Principe de fonctionnement d'un radar météorologique
La mesure radar repose sur le principe de la réflexion des ondes électromagnétiques par certains objets que nous nommerons cibles. Le radar météorologique est utilisé pour mesurer la puissance rétrodiffusée par un ensemble de gouttes de pluie.
Notons dès à présent que les radars météorologiques ne mesurent pas d'intensité de précipitation (mm/h), mais déduisent de la mesure de la puissance rétrodiffusée une réflectivité radar.
L'intensité des précipitations sera ensuite déduite à l'aide d'une conversion réflectivité – intensité (la loi Z-R) ou R-Kdp lorsque le radar est équipé de double polarisation.
Cette onde est caractérisée par :
- P : puissance à l'émission
- f : fréquence
- t0 : instant d'émission
- 
: durée d'impulsion du signal d'émission
L'onde émise se propage a priori de manière isotrope, c'est-à-dire dans toutes les directions.
Cependant, on aura tendance à privilégier une direction particulière vers laquelle on concentrera la puissance du signal. Pour cela, on utilise un dispositif directionnel : une antenne.
Dans le cas d'un radar monostatique, la parabole sert à la fois d'antenne émettrice et réceptrice. Pour que le système fonctionne, il faut émettre une onde électromagnétique dans l'atmosphère et attendre qu'elle nous revienne. L'émission est donc non continue (impulsionnelle). Il faut également envoyer suffisamment de puissance pour que le signal de retour, très affaibli, parvienne à l'antenne.
Notons les ordres de grandeur des puissances à l'émission et à la réception :
Pémission = 106 W Pdétectable = 10-9 W
Un peu de technologie
Un radar est formé des différentes composantes suivantes :
- L'émetteur génère l'onde radio.
- Un guide d'onde amène l'onde vers l'antenne.
- Le duplexeur dirige l'onde vers l'antenne lors de l'émission ou le signal de retour depuis l'antenne vers le récepteur lors de la réception quand on utilise un radar monostatique.
Il permet donc d'utiliser la même antenne pour les deux fonctions. Il est primordial qu'il soit bien calibré, puisque la puissance du signal émis est de l'ordre du mégawatt, ce qui est trop important pour le récepteur qui, lui, traite des signaux d'une puissance de l'ordre de quelques nanowatts. Au cas où l'impulsion émise serait redirigée vers le récepteur, celui-ci serait instantanément détruit.
- L'antenne a pour rôle de diffuser l'onde électromagnétique dans l'atmosphère et de récupérer cette onde rétrodiffusée par la cible.
- Le récepteur reçoit le signal incident (cible - antenne - guide d'ondes - duplexeur), le fait émerger des bruits radio parasites, l'amplifie et le traite.
- Un étage de traitement de signal permet de traiter le signal brut afin d'en extraire des données utiles à l'opérateur (détection, suivi et identification de cible ; extraction de paramètres météorologiques, océanographiques, etc.). Le tout est contrôlé par le système électronique du radar. Les données obtenues sont alors affichées aux utilisateurs.
Les gammes d'émission
L'interaction entre les ondes électromagnétiques et les gouttes d'eau ne se fait pas avec la même efficacité à toutes les fréquences. On utilise trois types de fréquences centimétriques.
: longueur d'onde en m
c : vitesse de propagation de la lumière en m. s-1
f : fréquence en hertz
La bande X (=2.5 cm)
Les radars « Doppler polarimétriques en bande X » sont des radars de nouvelle génération adaptés aux mesures des précipitations et du vent en montagne.
Le revers de la médaille : un train peut en cacher un autre. Dans cette bande, le signal subit une forte atténuation. Si une deuxième ligne d'orage se situe derrière la première, on ne la détecte pas (le radar est aveuglé par la première bande orageuse).
Par rapport aux autres, c'est un radar dit à faible coût.
En effet, pour disposer d'un faisceau le plus concentré possible, il faut :
- soit utiliser un aérien de grande dimension (on s'approche de la parabole infinie) ;
- soit utiliser une longueur d'onde la plus courte possible car l'angle d'ouverture du faisceau est proportionnel à .
De fait, plus est grand, plus la dimension de l'antenne doit être importante pour avoir un faisceau fin.
En opérationnel, pour un =3cm, on trouve des aériens (antenne du radar) d'un mètre cinquante de diamètre.
Ce radar possède une portée d'environ 60 km.
La bande S (=10cm)
Bande utilisée sous les tropiques et sur l'arc méditerranéen.
Détection des précipitations à caractère intense (averses).
Inconvénients : écho faible (moins d'interaction onde/gouttes) ; bruit atmosphérique et électronique important par rapport au signal utile rétrodiffusé.
Solution :
- émettre plus de puissance ;
- optimiser le rapport signal/bruit :
- construire un aérien de plusieurs mètres de diamètre... mais :
- il est difficile à concevoir (plus lourd, plus rigide, nécessité de produire une parabole exacte) ;
- il faut un moteur plus puissant pour faire tourner l'ensemble ;
- il offre une résistance plus importante face au vent.
La bande C (=5 cm)
Nous venons de voir les deux cas extrêmes. Dans un souci de recherche d'un meilleur rapport qualité/prix, on a opté pour l'utilisation de radars en bande C.
Cette bande est utilisée en plaine pour la détection des précipitations stratiformes.
Elle offre un bon compromis entre les deux autres bandes de longueurs d'ondes.
À cause de l'écran des reliefs, ce réseau de radars ne voit pas correctement les précipitations sur les massifs.
La portée radar
Portées maximale et minimale théoriques
On appelle période de récurrence Tr le temps séparant deux débuts d'impulsion.
Nous déterminons ainsi les portées maximale rM et minimale rm :
À titre d'exemple, calculons les portées maximale et minimale dans le cas où Tr = 3ms et = 2μs.
rM = 450km et rm = 300m
Remarque :
La portée maximale théorique, dans l'exemple ci-dessus, est de 450 km. En réalité, pour des raisons de qualité de la mesure, les radars de Météo-France ont une portée de 250 km ; à des fin hydrologiques, cette portée est réduite à 100 km.
