiser la combinaison des modes de surveillance, d'acquisition, et d'identification. 5.4. Génération et codage Des oscillateurs à haute pureté spectrale sont néces- saires pour assurer la détection des cibles furtives dans les échos de fouillis : les cavités supraconductrices et les dispositifs optiques sont les meilleurs candidats pour ce composant essentiel des systèmes radar. La génération numérique deformes d'onde deviendra également accessible sous forme intégrée, avec la pureté spectrale nécessaire, obtenue par optimisation de l'em- ploi des convertisseurs numérique - analogique. Le codage analogique - numérique combinant large bande et bande étroite sera utilisé pour améliorer la flexi- bilité des formes d'onde et pour la suppression des der- niers étages de mélangeurs. Pour les radars en basse fré- quence, cette évolution devrait finalement permettre la réalisation de modules de réception numérique directe, tirant parti des composants de communication existants pour réaliser des antennes distribuées entièrement adapta- tives, sans sous-réseaux prédéfinis. ...... pFfij :x s Yy'`,. ",. '-,,.,, `.. \ ..i"â' .7. 7 a . ?ç"np °vi.... é: s Figure 8. Oseillatetir faible coîti, et oscillateiir supi-acondtte- tetir à haiite teiiipéiatitie. 5.5. Emission - Réception Une Emission - Réception multi canal, large bande sera requise pour la plupart des systèmes radar, afin d'améliorer l'extraction des cibles du fouillis (par exem- ple pour permettre un traitement adaptatif spatio-tempo- rel, ou un balayage entrelacé ou multimode). Comme indiqué plus haut, les amplificateurs de pins- sance à état solide sont la clé du développement des futurs radars multifonction. L'intégration des têtes hyper- fréquence est également nécessaire pour satisfaire aux contraintes propres aux plates-formes aéroportées - avions et missiles. Enfin, l'optronique hyperfréquence sera sans doute la seule technologie disponible pour la distribution du signal dans les systèmes multi-canaux. 6. Défis industriels Pour préparer ces transformations des systèmes radar, REE NO 5 Mai2006 Radars futurs : concepts et technologies l'industrie devra faire face à plusieurs défis concernant le financement, le soutien des technologies, et la gestion des compétences. 6.1. Premier défi : partager le financement des nouvelles générations de radars Ces évolutions ne pourront pas être conduites sur une base purement nationale - et d'ailleurs les industries con- cernées sont déjà multinationales - : la coopération en Europe est nécessaire pour la Recherche et le Dévelop- pement de ces nouvelles générations de systèmes. Ces coopérations doivent être envisagées séparément pour les phases de recherche amont (dite précompétitive), les démonstrations technologiques, et le développement. Une politique ambitieuse de démonstrations technologi- ques doit être mise en place, avec pour objectif de focali- ser les efforts de recherche sur les démonstrations les plus critiques (figure 9). 6.2. Deuxième défi : maîtriser le coût de développe- ment des nouvelles générations de radars Pour la plupart des applications militaires, le coût de développement est un facteur critique. Les contraintes de financement conduiront à utiliser des technologies com- munes sur toute une famille d'équipements. Une politique d'architectures par modules élémentaires devra donc être mise en place. L'efficacité des étapes d'intégration et de test (techni- que et opérationnel) devra également être améliorée, en particulier grâce à l'emploi des outils de simulation inter- opérables pour la spécification et le développement. 6.3. Troisième défi : soutenir les technologies spécifiques au radar Certaines technologies ne seront pas fournies par les applications civiles : les modules de puissance micro- ondes en bandes S et X, la photonique hyperfréquence pour réception large bande, les oscillateurs à haute pureté spectrale, les machines de traitement de signal haute per- formances temps réel, en sont quelques exemples. Le défi essentiel est ici d'identifier quelles technologies seront réellement critiques, dans 15 ans, pour les systèmes radar : ces technologies sont des facteurs de suprématie, et demandent en tant que telles des efforts identifiés, conti- nus, et contrôlés. 6.4. Quatrième défi : renouveler les compétences techniques et encourager l'implication de nou- velles équipes scientifiques Les applications radar sont principalement focalisées sur la défense et la sécurité, ce qui limite le spectre des nou- veaux chercheurs et des équipes désirant s'impliquer dans ce domaine scientifique, à la frontière entre la théorie de la décision, l'électromagnétisme, et l'électronique intégrée. Pourtant, de nouvelles compétences et des pensées en rup- & t 4 l ; Fr : ç tt'$'I apo'V L. 's °âq'ft' k°,-t..`,. K . z:i.' ttE ·r _-. 44...i ' H..'°-..TTT a4 ÇÇ..Y.st.m) _,. Figzrre 9. HPA Etii-opéeiz, Techiiologie GaN. ture sont nécessaires dans différents domaines : . Architecture radar et sous-systèmes hyperfréquence. . Electromagnétisme/propagation/antennes. . Traitement du signal/fusion de données. . Nouveaux concepts. Des efforts de communication et d'éducation seront nécessaires pour augmenter l'intérêt et multiplier les for- mations dans cette arène polymorphe du savoir scientifi- que, où l'expérience ne peut résulter que d'essais et erreurs multidisciplinaires... Il n'y a pas de " déterminisme historique " ou de pré- dictibilité en science et technologie, et les ruptures sont la semence des concepts futurs : de nouvelles idées et com- e e e-pétences sont nécessaires pour définir ces futurs systè-p mes, à la base de la tenue de situation tout temps et des actions maîtrisées de défense. Les auteurs FrançoisLe Chevalierest DirecteurScientifiquede Thales, DivisionAéronautique,Elancourt, France. F. Le Chevaliera commencésa carrièreà l'Office National d'Etudes et de RecherchesAérospatiales(ONERAI,où Il a conduit des recherchessur la reconnaissancedes cibles, les signaturesdescibles etdesfonds,et le traitementdessignaux radar. En 1986,F Le ChevalierrejointThomson-CSF(maintenantTHALES) comme Directeur Techniquedu CentreThomsondApplications Radar(LCTAR),oùil lancedesétudesetdesdémonstrationsdesys- tèmeadaptatifàformationdefaisceauxIFFC},deradaràtraitement spatio-tempore ! (STAP),et de systèmeà antennepartagéemultl- fonction.En1998,il rejointleGroupeSystèmesAéroportés,dontil estnomméDirecteurScientifiqueen2000,enchargede! a coordi- nationdes étudesamont(systèmesaéroportés,guerreélectroni- que,systèmesdemission). FrançoisLeChevalierestl'auteurde nombreuxarticles,communi- cationset brevets,et dulivre"Principlesof RadarandSonarSignal Processing" publiéchezArtechHouseen2001. DominiqueVernay,diplôméESE1972,ilestentrédansleGroupe Thales en 1973 Toutd'aborddansl'activité Télécommunicationoùilaoccupésucces- sivementlesfonctionsd'ingénieurd'étude,dechefdeservice(1979) et de Directeur Technique (1988)et aeul'occasiondeparticiperà la conceptionde nouveauxsystèmesdetélécommilitaires: dansles gammesHF(Spin),VHF(PR4G),UHF(Saturn),bandeL(Mtds)et par satellite (Syracuse). Puisdansl'activitéSimulationde 1990à 1996où Ilaexercélares- ponsabilitéde DirecteurGénéraladjointen Franceet en Grande- Bretagneetaparticipéàdenombreuxprogrammesdontles simula- teursducharLeclerc,deSuperPuma,deMirage2000,deTornado, Hawk,SeaHarrier,F16,SeaKinget decentralesnucléaires. Depuis1996,il estDirecteurRechercheetTechnologieduGroupe. REE No 5 Mai2006