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Radars de détection et prévision entièrement numériques : une nouvelle technologie pour sauver des vies

    Et s’il était possible de détecter une tornade avec un plus haut degré de confiance plusieurs minutes avant que l’entonnoir touche le sol et représente un grave danger pour les populations et l’environnement, puis de suivre sa trajectoire au sol avec une précision nettement accrue??

    Aujourd’hui, une équipe composée de météorologues, de spécialistes des données et d’ingénieurs de l’ARRC, le centre de recherche avancée sur les radars (Advanced Radar Research Center) de l’Université d’Oklahoma, collaborent avec Analog Devices Inc. (ADI) pour concevoir, fabriquer, tester et mettre en service un système radar polarimétrique à commande de phase entièrement numérique de nouvelle génération. Financée par le laboratoire de recherche sur les orages violents NSSL (National Severe Storms Laboratory) rattaché à l’Administration nationale océanique et atmosphérique NOAA (Oceanic and Atmospheric Administration), cette percée technologique permettra de surveiller en temps réel, ainsi que d’améliorer le niveau de prévision et de détecter des phénomènes météorologiques violents plus rapidement que jamais.

    «?Avec ce système radar avancé, nous pouvons visualiser en détail la structure d’une tempête et détecter les vents tournants de façon précoce, ce qui permet d’anticiper les alertes, de réduire les risques de blessures et de mieux protéger les populations?», explique Bob Palmer, professeur de météorologie et directeur exécutif de l’ARRC.

    Les radars de nouvelle génération mis au point par l’ARRC doivent surmonter d’importants obstacles de dimensions, de poids, de consommation et de coût, mais aussi relever des défis majeurs en matière de puissance de calcul.

    EN BREF

    Le Centre de recherche avancée sur les radars (ARRC)

    Créé en 2005 sur le campus de l’Université d’Oklahoma, le Centre de recherche avancée sur les radars (Advanced Radar Research Center – ARRC) est le principal établissement universitaire dédié à l’amélioration de la sécurité, de la sûreté, de la qualité environnementale et de la prospérité économique grâce à des activités de recherche et développement consacrées aux radars avancés.

    La technologie

    Une solution radar qui allie un temps de latence réduite à une résolution, une précision et une qualité de données accrues. L’utilisation d’une technologie avancée de traitement du signal, d’un radar à commande de phase et d’algorithmes d’extraction améliore l’observation des tempêtes les plus violentes.

    Les défis

    Repousser les limites de la technologie en proposant une solution fiable au coût optimisé qui s’appuie sur de solides principes scientifiques et technologiques. Permettre la mise en place d’émetteurs-récepteurs et d’architectures de formation de faisceaux à commande de phase et à grande échelle entièrement numériques dans le but de réduire les dimensions, le poids et la consommation d’énergie.

    Les objectifs

    Prévenir les pertes de vies humaines et les dégâts matériels grâce à des moyens de détection plus performants et à des modèles de prévision perfectionnés. Appliquer la nouvelle technologie radar à un large éventail d’applications pour observer les risques naturels et d’origine humaine. Réduire les risques grâce à une meilleure connaissance des phénomènes naturels.

    Dans l’œil du cyclone

    Le centre de recherche AARC est situé sur le campus de l’Université d’Oklahoma (cliché © ARRC)

    Le centre de recherche AARC est situé sur le campus de l’Université d’Oklahoma (cliché © ARRC)

    Le Centre de recherche avancée sur les radars ARRC se trouve à Norman, dans l’État de l’Oklahoma, dont la particularité est de détenir le record du monde de tornades. C’est ici qu’une équipe de chercheurs de l’ARRC développe une solution radar révolutionnaire qui élargit la fenêtre d’identification précoce et de surveillance continue des phénomènes météorologiques violents. Les progrès accomplis en matière de détection précoce permettent de prendre des décisions plus judicieuses, mais aussi de lancer des notifications d’alerte et d’activer des services d’intervention d’urgence plus rapidement en vue de protéger les biens et de réduire le nombre de victimes.

    L’ARRC cherche à étendre l’enveloppe du radar afin de fournir une plus grande précision grâce à une technologie entièrement numérique capable de produire des centaines de faisceaux à commande de phase fortement ciblés qui balayent une zone de façon continue et génèrent des images haute résolution en temps réel. Les applications de la solution entièrement numérique mise au point par l’ARRC sont nombreuses et variées?: amélioration des prévisions météorologiques, recherche météorologique, suivi avancé du trafic aérien, surveillance non coopérative des avions, etc.

    «?Début 2015, l’ARRC a invité ADI à visiter ses installations en vue d’assister à une présentation de son programme de recherche sur les réseaux à commande de phase?», explique Wyatt Taylor, directeur marketing du groupe Multimarket Platform d’ADI. À cette époque, l’ARRC utilisait l’émetteur-récepteur RF Agile AD9361. «?Ce circuit intégré laissait augurer de la possibilité de créer un radar à commande de phase entièrement numérique qui permettrait de détecter plus rapidement des tornades et des orages violents?», précise Matt McCord, ingénieur radar de l’ARRC.

    «?L’émetteur-récepteur AD9371 est devenu le cœur et l’élément fonctionnel central de notre système à commande de phase entièrement numérique.?»

    Matthew McCord, Ingénieur radar, ARRC

    ADI a alors informé le centre ARRC d’un projet concernant le développement d’un circuit intégré de nouvelle génération. Référencé AD9371, ce nouvel émetteur-récepteur RF large bande de haute performance peut remplacer jusqu’à 20?composants discrets tout en minimisant la consommation d’énergie. Le responsable de la technologie de l’ARRC s’est montré intéressé par cette nouvelle solution dont il a pu consulter les spécifications techniques en exclusivité.

    «?Nous avons étudié les possibilités de migration en utilisant des cartes d’évaluation et en abordant les problèmes liés à la calibration?», explique Matthew McCord. «?ADI nous a tenus informés de ses avancées, assuré un support applicatif, organisé des sessions de partage d’informations et fourni divers éléments, notamment des circuits de surveillance de la qualité de l’alimentation, véritables vigies de l’ensemble de notre système, ainsi que l’ADP5054, une solution de gestion de l’alimentation électrique que nous utilisons abondamment.?»

    Projet Horus, Saint Graal de l’observation météorologique

    Le camion mobile Horus transporte le radar à commande de phase entièrement numérique de l’ARRC (cliché ARRC)

    Le camion mobile Horus transporte le radar à commande de phase entièrement numérique de l’ARRC (cliché ARRC)

    Radars entièrement numériques?: un formidable pas en avant

    Les systèmes radar à commande de phase entièrement numériques permettent de générer davantage de faisceaux et de suivre un nombre de cibles beaucoup plus important en bénéficiant d’une résolution nettement supérieure aux radars existants.

    À l’image de leur homologue analogique, les commandes informatiques de cette solution entièrement numérique orientent le faisceau radar pour permettre au système de balayer rapidement des zones soigneusement délimitées sans avoir recours à des matériels mécaniques, moteurs et autres paraboles tournantes. Or, les performances des antennes à commande de phase analogiques sont limitées par l’utilisation de composants matériels. Les systèmes analogiques peuvent uniquement créer quelques faisceaux RF ou «?tranches?» verticales, ce qui limite à la fois la résolution et le nombre de cibles suivies à un instant?t. En plus de surmonter ces limites, les systèmes numériques peuvent s’enrichir de nouvelles capacités par simple mise à jour logicielle.

    Radars analogiques et classiques en 2D
    Un radar classique génère un nombre limité de faisceaux horizontaux, produisant une «?tranche?» d’informations basse résolution.

    Imagerie 3D entièrement numérique
    En générant de nombreux faisceaux à la fois dans les dimensions horizontales et verticales, un système entièrement numérique produit un grand nombre de «?tranches?» haute résolution qui révèlent des informations extrêmement détaillées.

    «?De manière générale, les performances des radars météo analogiques traditionnels sont suffisantes pour détecter l’emplacement, l’intensité et les mouvements d’une tempête, mais leur résolution temporelle et leur couverture spatiale s’avèrent insuffisantes pour observer et prévoir avec précision des épisodes météorologiques plus intenses?», explique David Bodine, chercheur et professeur-adjoint de météorologie à l’ARRC. «?Pour percevoir avec précision l’environnement orageux qui nous entoure, un radar doit le visualiser par «?tranches?» haute résolution dans les dimensions horizontale et verticale, et ce, dans les plus brefs délais.?»

    Le numérique dans son élément

    L’approche «?digital at the element?» («?numérisation de chaque élément?») rend possible ce bond en avant vers le tout-numérique dans le domaine de la détection en utilisant un puissant circuit intégré de conversion de données en appui de chaque antenne («?élément?»). Un système radar à commande de phase entièrement numérique de grandes dimensions peut compter jusqu’à 20?000 éléments d’antenne et exiger plusieurs milliers de convertisseurs de données. «?Le niveau d’intégration de l’émetteur-récepteur RF large bande AD9371 d’ADI nous a permis d’appliquer l’approche entièrement numérique au niveau de chaque élément.

    Auparavant, les dimensions et le coût auraient explosé, sans compter le recours à un petit datacentre et à plusieurs milliers de câbles. Un véritable cauchemar pour toutes les parties prenantes?! Avec le circuit AD9371 d’Analog Devices, nous disposons de la technologie idéale?», se félicite Matthew McCord.

    Les «?signaux?» rayonnants émis par le système entièrement numérique peuvent être dirigés électroniquement, ce qui permet de contrôler comment, quand et dans quelles directions le balayage est effectué.

    Créer des faisceaux à partir de faisceaux

    En technologie entièrement numérique, les faisceaux sont formés numériquement au cours de la période de post-traitement des données. Il convient d’attendre que le convertisseur analogique/numérique (ADC) ait ingéré la totalité des données reçues en retour pour que les faisceaux soient créés par simple application de calculs mathématiques. «?On peut effectuer autant de calculs que souhaité pour créer autant de faisceaux que nécessaire?; il suffit de relancer le calcul. De même, le niveau de résolution temporelle peut être accru de façon spectaculaire en divisant les faisceaux en faisceaux supplémentaires?», précise Wyatt Taylor, directeur marketing du groupe Multimarket Platform d’ADI.

    Cette numérisation permet d’«?éclairer?» une région du ciel où se produit un orage avant de créer d’autres faisceaux par post-traitement en temps réel en ciblant une zone plus précise pour identifier l’emplacement de différents phénomènes — grêle, précipitations intenses ou tornade en phase de formation.

    Un radar à commande de phase entièrement numérique permet de créer de multiples faisceaux qui révèlent les objets dans leurs moindres détails. Les faisceaux sont créés à la réception du signal renvoyé. Plus le nombre de faisceaux est élevé, meilleures seront la qualité des données et la clarté de l’image.

    «?La numérisation des radars à commande de phase au niveau de chaque élément d’antenne représente un bond en avant considérable en termes de capacité?», Matthew McCord, Ingénieur Radar, ARRC, Norman, Oklahoma.

    Détecter la formation précoce d’une tornade

    Les tornades constituent un phénomène météorologique complexe et qui évolue rapidement. Pour en percevoir la trajectoire et connaître le type de dommages qu’elles peuvent provoquer, il convient de les observer en détail à des intervalles mesurés en secondes. La technologie d’imagerie radar actuelle permet de transformer les données radar d’images fixes basse résolution en films majoritairement réalisés en haute résolution qui permettront aux météorologues de suivre les évènements en temps réel. En actualisant les données en quelques secondes au lieu de plusieurs minutes, la technologie entièrement numérique offre aux scientifiques et aux chercheurs la possibilité d’observer ce phénomène en temps réel.

    «?Il existe actuellement deux types de radars météorologiques?: les premiers qui fournissent des données rapidement tandis que les seconds fournissent des données assorties de nombreux détails spatiaux. Ces deux types de radar n’avaient encore jamais été associés. C’est aujourd’hui chose faite?», David Bodine, chercheur et professeur-adjoint de météorologie à l’ARRC.

    Domaines d’application des radars entièrement numériques

    Contrairement aux modèles traditionnels, les radars entièrement numériques peuvent être pilotés de façon adaptative, ce qui permet d’obtenir des diagrammes d’antenne définis par logiciel et une capacité de programmation à la volée. «?Ces radars sont littéralement à l’épreuve du temps, dans la mesure où il est possible de programmer de nouvelles applications par mise à jour logicielle et non plus en remplaçant le matériel existant?», se réjouit Bob Palmer, professeur de météorologie et directeur exécutif de l’ARRC. De futures innovations de format et de consommation permettront à cette technologie de s’imposer sur différents marchés, avec notamment la possibilité de créer des solutions évolutives dont les avantages socio-économiques ne manquent pas.

    Neutralisation des essaims de drones

    Un système radar entièrement numérique est capable de suivre plusieurs milliers d’objets simultanément sous la forme de points spatio-temporels accompagnés d’informations déclinant leur identité. Si une menace occupe une grande partie du ciel, un radar classique est incapable d’indiquer s’il s’agit d’un objet de grandes dimensions ou d’un millier de petits objets.

    Aéronautique

    Grâce aux solutions d’imagerie haute résolution, les contrôleurs du trafic aérien peuvent intégrer les avions en toute sécurité dans des schémas de navigation plus denses, ce qui accroît la capacité de l’espace aérien à exploiter davantage de routes tout en améliorant l’efficacité et les performances économiques.

    Espace

    Cette technologie permet de réaliser des solutions de formation de faisceaux numériques destinées aux communications satellitaires (satellites définis par logiciel de nouvelle génération, faisceaux intelligents et flexibilité accrue des caractéristiques des faisceaux et du nombre de zones couvertes simultanément). Parmi les autres applications majeures des radars numériques, citons le suivi et la caractérisation des débris spatiaux («?déchets spatiaux?») tels que les satellites non fonctionnels, les étages de lanceurs abandonnés et, plus nombreux, les débris de fragmentation provenant de la désintégration de corps de fusée et d’engins spatiaux défunts. En janvier 2021, la présence de quelque 21?901 objets artificiels a été signalée en orbite au-dessus de la Terre?; il s’agit uniquement d’objets dont les dimensions sont suffisantes pour être suivis avec la technologie actuellement disponible. Le risque est bien réel, dans la mesure où la collision avec un objet, même de taille modeste, voyageant à vitesse orbitale peut détruire un vaisseau spatial et mettre en danger une mission habitée.

    Surveillance

    Aide accrue à la surveillance critique pour la protection des sites et actifs gouvernementaux et militaires.

    Radars à double usage

    Augmentation de la vitesse, de la sensibilité, de la planification des balayages et de la flexibilité des faisceaux larges/étroits. Cette solution permet à des organisations telles que le service météorologique national de la NOAA ou à l’Administration fédérale de l’aviation américaine (FAA — Federal Aviation Administration) d’utiliser un unique système radar intégré capable d’accomplir le travail de deux.

    Prévisions météorologiques

    De meilleurs relevés fournissent de meilleures données aux modèles météorologiques, ce qui affine les prévisions et permet de lancer des avis de tempête de façon plus précoce, augmentant ainsi le niveau de sécurité et d’efficience des modes de transport maritime, aérien et terrestre.

    «?Nous nous efforçons de rester au fait des technologies développées par ADI dans l’optique de futures opportunités de collaboration?», Bob Palmer, Directeur exécutif de l’ARRC.

    Source : com-trail.fr

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