Les dernières décennies et le futur du radar basse fréquence en France

21/10/2017
Publication REE REE 2005-3
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2005-3:20552
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Les dernières décennies et le futur du radar basse fréquence en France

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            <date dateType="Submitted">Fri 25 May 2018</date>
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LES RADARS a 01 a Les dernières décennies et le futur du radar basse fréquence en France Mots clés Basse Fréquence, Surveillance del'espace, Overthehorizon (OTH), Antifurtivité Par Marc LESTURG Jean-Pierre EGLIZEAUD 1, Gilbert AUFFRAY 1, Daniel MULLER 1, Bernard OLIVIER1,Christian DELHOTE 3 ONERA,Palaiseau, 1 THALES Air Defence, Bagneux, 1 DGAISTTCIDE, Paris Introduction Historiquement le facteur déterminant pour l'utilisation des basses fréquences en radar est lié aux propriétés intéressantes des sillages de corps balistiques. À l'ONERA les expérimentations "ELECTRE " caractérisent cette activité, dont l'objectif était de qualifier la transmission radio à partir de la capsule émettrice d'une fusée en phase de rentrée dans l'atmosphère. Le plasma environnant la capsule (créé par échauffement dû à la vitesse) était ainsi évalué dans différentes bandes de fréquence (dont les bandes VHF-UHF) à partir d'un système de localisation basé au sol. Dans le prolongement de ces travaux de caractérisation des signatures en VHF, quelques années après, le RIAS est imaginé et étudié par l'ONERA. RIAS est le premier radar français de surveillance aérienne fonctionnant en VHF et fondé sur la formation de faisceaux par le calcul. La technologie RIAS est par la suite transférée à la société Thomson SDC (aujourd'hui Thales Air Defence) ; dans les années 90 un démonstrateur radar est développé et qualifié en termes de performance et bénéfice opérationnel. Plus récemment le radar transhorizon NOSTRADAMUS et le radar de veille GRAVES ont été développés par l'ONERA, en réponse à des besoins spécifiques de surveillance très longue portée. En parallèle, des études de concepts (radars à ondes de surface, radars passifs) ont été menées, toujours assorties de validations expérimentales. Pendant la même période Thomson (Thales) explorait l'utilisation des bandes basses pour des applications SSENTIEL SYNOPSIS L'utilisation des basses fréquences en radar permet de lutter contre l'évolution des menaces,notamment en matière de furti- vité des cibles. Ainsi de nombreusesactivités de rechercheet de développement ont été menées en France dans ce domaine depuis une vingtained'années. L'ONERAet Thalesont contribué à ces travaux. L'activité "radarsbassefréquence"de l'ONERAfait suite à des tra- vaux sur la caractérisationdes plasmasde corps de rentrée, au début des années70. Depuislestravauxen radarbassefréquence n'ont pas cessé. Thalesidentifiait également dans les années70 les évolutions prévisiblesdes menaceset la nécessité de trouver de nouvelles solutionspour maintenir les capacitésde détection des systèmes radar,à un coût raisonnable. Différentes études et expérimentations ont été menées pour caractériserlescapacités dessenseursbassefréquenceet préparer leur introduction dansles réseauxde surveillanceaérienne. Le papier décrit les étapes importantes du développement des radars basse fréquence, met l'accent sur l'originalité des concepts et sur leur validation expérimentale. Les radars de surveillance sol-air(RIAS,PARASOL,SACHEM, RAB ! T, ROMAt, le radartranshorizon(NOSTRADAMUS), le radard'observation de l'espace (GRAVES) sont décrits en détail. Les orientations sont données sur l'utilisation future et les évolutions des différents concepts. Low frequency radarwill contribute to counter threats evolutions for surveillanceand air defence systems. So different research and development activitieswere conducted in this field in France duringthe last decades.For manyyears ONERAandTHALESare contributingto the development of this radaractivity in France. Within the scope of its mission in aerospace research,ONERA startedto work on low frequency radarfrom the researchon plas- ma physics in the Seventies. Radaractivity was then developed, until now. THALESpointed out in the 70's that target evolutions will lead to find out new radarsolutions to maintainair defence capabilitiesat a reasonablecost. Different studies and develop- ments were conducted to characterise low frequency sensor capabilitiesand to prepare their introduction in air defence net- works. This paperdescribessome important steps of the low frequency radar,highlights the originality of the concepts, studied and vali- dated through demonstrators. Ground to air surveillance radar (RIAS, PARASOL,SACHEM, RABIT, ROMA), over the horizon radar (NOSTRADAMUS), space surveillance radar (GRAVES) are described in details. Orientations are given on the future use or evolutions of the different concepts, already demonstrated by those radars. REE N,i Mars 2005 M Dossier LES RADARS m r yy `. % ,. g... %W.` i· d M^..,#. 5, Wy h l ._ da r$ ¢.4-d TR'2 t 1h'_ 'a,,ÿ` YS " £ .9F,e""a' ÿ,., w%. § qr· ; !y'. "`i-. , :., r M .ï .'. k,S Y . ç,, v . " °_ü,, `' bM-0.._ :rt `m mX, ,r`dv.,4.4L aq° ` e .r. , ; :r t s. f.',,Y t ' `t ia-, ` : §: <" '4, ^ " " ' nY _. t ` ` e is .li'- ... :. tt .. â' _ ,e " ux.,· i · ; r'q,. 4. ""'t , : : PF f .,. : §, _ x _ a.. -aa " . i -,", 11< ". ...... , wr z'.'s " Tt y ° `. y9 ob s, ;y f u Ai'S Y T u 1Ga .'v !'73 i ,..' "'. · ys '*.. B ' i .j xY a8. "y Figure i. Maquette RiAS. du Centre d'Essais de la Méditerranée. Figure 2. Maquette RIAS. détail des antennes tactiques et pour l'alerte précoce avec l'objectif de combiner ces nouveaux capteurs aux radars conventionnels. PARASOL et SACHEM sont deux exemples décrits dans cet article et qui illustrent bien la pertinence des basses fréquences utilisées en radar en complément des bandes centimétriques. Plus récemment Thales a mené (en coopération avec l'ONERA) la réalisation du radar ROMA (Radar à ondes métriques multi-applications) et un démonstrateur de modes radar passifs. A coté de ces exemples de radars sol-air basse fréquence, l'intérêt des basses fréquences dans le domaine aéroporté a également été clairement identifié, depuis de nombreuses années. L'ONERA a doté sa station expérimentale d'ima- gerie SAR (RAMSES) d'une bande UHF. Plusieurs expé- rimentations on été menées démontrant l'intérêt des basses fréquences, notamment pour la détection des cibles sous couvert forestier (FOPEN). L'article décrit les concepts radar, les principes de fonctionnement, leurs évolutions et applications poten- tielles futures. Dans la majorité des cas la justification d'emploi des basses fréquences repose principalement sur deux aspects : Un aspect phénoiiiéiiologiqtie : c'est le cas des radars transhorizon (à ondes de ciel ou ondes de surface) qui exploitent des propriétés particulières du milieu de propagation. Les propriétés FOPEN (pénétration dans le feuillage) relèvent de cette catégorie, tout comme l'antifurtivité des cibles : en basse fréquence les interactions onde-objet mettent en défaut la notion de "point brillant radar " et les techniques usuelles de réduction de la signature. . Un aspect coT2ceptuel : un radar basse fréquence utilise des antennes peu directives, ce qui le prédispose à des missions de surveillance dans un très large domaine, avec une cadence de balayage favorable et une bonne efficacité énergétique (bilan/portée). Le RIAS et le GRAVES en sont deux exemples. Enfin, il faut noter que la présentation effectuée par cet article n'est pas exhaustive, tant au niveau des projets qu'au niveau des acteurs. De nombreux dispositifs de détection à courte portée ont été étudiés et expérimentés, notamment dans le domaine du déminage (techniques ULB). L'utilisation de la bande VHF pour des applications océanographiques a été investiguée en France depuis longtemps. Enfin, à coté de l'ONERA et de Thales, certes impliqués dans des projets importants de radar basse fréquence, plusieurs laboratoires français rattachés à des Universités (Université de Rennes, LSEET Toulon...), et PME (C&T...) travaillent dans ce domaine également depuis de nombreuses années. 2. Le RIAS 2.1. Principe Le RIAS (Radar à impulsion et antenne synthétiques) est imaginé au début des années 80. La démarche suivie pour l'élaboration du concept [1] repose sur le choix de longueurs d'onde métriques, l'utilisation d'une grande antenne lacunaire (antenne creuse), une formation de faisceaux par le calcul et un traitement de détection fondé essentiellement sur l'analyse Doppler. Mais sur- tout l'originalité du RIAS réside dans le concept d'ou- verture et d'impulsions synthétiques associé au "codage " de l'espace à l'émission. Cette propriété mérite d'être explicitée : innovant à l'époque de la maquette du RIAS, le codage de l'espace reste intéressant pour plusieurs applications. REE No 3 Mars 2005 Les dernières décennies et le futur du radar basse fréquence en France Emission 1........ 1 - ----> - --- 1.1 .............. « "'* " 1- - - -> 1 Impulsion transmise dans unedirection Réceptioil FT Signauxreçussur une antenne Figure 3. RIAS - Principe du codage de l'implasion et de l'antenne. Au-delà du concept, les études et la réalisation de la maquette RIAS (en coopération avec le Centre d'essai de la Méditerranée et avec le soutien de la DGA) ont également permis de lancer et de structurer une véritable activité « radar basse fréquence » à l'ONERA et de renforcer sa réputation dans ce domaine La figure 1 fournit une vue d'ensemble des réseaux d'émission et de réception ; les deux réseaux sont imbriqués ; les antennes sont disposées de chaque coté du chemin circulaire ; la structure d'antenne " creuse" se caractérise au prime abord par le fait qu'elle est difficilement visible (seuls les mâts d'antenne peuvent être distingués). La figure 2 fournit une vue détaillée de la partie antennaire. Une des antennes à été redessinée (flèche) pour être visible sur la photo. 2.2. Le codage de l'espace Conformément au principe RIAS (figure 3), chaque antenne du réseau d'émission transmet dans toutes les directions une impulsion à une fréquence qui lui est spécifique. Le peigne de fréquences ainsi constitué est échantillonné régulièrement (pas égal à I/Te) de telle sorte que l'on peut considérer, pendant la période d'émission (Te), les différentes sinusoïdes émises comme « orthogo- nales » au sens de l'opérateur de Fourier. En chaque point M de l'espace, on reçoit donc un signal composite impulsionnel constitué de fréquences dont la séparation (possible du fait du critère d'orthogonalité) permet d'identifier les phases relatives aux trajets parcourus par l'onde entre chaque émetteur et le point M de l'espace considéré (cible ou antenne de réception du radar). La localisation angulaire d'un point de l'espace est alors possible à partir d'une seule antenne. Le codage de l'espace permet a posteriori une formation de faisceaux par le calcul à l'émission (FFC-E). En complément, une FFC à la réception (FFC-R) peut être appliquée, de manière plus classique. Si le codage fréquentiel à l'émission permet une for- mation de faisceaux a posteriori dans n'importe quelle direction, toutefois, comparé au balayage électronique classique (formation réelle du faisceau dans une direction de l'espace) le codage RIAS présente l'inconvénient d'étaler l'énergie. En effet à l'intérieur d'une même impulsion transmise, l'antenne ne pointe dans aucune direction précise car le jeu des phases relatives entre antennes ne cesse de varier pendant toute la durée d'émission (T). L'énergie est donc étalée et le réseau d'émission se comporte comme une antenne omnidirec- tionnelle avec une capacité de codage de la direction per- mettant, en réception, de retrouver toute la directivité du réseau. On peut également, grâce au codage de l'espace, effectuer simultanément les fonctions de veille et de poursuite, qui deviennent deux processus de traitement numérique que l'on peut mener en parallèle. Le codage RIAS est bien adapté à la surveillance dans un angle solide très large. Il peut s'avérer intéressant également dans des applications bistatiques, pour lesquelles on recherche à la fois un fonctionnement tolérant vis-à-vis de la configuration géométrique (positionnement relatif émetteur/cible/récepteur) et une capacité de localisation à partir d'une antenne de réception de taille limitée. Comme le montre la figure 4, le récepteur passif (R) peut utiliser le codage RIAS pour se localiser et en même temps détecter la cible (T) et procéder à sa localisation REE N'i Mars 2005 LES RADARS R _ --n w T G T.. T.'.1. T T.T <-- ...... T. «.,..,..,..T.,. «.'.*.*,.,*T "'- ". " Figure 4. Principe RIAS bistillique. (direction) par rapport au réseau d'émission. Au moins deux antennes sont nécessaires, à bord de l'avion passif, pour rejeter le trajet direct et augmenter la sensibilité de détection. Des travaux expérimentaux (1990) ont été menés par l'ONERA en configuration bistatique, avec des résultats satisfaisants, uniquement dans la configuration sol-air-sol (émetteur - récepteur au sol, cible aérienne). Les essais en mode sol-air-air (émetteur au sol, récepteur passif aéroporté et cible aérienne) n'ont pas été concluants en raison d'un trajet direct trop important, fluctuant, et de la mauvaise connaissance à l'époque des problèmes liés au « bistatique aéroporté ». Des progrès ont été faits depuis, à la fois dans l'appréhension des problèmes spécifiques du bistatique (influence des bruits de phase, dynamique, fluctuation du centre de phase des antennes) aussi bien que dans le domaine du traitement de signal (algoi-ithmie STAP'pour la réjection du fouillis). Après les essais et résultats obtenus sur la maquette RIAS de l'ONERA, Thales développe dans les années 90 sur une commande de la DGA un démonstrateur radar reposant sur le même principe de codage de l'espace. Le radar est implanté à proximité de Rouen, fonctionne dans la bande VHF. Il a permis de qualifier la performance des modes simultanés de veille et de poursuite sur cible aérienne coopérative. La figure 5 présente une vue du radar. 2.3. Applications futures du concept RIAS D'une manière générale, le codage de l'espace est c c intéressant dans de nombreuses applications, où il peut se décliner de différentes façons : . dans le domaine de la surveillance depuis l'espace, des concepts de radar à ontennes distribuées sont à l'étude. Ces dispositifs présentent de nombreux avantages en matière de capacités interféromé- triques (SAR) et de détection de cibles mobiles au sol. Ils sont également prédisposés à fonctionner en bistatique. Le codage de l'espace dans ce contexte est fondamental. . en surveillance sol-air, le concept de radar multi- sttitiqtie ir2terférométridue pourrait utiliser un codage de type RIAS. Il s'agit là d'une version Zr "éclatée " du RIAS, dans laquelle la distance entre antennes est suffisamment grande pour former une ou plusieurs bases interférométriques. Par ailleurs une réflexion plus générale sur la notion c du codage ou coloration de l'espace devrait être faite : c RIAS est le cas extrême du codage de l'espace dans un secteur pratiquement hémisphérique. Certains radars, en plus de leur balayage traditionnel, peuvent profiter d'un codage de l'espace à l'intérieur c Space Timc Adaptive Processing REE REE N 3 Mars 2005 Les dernières décennies et le futur du radar basse fréquence en France v -eva : qÇ t u,2b4' "ÿ2 cP. E o-·dty,3... :. - 4 - -- >e,... --- , ws M k Snas&3' Figarre5. RIAS vue aéi-ieizize du j-aclai-. du faisceau délimité par l'antenne : à titre d'exemple, l'antenne peut fonctionner dans un secteur de 5° x 5° (secteur focalisé par combinaison d'éléments en réseau phase) à l'intérieur duquel, par codage de l'espace et traitement associé, on obtiendrait des faisceaux de 1'x 1'. Un autre aspect concerne l'utilisation de la base mathématique employée pour le codage ; la base de Fourrier est naturelle, mais d'autres techniques sont également envisageables (codes de phase). CI 3. Radar à conjugaison de phase Le RIAS avait été étudié et qualifié pour ses propriétés intéressantes de codage de l'espace ; cepeudant son défaut est d'étaler l'énergie dans toutes les directions de l'espace, de manière préjudiciable au bilan énergétique. A l'inverse, le radar à balayage électronique présente des faisceaux fins et énergétiques, mais il est plus difficile d'emploi en surveillance volumique, surtout vis-à-vis des cibles rapides, du fait de l'augmentation de la période de .... -v jt (s ("Jt+< y Y Y y .......................................... ............. TR Filti-c (i) 1 i Cos(2ut) i i ; Filtre u> Figvsre6. Principe de 1a conjugaison de plzase. récurrence de veille sur des secteurs larges. La question se posait de savoir s'il existe un concept de balayage « adaptatif », capable de passer automatiquement du balayage « large » (de type RIAS, gain de réseau à l'émis- sion égal au nombre d'antennes N) lorsque qu'aucune cible n'est présente a priori dans la zone, à un balayage focalisé (gain voisin de N) dans un secteur réduit où les cibles sont a priori attendues. C'est dans cet esprit que la conjugaison de phase a été envisagée en radar. Déjà utilisée .le eja ce en acoustique (on parle alors de retournement temporel), la conjugaison de phase - simple dans son principe - consiste à renvoyer le signal reçu avec une phase inversée, ce qui a pour effet d'auto-focauser l'antenne d'émission vers la cible (figure 6). 3.1. Contrôle de la conjugaison de phase Le principal défaut de cette technique est la sensibilité aux parasites et aux cibles multiples, l'antenne d'émission ayant tendance à s'accrocher systématiquement sur les signaux forts. Pour résoudre ce problème, on doit piloter le séquencement de la conjugaison de phase en ne conju- guant que les signaux obéissant à un critère particulier : critère de vitesse (Doppler), critère de distance. Couplée à une procédure systématique d'élimination des parasites (brouillage intentionnel ou non), la conjugaison de phase en radar peut s'avérer bénéfique. 3.2. Performances de la conjugaison de phase Du fait que la technique est fondée sur un processus itératif, les performances [2] concernent non seulement la distance maximale (distance d'accrochage du processus d'auto-focalisation) mais également le nombre d'itéra- tions requis pour approcher, de manière asymptotique, le gain du réseau focalisé (-N'où N est le nombre d'éléments rayonnants). Dans le cas d'une cible non fluctuante et en présence d'un bruit gaussien, une formulation approchée du rapport signal. à bruit Xp (itération p), obtenue sur chaque antenne de réception, peu être écrite : REE Nu 3 Mars 2005 . DOSSier) LES RADARS Ci1-1. de',Dllele ,Ul d, 1CI (l 7, u il TI l , L 1, - Zone0+--* intcrest 'or l'Itase -1i,hi liMMi Conj. /./ ï--W- .-- MV.-.- GN G-N Nombre Itérations , scarch acarch phase JF.' !'.' "'''. . . Diagramme antenne Î : l *& 7 f ",W, Figure 7. Siiîïulation de la conjttgaison de phase. 1 +NX xu=x P-1 p o 1 + Xp-I p-I où Xo désigne le rapport signal à bruit initial, lorsque l'on met en route le radar ; l'état initial correspond à un état isotrope du réseau d'émission (gain de réseau voisin de N). La figure 7 présente un résultat de simulation pour un réseau de 100 éléments. La vitesse de convergence dépend des conditions initiales qui sont directement fonctions du bilan énergétique radar (puissance émise, niveau de SER, etc). Bien entendu, la conjugaison de phase n'est intéressante, comparée au balayage électronique classique, que si le nombre d'itérations requis pour la convergence est inférieur au nombre de pointages néces- saires pour couvrir le domaine angulaire. Une application intéressante de la conjugaison de phase, schématiquement illustrée par la figure 8, consiste à combiner cette technique avec le balayage électronique. Le processus de conjugaison est appliqué aux échos reçus T, - 1nin e ,Ioreglg SWTeillam : e volumique (balayage électronique) ; el T, - 1 sec. A Balayage (t-ciiicliie ii 2 ii (illes Curtjrrai.ron cfe phn.ce urec burrlt·re Figure 8. Applicatioiis de la coiijttgaisoii de phase. REE N°o Mars2005 Les dernières décennies et le futur du radar basse fréquence en France dans une tranche distance donnée. De ce fait, une protection de type barrière est envisageable avec des propriétés complémentaires d'une configuration à deux nappes angulaires. Le temps de renouvellement de la veille devrait rester raisonnable, avec l'avantage de couvrir un Zn domaine angulaire élargi. 4. Le radar transhorizon (OTH) NOSTRADAMUS A l'issue d'une phase d'étude de faisabilité approfondie menée en collaboration avec le LETI, l'ONERA démarre en 1994 la réalisation du radar NOSTRADAMUS, le premier radar transhorizon (OTH pour Over the Horizon, en anglais) de ce type en France et en Europe. Son principe, fondé sur la réfraction ionosphérique, permet d'obtenir des portées dépassant très largement le millier de kilo- mètres, moyennant un fonctionnement dans la bande HF (6-20 MHz) et l'utilisation d'un réseau d'antennes de grandes dimensions. 4.1. Un concept original d'antenne L'antenne déployée au sol comprend 3 bras en étoile à 120°, d'une longueur d'environ 400 mètres (figure 9). Malgré son emprise au sol importante, le radar NOSTRADAMUS présente des dimensions inférieures à celles des radars transhorizon développés aux Etats-Unis ou en Australie (radar transhorizon Jundalee). De dimensions plus réduites (parce que sa mission est différente de celle des autres radars OTH), le radar NOSTRADAMUS présente également une géométrie d'antenne particulière (réseau surfacique en étoile) qui lui permet de piloter le faisceau radar à la fois en élévation et en azimut. Le pilo- tage du faisceau en élévation, impossible sur les radars OTH classiques utilisant des réseaux d'antenne linéaires, permet un sondage oblique des couches de l'ionosphère et une adaptation automatique des paramètres du radar : angle d'élévation et fréquence 131. enetqre 4'4) JL.1.. i JLJLJL) 4*. ", " "--' '.. ·i F t·Ar ( . , Bi-c-ft.-U .%-l'JAlll 12. Poiti-,ititÉ, (IÉ, ('ible cl'ol) l) oi-ttiiiitÉ le i-Cid (-11- NOSTRADAMUS. induites par la propagation ionosphérique. Les raies horizontales proviennent de la réflexion sur le sol (échos de Terre, raie à Doppler 0) ou sur la mer (2 raies de Bragg). De largeur spectrale étroite si la propagation était de type normal (ce qui est le cas pour les radars HF à onde de surface), les raies de Bragg subissent ici un phénomène de diffusion, lié aux irrégularités et fltictlia- tions de l'ionosphère. Cet exemple souligne la nécessité de bien maîtriser la propagation ionosphérique, en vue de sélectionner les bons paramètres radar et adapter des traitements de correction. 4.3. Détection à grande distance de cibles aériennes La figure 12 montre un résultat de détection et de c pistage d'une cible d'opportunité (avions de lignes au c c large de la Sardaigne) 1 c 4.4. Applications civiles Le radar NOSTRADAMUS, en complément des travaux contractuels menés en conformité avec le cahier des charges du SPA, a été et restera un outil scientifique performant pour l'analyse des phénomènes ionosphériques. Des travaux de recherche sont en cours sur la caracté- risation de la lithosphère terrestre par la détection des 1, p 1 -r' 'Nàk " a e l3ra= hiles )mcs ili hm 10 Ili Figiiî- (, 13. Cartog-cil ? hie des eit, ci Ici slirfcice. mouvements de couches ionosphériques (induits par le champ de pression résultant d'une activité sismique). Ces travaux sont menés en coopération entre l'ONERA et l'IOPG'. Le radar a également été utilisé pour produire c des cartes de courants et vents marins, à très grande ZD distance. (figure 13). 5. Les radars HF à ondes de surface La propagation par ondes de surface (au-dessus de la surface de la mer) est le second mode de propagation transhorizon utilisable dans la bande HF pour la détection des cibles mobiles. Ce mode de propagation permet de couvrir des distances de quelques centaines de kilomètres à partir des côtes ou à partir d'un bateau. De portée certes plus modeste que celle d'un radar transhorizon à réfrac- tion ionosphérique, le radar à ondes de surface (ROS ou HFSWR pour High Frequency Surface Waves Radar en anglais) présente également un dimensionnement plus réduit et des conditions d'emploi plus favorables, dans la mesure où la propagation est non dispersive et peu variable au cours du temps. Un tel radar présente de l'intérêt vis-à-vis de la détec- tion des cibles aériennes à très basse altitude, là où le radar conventionnel est limité par son horizon " radioélec- trique ". L'application à la surveillance maritime est égale- ment intéressante car la détection de tout type de bateau non coopératif est envisageable, pour des distances de quelques dizaines de kilomètres (pour les plus petits) à quelques centaines de kilomètres (bateau à fort tonnage). ZD v Institut dePhysique duGlobe deParis. REE Nu 3 Mars 2005 Les dernières décennies et le futur du radar basse fréquence en France L'application des radars HF à la surveillance maritime depuis le littoral est l'objet d'études récentes à l'ONERA et en France de manière générale. Cette application sou- lève, derrière l'apparente simplicité du dispositif (la tech- nologie "HF " est acquise depuis de nombreuses années) des problèmes de contraste cible/fouillis et de discrimi- nation des cibles. Le fouillis de mer limite la sensibilité du radar et peut conduire à choisir, pour le minimiser, une fréquence d'émission basse « 10 MHz). Les SER deviennent alors faibles et surtout, le pouvoir de résolu- tion se dégrade. Il faut donc utiliser des réseaux d'an- tennes de très grandes dimensions (500 à 1000 m) donc complexes à mettre en oeuvre et à gérer, surtout lorsque le terrain d'accueil doit se trouver le plus proche possible de la mer... Par ailleurs, le problème de la mauvaise résolu- tion du radar se trouve encore accru par la difficulté, en gamme HF, de trouver des bandes spectrales larges : seuls des canaux discontinus sont, dans la pratique, accessibles. Cependant, de nouvelles techniques [5] sont dès maintenant susceptibles de contourner ou d'atténuer les diffi- cultés mentionnées précédemment. On peut ainsi évoquer : . l'utilisation d'antennes de dimensions plus petites et agencées en réseau de forme iioti nécesséii.ieiiietit géométrique ; celapermet d'installer des réseaux éo éti eseaux g de plus grande dimension au sol en minimisant les contraintes de recherche ou de préparation du terrain d'accueil, . l'utilisation de la siithese iiltiiîéi-iclite de 1, émission pour créer la forme d'onde la « mieux adaptée » à la ressource spectrale disponible et au type de cible, ce qui permet d'améliorer la résolution en distance, . corrélativement, l'utilisation de techniques de réception toift litilliériqile'. 6. The GRAVES radar En 1990 l'ONERA, en réponse à une demande de la DGA/SPOTI, démarre l'étude d'un concept de radar très j' " ta ! sccauh) t'c ( fx) c '-' " 1 " *4 ilq-, " " Rx étt- (its longue portée pour la surveillance de l'espace. La mission du radar est de détecter et de constituer un « catalogue » des objets en orbite entre 200 et 1000 kin, 6.1. Architecture radar Le radar doit surveiller un très large secteur en azimut et en élévation. L'architecture retenue est de type bistatique (émission près de Dijon, réception près d'Apt). Une telle configuration bistatique (avec près de 400 km entre l'émission et la réception) permet un fonctionnement en continu, très favorable du point de vue du bilan énergétique radar. Le système d'émission comprend 4 panneaux d'antennes à balayage électronique permettant de couvrir chacun un secteur de 45° en azimut. Chaque antenne fonctionne avec un petit nombre de faisceaux larges pour couvrir le secteur souhaité (figure 14). La réception utilise le principe de la formation de faisceaux par le calcul. D'une taille importante, l'antenne de réception permet une localisation précise des satellites à l'intérieur du faisceau émis. Chaque antenne est reliée à une chaîne de réception analogique et de codage. La c ; .. ,.a "' " h "'''-'-'-. ;.'.',-\,,,-. . .) -,..-''''''o//'-'t- Figi (i-É 15. GRAVE - 1' (iiiteiiiie i É,.eciii d'éliii>sll () 11. F . rcplica 0 t o t d n. * - .. *. -. <- - &'....- - C.. v v L "''------ " T--------- p.. - L-., * - ','-' tirnc Figure 14.Arcl2itecture radar listatique (GRAVES). Figiti- ( 16. E-) ceiille d'aiicil-,se Dol) llet- (le sigiiiiii. : diffusé.s par les satellite.s. REE N-, Mitis 2005 . Dossieic) LES RADARS ,, < Î " ïlli ! îf ! oii i 1 1 1 , !, 1 e i, 1 ; * Î, " MW 9 ir 1 - Il 1- - Il 1 Nrcrv h` lX (â18 IPY !! 4 1 pfJi1lFA · t. Nd a °,. H.,. 1 tt Il,. ",.fl l',. ",,''1'. ! . -".., ",J. +. "..,'..' Figtit-e 17. GRAVES - Réseai (de i-éc-epti.oi. forme d'onde radar n'est pas codée, car l'information dis- tance n'est pas indispensable pour localiser les satellites sur leur orbite : en effet, l'hypothèse de leur mouvement képlérien permet de les trajectographier à l'aide des seules informations d'angles et de Doppler. L'absence de bande passante émise a été également un avantage dans l'attribution (en service primaire) d'une fréquence « pure » dans la gamme VHF. 6.2. Les principes de traitement Le traitement de signal comprend la formation de faisceaux par le calcul, la détection par analyse Doppler et le pistage. L'analyse Doppler prend en compte l'accé- lération des satellites, car l'effet Doppler est susceptible de varier pendant la durée d'intégration cohérente. Le signal reçu lorsqu'un satellite défile dans le lobe du radar présente une excursion Doppler en forme de « S » (figu- re 16). La mesure même partielle de cette caractéristique permet de remonter à l'orbite du satellite, en corrélant précisément le signal avec une réplique adaptée. 6.3. Applications future du concept Parvenu à un stade opérationnel (avec un relais prévu très prochainement par le CDAOA), le radar GRAVES est aussi le démonstrateur d'un nouveau concept de radar basse fréquence à très longue portée, associant le balaya- ge électronique à faisceau large (BEL) et la formation de faisceau par le calcul (FFC) en réception. La combinai- son des techniques BEL et FFC dans une configuration bistatique permet, en dépit de l'augmentation de com- plexité liée à la gestion de deux sites radar, d'atteindre des performances en portée hors du commun. Grâce au principe de l'émission large, les cibles sont éclairées pen- dant un temps plus important et la FFC en réception per- met d'obtenir la directivité et le pouvoir de discrimina- tion suffisant. Ce concept est bien adapté à l'utilisation des basses fréquences « UHF) pour lesquelles la signa- ture de la cible reste stationnaire pendant la durée d'inté- gration envisagée, plus importante que dans un radar conventionnel. Un tel concept peut trouver un intérêt pour d'autres applications de surveillance très longue portée et conduire à des réalisations semblables ou diffé- rentes du radar GRAVES actuel. 7. Radar basse fréquence tactique 7.1. Introduction La technologie « radar basse fréquence » trouve éga- lement des applications dans le domaine des systèmes radar tactiques, mobiles et par conséquent de dimensions plus faibles que les dispositifs présentés précédemment. Dans ces applications, on recherche la détection de cibles aériennes basse altitude, éventuellement maquées, un taux de renouvellement important de l'information associé à un secteur de veille large, également la détection de cibles de faible signature dans les bandes radar conventionnelles [4,51. Thales a mis en oeuvre, depuis 1980, différents systèmes expérimentaux pour valider les principes physiques de fonctionnement de ces dispositifs dans les bandes V/UHF et mesurer les performances atteignables. 7.2. Sachem SACHEM (Système d'acquisition et classification d'hélicoptères masqués) est une maquette (figure 18) dédiée à la détection et à la classification d'hélicoptères REE N 3 Mars 2005 Les dernières décennies et le futur du radar basse fréquence en France en situation de visibilité ou de masquage par la végéta- tion. Le dispositif a été testé dans plus d'une vingtaine de campagnes de mesures et a permis de constituer une base de données complètes [6]. Les informations obtenues à l'issue des expérimentations concernent : . Les signatures radar d'hélicoptères bien entendu, mais aussi d'aéronefs, d'UAV, missile et véhicules terrestres, . La propagation des ondes radar dans un large domaine angulaire en élévation, à partir de très basses altitudes (dans des configurations où la prise en compte des masques est fondamentale) jusqu'à des altitudes élevées (configuration où la réflexion sur le sol doit être prise en compte), . Les caractéristiques du fouillis (reflectivité et étalement spectral). . Les performances des techniques d'antibrouillage dans ces bandes de fréquence. La première version du radar SACHEM fonctionnait en gamme VHF ; des évolutions furent apportées pour couvrir également la bande UHF, complétant ainsi la base de données dans cette bande de fréquence. L'expérience acquise pendant ces travaux était néces- saire pour concevoir des capteurs radars futurs en V/UHF et prédire correctement les capacités de détection à basse altitude ou dans des configurations de non-visibilité. Des résultats de mesure sont présentés dans [6]. f t, eÎ 9 Figtire 18. SACHEM (VHF). 7.3. Parasol PARASOL est un prototype (figure 19) dédié à l'alerte précoce vis-à-vis des missiles anti-radiation ; il a déjà été utilisé dans de nombreux essais qui ont également contribué à compléter la banque de données. L'expérience sur PARASOL s'est focalisée sur : . L'analyse des signatures radar des missiles ARM, en particulier la stabilité temporelle, 1 . Le bénéfice d'antennes fixes, à large secteur de couverture, privilégiant une cadence et un renou- vellement d'information élevés. PARASOL a été testé dans différentes configurations d'essais entre 1995 et 2000. Ces essais ont permis de valider le concept et les performances d'un alerteur de missile anti-radar. Le dispositif peut être utilisé comme alerteur, indépendamment des autres capteurs, ou être intégré comme mode spécifique à un système d'alerte global de défense aérienne. i -" " -- - " " -'Ir -,,- - - " "', '-.j}' - - "'..-.. Figstre 19. PARASOL (VHF). A C ' : ,'\<, ".. --- -',, ; ; " "',, ",\ _. ',,-'- !' - ? i'-,....,. Figbire 20. RABIT (HF). REE N 1 Mars 2005 . " m q,, ï ;, s t e Fi,) LES RADARS ',- " ,' " o- k `tii.a l 4W P ,y, 7 3f' ' t.u rprr t'. *. er, x a. _, yPy s. E.o: ty , - : ++ : " '.frv43 (^i, Tvç b " -, ci, (. 5 " 46 3 K1t,. .,'k (a x $ rt tk rx,x y, y L·<.. ^tâa v ". Figure21. CUIRACE(UHF). 7.4. Rabit RABIT (Radar bistatique tactique) est une barrière électromagnétique destinée à combler les trous de couvertures dans le réseaude défenseaérienne. C'est un dispositif reposant sur une technologie « bas coût » qui peut protéger dessites de hautevaleur face à desmenaces de cible bassealtitude. Il fonctionne dans la bande HF et a été testé entre 1994 et 1998. 7.5. Cuirace CUIRACE (Capteur UHF d'information et de renseignement de l'avant sur cibles embusquées,(figure 21) a fait l'objet de travaux chez Thales entre 1998 et 2004. Un démonstrateur fonctionnel a été développé puis testé par les Forces françaises. Le démonstrateur,installé surunVAB, permetdeconduiredesessais dansdesconditions expérimentalesréalistes. La mission assignéeau radarestde produire une alerte locale (au niveau du blindé) en vue de préparer la riposte à des menaces qui ne sont pas détectées par les radars classiques du champ de bataille (en particulier les cibles masquéesou les cibles de faible section efficace radar). 7.6. Roma Le démonstrateur radar ROMA a été développé conjointement par Thales et l'ONERA entre 2000 et 2004. L'objectif estdepréparerle développementd'un futur radar d'alerte à moyenneportéeenbandeUHF, en vuededétecter et localiserdescibles furtives. La figure 22 présentele radar dont l'antenne a été installée sur la cabine d'un semi- remorque.Desessaisindustrielsont étéconduitsavecsuccès entrejanvier et juin 2004. Des essaismenéspar les Forces arméesfrançaisessont égalementprévusen 2005. i .,. -....,... .' ! " Figiti-e 22. ROMA (UHF). 7.7. Synthèse Les propriétésantifurtives desondesbassesfréquences et l'évoJution des menaces(cibles) ont conduit à l'étude et au développement de plusieurs types de radars basse fréquence pour des applications de surveillance du champ de bataille ou de surveillance aérienne. En basse fréquence, les techniques et technologies sont désormais bien maîtrisées et les travaux futurs devront s'attacher à optimiser le couplage entre ces radars basse fréquence et les radars hyperfréquence conventionnels. 8. Radars passifs En bassesfréquencesil est nécessairede considérerle problèmedel'occupation spectrale: lesbandesde fréquence REE N., Mars 2005 Les dernières décennies et le futur du radar basse fréquence en France sont depuis toujours utilisées à des services de radiocom- munication, télédiffusion, ou radionavigation aéronautique. Indépendamment du problème de l'allocation de fréquence (qui malheureusement n'est pas limité à « la basse fréquence »), l'analyse des signaux de radio- communication susceptibles d'être utilisés en détection bistatique passive est intéressante à différents titres : discrétion, antifurtivité, accès gratuit à la ressource spectrale. Les premiers signaux utilisés ont été ceux de la télévision analogique (VHF, UHF), également de la radio (HF), dans une application transhorizon où la détection de cible aérienne à très basse altitude a été démontrée, jusqu'à une distance double de l'horizon radioélectrique (concept Nostramarine [7]). L'évolution des technologies de radiodiffusion avec notamment l'apparition du standard OFDM (Orthogonal c Frequency Division Multiplex) est décisive en matière de radar passif. L'utilisation de cette technologie permet une mesure précise de la distance comme en attestent plusieurs validations expérimentales effectuées sur signaux DAB. Les techniques de codage OFDM sont également utilisées en télécommunications. Elles seront utilisées également pour la radiodiffusion en ondes courtes (en remplacement à long terme de la MA-BLU) dans le cadre du standard DRM (Digital Radio Mondial, [7]), où elles apporteraient non seulement la qualité de la haute fidélité dans un canal HF de 8,33 kHz mais également une révision possible des performances du concept radar passif " Nostramarine " avec une meilleure précision de localisation en distance. Le domaine de la détection passive doit suivre les évolutions des technologies duales, notamment depuis l'adoption par les concepteurs de système de radiocom- munication de formes d'onde numériques, parfaitement synchronisées et donc utilisables en radar. Une partie importante de l'activité sur la détection passive a été menée dans le cadre de coopérations entre l'ONERA et Thales Air Defence avec l'objectif de déve- lopper un démonstrateur de modes passif. 9. Conclusion Entre les premiers radars transhorizon HF développés à l'époque de la guerre froide et les radars basse fréquence actuels, les évolutions ont porté sur de nouvelles archi- tectures et configurations d'antennes qu'il est désormais facile de gérer ou de contrôler par le traitement du signal, grâce aux performances des processeurs actuels. Capable de fonctionner en monostatique ou en bistatique, avec une antenne creuse ou de forme arbitraire, le radar basse fréquence d'aujourd'hui sait aussi s'adapter aux effets de propagation, particulièrement importants à prendre en compte, notamment en HF ou VHF. Les radars HF sont spécifiques. A ondes de ciel, ils correspondent à un besoin d'alerte très longue portée ; ils profitent des effets de la réfraction de propagation ionosphérique, mais en subissent également les aléas. Ces radars existent actuellement (de manière connue) en nombre très limité. Les radars à ondes de surface sont bien moins sujets aux fluctuations de la propaga- tion, mais exigent une installation proche de la surface de la mer. Le concept est également envisagé dans une version embarquée sur bateau, où il permettrait de four- nir une alerte précoce au radar classique, dans le but d'augmenter le préavis de réaction du bateau vis-à-vis d'une menace basse altitude. Cette application est l'ob- jet d'une coopération entre l'ONERA et Thales Air Defence. Dans les bandes VHF et UHF, les concepts de radar multi-applications sont envisageables. La surveillance des cibles est possible dans un très large secteur, sans augmentation notable de la période de renouvellement de la veille. Le radar basse fréquence peut être utilisé comme alerteur et faciliter le pré-poiutage du radar classique. Les applications très longue portée (dont GRAVES peut être considéré comme un démonstrateur), moyenne portée ou courte portée, tirent le même avantage des basses fréquences, en termes de bilan énergétique et de secteur couvert. Le domaine de la détection passive est à cultiver. Autrefois analogiques, les signaux d'opportunité pouvant c t " se prêter " gratuitement à une utilisation radar devien- nent numériques. L'emploi des émissions OFDM illustre l'intérêt des modulations numériques synchronisées, autrefois réservées au domaine du radar : privilège retrouvé, dans une bande de fréquence dont 95 % des canaux ne peuvent être alloués au radar' êti e Remerciements ,1-eqtietic-e ojit't' Les trctvaux.sur les radars bas.se,fi-eguence or2t été ,fiiiaiicés diti- (iiit les 25 dei-iiièj-es tiiiiiées, pi-iiic-il) aleiiieizt pcil- Ici DGA (eiz pcii-ticliliei- Iti DREI : (iii,ioiii-ti'liiii le SI'TC, le SI>A et le SPOTL). Les cititetii-s tieiiiieizt (1 l'elliei,- cier Jean l,lic ZOLESIO, Jetiii-Liie CANNIC, Clii-istiaii CAVALLARI Éle Tli (iles I) oiii- leiii-s (,oiiti-ibiitioiis cilix travaux sur les radars tactiques basse fréquence, ainsi cliie Stélhtiiie SAILI,ANT et Géi-ai- (l GARNIER de l'ONERA I) oiii- leiii-s coiiti-iblilioiis j-espec-li,e,y ciii-V projets NOSTRADAMUS et GRAVES. Références [11 J. DOREY,Y. BEANCHARD,F. CHRISTOPHE- "Le projet RIAS, une approche nouvelle du radar de surveillance aérienne" - Colloque International sur le radar, Versailles, 21-24 mal 1984. RLE N l 200-5 i\,lars 1005 M Dossîer LES RADARS 21 M. LESTURGIE - "Applications des antennes à conjugai- son de phase " - Séminaire'ANTENNES NON STANDARD - TECHNIQUES ET TRAITEMENTS'- 20-21 mars 2001. 131 S. SAILLANT, G. AUFFRAY, P. DOREY - " Exploitation of elevation angle control for a 2-D HF skywave radar ", Radar conference 2003, Edimburgh - Australia [4] B. OLiVi ER, JL ZOLESIO - " Interests and capabilites of low frequencies for surface radars " - Colloque international sur le radar, Brest - 1999. [5J M. LESTURGIE, JL ZOLESIO - " Low frequency radardesign trade offs " -Workshop ODAS 2001, Paris. [6] M. KERAMBELEC, M. HURTAUD, KUSHEL, CAVALLARI - " On the verification of beyond the hOT/zon detectlOn capa- bilities of VIUHF radars " - Colloque international sur le radar, Brest - 1999. 171 M. LESTURGIE, M. FLECHEUX - " Nostramarine : un concept de détection multistatique adapté à la surveillance des cibles basse altitude " - AGARD - CP 595 - 1997. 181 D. POULLIN - " On the use of COFDM modulation for pas- sive radar applications " - Workshop on passive and LPI radio frequency sensors - Warsaw, Poland - 23-25 April 2001. 9] http ://v\/\/vw,drm.org/ [10] G. OCCHIPINTI - " Nostradamus, a new ionosphere seis- mometer " - RADAR 2004 - Toulouse. reun Ed mu Marc Lesturgie est diplômé de l'Ecole nationale supérieure de l'aéronautique et de l'espace (SupAero). En 1985, il rejoint l'ONERA en 1987 comme ingénieur de recherche. Il accomplit les fonctions de chef de subdivision puis de chef d'unité de recherche (1997) dans le domaine des " Nouveaux concepts radar ". Il est également adjoint au directeur d'un nouveau labo- ratoire créé à SUPELEC llaboratoire SONDRA, associant l'ONERA, SUPELEC et l'université de Singapour). Depuis 1999, Il est président du Club 23 de la SEE (Détection, localisation, navigation) et vient d'organiser la conférence interna- tionale sur les systèmes radar (Radar 2004) en tant que président du comité scientifique. Il est depuis décembre 2004 membre émérite SEE Auteur d'une cinquantaine de communications, publications ou notes scientifiques, et également de 7 brevets dans le domaine des nouveaux concepts de détection électromagnétique ; il est aussi conférencier dans plusieurs universités ou écoles, françaises ou étrangères Jean-Pierre Eglizeaud est ingénieur chef de projet à l'ONERA, responsable des radars RIAS et GRAVES. Gilles Auffray est tngénieur à l'ONERA, responsable unité basse fréquence. Christian Dethote est diplômé de l'Ecole nationale supérieure des télécommunications de Paris (ENST) en 1978 Il a commencé sa carrière à l'ONERA comme ingénieur de recherche puis a rejoint THALES en 85 où Il a accompli les fonctions de chef de groupe puis de chef département dans le domaine des " Nouveaux concepts radar " avant de devenir en 2000, l'adjoint au directeur technique des radars de surface de THALES. En 2004 il rejoint le ministère de la Défense pour devenir en 2005 le responsable de la détection électromagnétique à la direction de l'expertise technique de la DGA, ainsi que le représentant français à l'organisation européenne CEPAL et au SET/OTAN. Il est l'auteur d'une trentaine de communications, publications ou notes scientifiques, dans le domaine du traitement du signal radar et des nouveaux concepts de détection électromagné- tique, et de 11 brevets dont 4 ayant reçu le diplôme THALES des meilleures inventions. REE NO 3 Mars 2005