Radar et effet Doppler

[Gwinver]

Bonjour.

L'équation du RADAR donnée en #51 :

l'équation du radar : Ar = 103,4 + 20 log f + 40 log d – 10 log s

est en "10*log" pour la surface, un doublement produit un gain de 3 dB.
-----

[gts2]

si la section radar de la cible est multipliée par deux, les échos renvoyés vont augmenter de 6 dB?

3 dB plutôt non ? 10 x log(2)=3

EDIT : @Gwinver a déjà répondu.

[Yvan_Delaserge]

Bonsoir.

J'ai trouvé cet article sur des expérimentations sur la détection de l'ISS au RADAR.
On y apprends que la section RADAR est de 200 m², et la vitesse radiale varie entre 2000 m/s et 7000 m/s.
L'altitude varie entre 384 et 396 km, un tour de terre s'effectue en 92 minutes.

https://conference.sdo.esoc.esa.int/...C6-paper69.pdf

Par ailleurs, la page 11 de ce doc :
https://www.ll.mit.edu/sites/default...ecture%204.pdf

donne quelques valeurs de sections RADAR d'avions de ligne, environ 100 m² pour un gros porteur et 40 pour un avion de taille intermédiaire.

Voilà deux articles fort intéressants. Merci Gwinver.
En particulier le tableau d'exemples de section radar.

Je me demandais si la section radar de l''ISS pourrait être "artificiellement"augmenté e par l'éventuelle présence d'une structure métallique résonnante à 143,050 MHz, la fréquence de GRAVES. Par exemple une antenne. L'article du MIT mentionne la présence d'antennes dans le calcul de la RCS.

Supposons que DEUX antennes de ce type de trouvent sur l'ISS, séparées de quelques mètres. Au cours d'un passage, l'orientation de l'ISS varie, pour un observateur au sol. Les échos en provenance des deux antennes vont donc arriver au niveau de l'observateur terrestre, tantôt en phase, tantôt en opposition de phase.
Serait-ce l'explication pour la trace discontinue observée sur la photo ci-dessus?

[Gwinver]

Bonsoir.

Pas vraiment sûr de l'effet.
A priori, un ensemble antenne/récepteur accordé sur une fréquence se comporte comme un absorbant à cette fréquence puisque le but est de recueillir le maximum possible de puissance pour le récepteur.

Il est possible que la discontinuité soit liée aux caractéristiques de l'émission.
L'émetteur est à balayage électronique, dans ce cas, l'écho ne se produit que lorsque le pinceau émis rencontre l'ISS.
Les caractéristiques du balayage sont données dans ce doc :

https://conference.sdo.esoc.esa.int/...4-paper122.pdf

tes).
The transmission is implemented using a phased array
and the reception by a technique of digital beam forming.
The system developed by ONERA comprises four
panels of transmission antennas, each covering 45°
azimuth in approximately 20 seconds with a beam of
aperture 8° in azimuth and 20° in elevation. The zone
covered extends over 180° azimuth. Strictly, the coverage
should be 360 degrees; however, it has been shown in
simulation that a coverage 180 degrees azimuth allows
the detection of each satellite at least once every 24
hours

[Yvan_Delaserge]

Ce document est très intéressant. Il donne des détails sur l'antenne de réception.



L'angle d'ouverture du diagramme de réception= 70 x longueur d'onde / diamètre.
A partir de l'angle d'ouverture du diagramme de réception, de l'ordre de 2 degrés selon le document, on peut déduire que le diamètre du disque métallique doit être de l'ordre de 70 mètres, ce qui se confirme en le comparant à la taille des voitures visibles en bas à droite.
Dans ces conditions, le gain de l'antenne à 143 MHz doit être de l'ordre de 39 dB, si je calcule bien.
C'est bien de l'ordre de ce que nous évoquions plus haut dans ce fil.

Ils parlent aussi de l'énorme quantité de données à traiter. Ca ne m'étonne pas. Ils ne le disent pas, mais j'imagine que le trafic aérien doit pas mal contribuer à leur "brouiller l'écoute"!

Un document vraiment très intéressant. La traduction en anglais est parfois un peu difficile à comprendre. Vu les tournures utilisées, à n'en pas douter, le document initial était en français. Je me demande s'il est disponible.

[Kondelec]

Dans ces conditions, le gain de l'antenne à 143 MHz doit être de l'ordre de 39 dB, si je calcule bien.
C'est bien de l'ordre de ce que nous évoquions plus haut dans ce fil.

C'est l'ordre de grandeur qui avait été calculé pour l'ISS, sauf qu'en pratique GRAVES permet de détecter des objets en orbite basse à partir de 10cm, donc non ce n'est pas ce qui avait été calculé plus haut.

[Gwinver]

Bonjour.
L'article donne aussi l'ouverture à 3 dB : 2°.
il existe une formule approchée donnant le gain en fonction de l'ouverture :

https://fr.wikipedia.org/wiki/Gain_d%27antenne

Donc : GdB = 10 log (41000 / 2²) = 40 dB

La photo montre que les éléments sont des doublets verticaux regroupés par 4:


L'utilisation normale est avec un certain angle relativement au plan métallique, ce qui a une influence sur le gain.

Probablement pour assurer le balayage.

[Yvan_Delaserge]

C'est l'ordre de grandeur qui avait été calculé pour l'ISS, sauf qu'en pratique GRAVES permet de détecter des objets en orbite basse à partir de 10cm, donc non ce n'est pas ce qui avait été calculé plus haut.

Vous avez raison, le "trou" dans le bilan de liaison était encore plus important.
Lors de vos essais, quel logiciel utilisiez-vous?

[Kondelec]

J'utilise SDRUno

[Gwinver]

Bonjour.

On sait que le système est capable de détecter un objet de 10 cm (soit une surface de 0.01 m²) de côté à 1000 km d'altitude.
Il est donc possible d'en déduire la différence en dB avec le cas de l'ISS d'un surface de 200 m² en utilisant les équations du radar donnée en #51 : De même en appliquant l'équation du radar : Ar = 103,4 + 20 log f + 40 log d – 10 log s



L'écart est de près de 59 dB pour une réception dans les même conditions.
Le gain de l'antenne de GRAVES étant de 40 dB, l'espoir est permis pour détecter l'ISS avec une petite antenne.
Le gain de l'antenne est connu, mais pas les performances du traitement de signal.
Il faudrait aussi connaître le facteur de bruit du SDR, d'après mes recherches rapides sur le web ~ 6 dB en VHF.
Si c'est avéré, un petit ampli faible bruit pourrait permettre de gagner en sensibilité

[Yvan_Delaserge]

J'utilise SDRUno

Je m'aperçois que Gwinver a eu la même idée que moi.
Avec une antenne de 40 dB de gain, GRAVES arrive à détecter un objet de 0,01 mètre carré de section radar.
Le rapport entre 0,01m carré et 200 m carrés est de 43 dB.
Mais l'ISS est à 400 Km d"altitude, pas à 1000.
Par conséquent, les échos de l'ISS devraient être détectables avec une antenne sans gain (omnidirectionnelle).
Mais la puissance des échos de l'ISS devrait être bien plus faible que ceux des avions.
Avec SDRuno, vous devriez pouvoir afficher les traces de l'ISS et des avions côte a côte.
Si vous remettez votre installation en route, je serais très interessé si vous vouliez bien nous présenter une copie d'écran.
Par ailleurs, avez-vous essayé de capter des échos de GRAVES en provenance de la Lune?

[Kondelec]

Non je n'ai jamais essayé sur la lune ; à la base je voulais dédier cette installation à la détection et au comptage des étoiles filantes, mais le projet est un peu à l’arrêt depuis un moment.

[Yvan_Delaserge]

Mon installation est encore en fonction. Je vais refaire des essais.



Comme le faisceau d'émission de GRAVES se situe en-dessous de 20 degrés d'élévation, je vais essayer de monitorer les passages de l'ISS plutôt au sud de chez moi.

[Yvan_Delaserge]

Je crois avoir capté quelque chose qui pourrait bien être des échos en provenance de l'ISS.



Il s'agit de la trace horizontale incurvée, visible sur la gauche de l'image.
Par un heureux hasard, le soft SDR# que j'utilise a inséré ses marques de date et heure ä 23 h 02 et à 23 h 09, soit pile les heures des prévisions de début et fin de passage de l'ISS, indiquées par le site Heavens Above.

Au début du passage, on n'a pas de trace visible. Si elle l'était, elle devrait se trouver sur la droite de l'écran, vers les fréquences élevées. Mais on voit qu'à 23 h 02, on n'a pas de trace à cet endroit-là. A ce moment, l'ISS se trouvait à l'ouest-nord-ouest de chez moi.

A 23h 05, l'ISS se trouvait presque pile au-dessus de chez moi, puisque son élévation était de 89 degrés. Son décalage Doppler devait être à ce moment-là de zéro. Mais toujours aucune trace visible.

Mais tout de suite après, on commence à voir une trace continue émerger su bruit et sa puissance va en augmentant, bien que restant très faible. SDR# est réglé pour pouvoir observer les très faibles signaux, au voisinage du plancer de bruit. Les échos des avions peuvent atteindre -30 dB. Ceux de l'ISS doivent se trouver vers -55 dB. Je vais essayer de faire ses mesures plus précises au cours des prochains passages de l'ISS.

La forme de la trace de l'ISS est conforme à ce que l'on attendait, similaire à celle d'un avion, mais avec un décalage Doppler bien plus important. On voit bien les traces des avions, formant une image rappelant une corde torsadée, au voisinage de la fréquence centrale, 143,050 MHz. Leur décalage Doppler n'excède pas 200 Hz.

En revanche, la trace produite par l'ISS à 23h 09, se trouve à 143,043 MHz. Elle présente donc un décalage Doppler de pile 7000 Hz.
Avec une vitesse de 7670 mètres/seconde, on s'attendrait à mesurer un décalage Doppler maximal de 7312 Hz. On en est proche.
A ce moment-là, l'ISS se trouvait à l'est-sud-est de chez moi.

Donc la puissance des échos dépend moins de la proximité que de l'azimut.

C'est bien ce que je m'attendais à voir. Je vais continuer mes observations, surtout lorsque l'ISS passe au sud de chez moi.

Un dernier point est le caractère discontinu de la trace de l'ISS. Probablement le résultat du balayage en azimut de l'émetteur de GRAVES, mentionné dans le dernier document trouvé par Gwinver.

[Kondelec]

Pas mal pour un truc théoriquement impossible à voir.
Tu as utilisé quelle antenne ?

[Yvan_Delaserge]

Une hélice quadrifilaire, mais accordée sur 137 MHz.
Elle est normalement destinée à la réception des satellites météo défilants.
Elle est en polarisation circulaire. Nul doute qu'une Yagi en polarisation verticale pourrait apporter encore une petite amélioration.
Cependant, le point le plus important est que l'ISS se trouve en un point de son orbite où elle est éclairée par le radar, dont les antennes d'émission sont fortement directives.

[Yvan_Delaserge]

Cette image montre les points de la surface du globe survolés par l'ISS. On voit que le latitude maximale de ces trajets est d'environ 50 degrés.

Compte tenu:
1) de la localisation de l'émetteur de GRAVES (en Bourgogne) et du diagramme de rayonnement de ses antennes ( en azimut, faisceau large de 8 degrés, balayage vers le sud de 0 à 180 degrés; en élévation, faisceau de 0 à 20 degrés constant),
2) de l'altitude de l'ISS, 400 Km.
3) De la courbure de la surface terrestre,

Comment déterminer la latitude au-dessous de laquelle l'ISS sera illuminée par l'émetteur de GRAVES?

Il est en effet évident que si l'ISS est en train de survoler Londres, par exemple, elle ne sera pas éclairée par GRAVES. Il faut qu'elle se trouve au sud de l'émetteur du radar. Mais plus au sud de combien?.

De même, si elle se trouve trop au sud, il y aura un moment où elle ne sera plus éclairée, car elle sera sous l'horizon du radar.
Comment calculer ces deux latitudes? Maximale et minimale.

[Gwinver]

Bonsoir.

Compte tenu:
1) de la localisation de l'émetteur de GRAVES (en Bourgogne) et du diagramme de rayonnement de ses antennes ( en azimut, faisceau large de 8 degrés, balayage vers le sud de 0 à 180 degrés; en élévation, faisceau de 0 à 20 degrés constant),

En fait, il est dit que le faisceau a 8° d'ouverture en azimut et 20° en élévation.
Logique considérant qu'il y a 11 éléments en horizontal et 4 en vertical. Les 3 rangées de chaque bord ont moins d'éléments que les 5 centraux. Ce qui indique qu'une part de leur fonction est de "contrôler" les lobes secondaires.
Il reste à déterminer l'élévation du lobe au dessus de l'horizon.
Le papier :
https://conference.sdo.esoc.esa.int/...4-paper122.pdf

Donne quelques indications.

The advantage of the 3 envelope configuration is to
minimise the power emitted compared with that of a one
envelope solution. The power emitted has to reach
satellites at up to 1000 km in altitude (equivalent to a
range of more than 2500 km). If several envelopes are set
up, the envelope at 11,3° is only used to detect the orbits
of 16 orbits per day and needs a range of only
approximately 1000 km. The envelopes at 24,7 and 34,7
degrees are adapted to the orbits of 15 and 14 orbits per
day.

Et un tableau résume ces données:



L'altitude maximale de 1000 km est atteinte avec le pinceau orienté à 34.7° d'élévation.
On peut donc retenir cette dernière valeur pour l'élévation. L'ISS serait donc dans le pinceau depuis une élévation de 25° à 45° depuis le site émetteur, et en principe sur les 180° au sud de l'émetteur.
Il reste un peu de géométrie à faire pour identifier la zone correspondante à une altitude de 400 km.

[Yvan_Delaserge]

J'avoue que j'ai de la peine à comprendre la signification de ce texte. D'où ma remarque plus haut, selon laquelle le texte original en français aurait peut-être quelque peu souffert lors de sa traduction en anglais.

Si j'essaie de retraduire le texte en français, voici ce que j'obtiens:

L'avantage de la configuration à 3 enveloppes est de minimiser la puissance émise par rapport à celle de la solution à une seule enveloppe.
La puissance émise doit atteindre les satellites jusqu'à 1000 km d'altitude (équivalent à une distance de plus de 2500 km).

Jusque-là, tout va bien, mais voici venir le moment où ça se corse:

Si plusieurs enveloppes sont définies vers le haut, l'enveloppe à 11,3° ne sert qu'à détecter les orbites de 16 orbites par jour et nécessite une portée de seulement environ 1000 km.
Les enveloppes à 24,7 et 34,7 degrés sont adaptés aux orbites de 15 et 14 orbites par jour.

Que signifie "détecter les orbites de 16 orbites par jour"? ou "orbites de 15 et 14 orbites par jour"?

Que signifie "définir plusieurs enveloppes vers le haut"?
Que signifie le terme le terme "enveloppe"? Le lobe de radiation de l'antenne d'émission? On vient de dire que le faisceau a 8° d'ouverture en azimut et 20° en élévation.

[gts2]

Que signifie "détecter les orbites de 16 orbites par jour"? ou "orbites de 15 et 14 orbites par jour" ?

La période est liée à l'altitude, 16 orbites par jour, cela donne une altitude de l'ordre de 300 km, et 14 de l'ordre de 900 km.

[Gwinver]

En complément à la réponse de Gts2.

Pour détecter tout ce qui est souhaitable, il y a la solution à une enveloppe, autrement dit un seul lobe d'émission qui balaie un angle assez large dans le ciel, et qui, de plus tire assez bas sur l'horizon.
On voit que l'utilisation d'enveloppes orientées différemment nécessite moins de puissance : à 34.7°, la puissance nécessaire n'est que 11.6% de celle requise pour le système à une enveloppe pour la même distance (1000 km).

[Yvan_Delaserge]

OK, donc "enveloppe" = lobe (principal) du diagramme polaire de rayonnement de l'antenne d'émission. C'est déjà un point d'acquis.

Deuxièmement, le lobe principal peut être rendu plus ou moins large. Autrement dit, l'antenne d'émission présente un gain variable.
A puissance égale, plus le gain de l'antenne d'émission est grand, plus la portée du radar sera importante. Mais dans ce cas, le radar va éclairer une partie du ciel plus petite.

Ce qui serait intéressant de savoir, c'est comment l'émetteur ajuste le gain de son antenne au cours du temps. Par exemple:
Le faisceau balaie en azimut de l'est vers le sud, puis vers l'ouest. 180 degrés en 20 secondes.
Et en élévation, il émet à tour de rôle:
- un lobe de 11 degrés de large avec une élévation de 10 degrés, pendant 1 seconde,
- puis de 24 degrés de large avec une élévation de 20 degrés, pendant 1 seconde,
- puis de 34 degrés de large avec une élévation de 30 degrés, pendant 1 seconde.
Je dis une seconde, parce qu'en écoutant le signal de GRAVES, on entend une modulation avec à peu près cette période.

[Gwinver]

Bonjour.
Il semble qu'il y ait eu évolution depuis le papier d'origine.

http://www.itr-datanet.com/~pe1itr/graves/

Note: The radar pattern is recently (july 2012) changed. There seems to be a 1.6 second tx sequence. sometimes it looks like 0.8 seconds.
2021-04-06: Animation corrected for 0.8 second sequence. The direction of the beams have been compared to the moon's echoes. There is a clear correlation and therefore seem correct.

Il y a aussi un graphique relatif au balayage.

Il y a une incertitude concernant le "balayage" des enveloppes.
L'antenne émettrice ne comporte que 4 panneaux dans le plan vertical, c'est peut-être un peu juste pour atteindre une largeur de lobe de 11°.
Grosso modo :

un élément au dessus d'un plan de masse a un diagramme de l'ordre de 90° à 3 dB
avec deux éléments, cela est divisé par deux, donc 45°
et encore par deux avec 4 éléments, donc 22.5°

La recherche de lobes secondaires bas amène souvent à accepter une ouverture un peu plus large.

D'ailleurs, le texte semble indiquer que le lobe de 11.7° n'est pas utilisé et que des lobes plus étroits sont préférés.

The analysis of these orbits has resulted in a
theoretical concept of 3 envelope radar within which the
useable power is distributed according to the table below.

[Yvan_Delaserge]

Merci Gwinver une fois de plus pour cette référence. Elle contient un lien vers une autre page contenant énormément d'information.

On y estime la puissance de l'émetteur à plusieurs Mégawatts.

Vers le milieu du document, un texte en allemand dit les choses suivantes:

La section efficace de rétrodiffusion radar du plus gros objet à ce jour en orbite autour de la Terre, L'ISS, fait 386 m².
Lors du survol de l'ISS, les échos radar ne sont possibles que lorsque l'ISS est en située dans la zone éclairée par la station émettrice GRAVES.
Pour la zone d'observation de l'Allemagne de l'Est, c'est notamment le cas pour les premiers survols de la journée, jusqu'à une élévation maximale d'environ 55°.
Les survols ultérieurs de l'ISS auront des élévations supérieures, ils ne pourront donc plus être visualisés.
Seul le dernier survol au sud à 25° maximum pourra l'être.
Sur l'écho radar de l'ISS, on remarque qu'elle produit une trace pointillée, faite d'échos radar ne dépassant pas 10 secondes.
Cela est dû aux zones angulaires successives de l'antenne réseau à commande de phase.



Sur l'image, vous pouvez voir en gris, la zone dans laquelle la station émettrice GRAVES va éclairer un satellite placé sur une orbite avec une altitude d'environ 400 km.
D'après mon observation, la zone mise en évidence correspond approximativement à la zone où se produisent les réflexions.
Le cercle rouge est la zone d'observation depuis l'Allemagne de l'Est. Comme vous pouvez le voir, il n’existe pas vraiment de zone étendue où la réception passive par satellite soit possible.

[Yvan_Delaserge]

Jusqu'ici, nous avons parlé des différents phénomènes observables grâce au radar GRAVES: Réflexions sur les avions, la Lune, l'ISS.

Il existe aussi la possibilité, qui a été évoquée plus haut, d'observer des réflexions sur les traînées laissées par les météorites.
Selon les astronomes, jusqu'à 25 météores par heure pourront traverser le ciel, les nuits de mardi 30 et de mercredi 31 juillet 2024.
Ces deux pluies d’étoiles sont nommées « essaims météoritiques ». Il s'agit des Deltas aquarides du sud et des Alpha capricornides.

Les étoiles qui constituent ces pluies sont des fragments d’astéroïdes. Quand ces morceaux de roche - ces poussières - rencontrent l'atmosphère à une vitesse allant de 11 à 72 kilomètres par seconde, l'air traversé est porté à plusieurs milliers de degrés Celsius, et brille, d'où le météore. Il est aussi ionisé. L'air ionisé conduit l'électricité, tout comme le métal des avions ou de l'ISS.
Les traînées des étoiles filantes devraient donc elles aussi, réfléchir les signaux du radar GRAVES.

Que faut-il s'attendre à observer dans notre cas?

On sait que les traînées d'ionisation ne persistent que quelques secondes. Allons-nous donc observer une intensification du signal de GRAVES pendant quelques secondes?

Et quel effet Doppler allons-nous observer? Compte tenu de l'énorme vitesse des météores, l'effet Doppler va-t-il être compris entre 10,5 KHz à 68,5 KHz?

Ou bien malgré que le météore se déplace très vite, la traînée d'ionisation est-elle quasiment immobile, donc, allons-nous observer un effet Doppler ou pas? et si oui, de quelle intensité?

[Kondelec]

Je n'ai jamais tellement regardé le décalage en fréquence, je me contentais de faire du comptage en fixant un seuil sur le bruit de fond. Je n'ai pas l'impression qu'il y en ai un.
Dans les jours à venir ce sont surtout les Perséides qui vont montrer une fréquence notable ; c'est donc la région qu'il faut pointer (tu peux viser Andromède).
Il y a 3 ans j'avais plus d'une centaine de détections par heure, beaucoup moins il y a 2 ans (10 à 20), et l'an dernier je n'ai pas essayé. C'est toujours la surprise.

[Gwinver]

Bonsoir.

Selon Wikipédia, la vitesse des météorites se chiffre en dizaine de kilomètres pars seconde.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Météorite

On trouve sur le web des valeurs allant de 11 à 70.

Les angles d'incidence sont très variables, et par ailleurs, la vitesse décroît certainement rapidement au contact de l'atmosphère.

Il faut donc s'attendre à un effet Doppler d'une grande variation, mais d'une durée très courte.

On peut s'attendre à des durées similaires à celle du trafic en météor scatter:

http://www.astrosurf.com/luxorion/me...ne%20heure%20!

[Yvan_Delaserge]

Merci Gwinver pour le second lien, fort intéressant et qui répond directement à ma question concernant l'importance de l'effet Doppler sur le signal réfléchi par un météore.

Le document dit ceci:

Le signal d'un météore se distingue facilement de celui d'un satellite par sa durée. L'écho d'un météore est généralement très court et le son ressemble à des blips ou des pings comme ceux émis par les radars et les sonars.
Par ailleurs un satellite se déplace relativement lentement comparé à un météore : entre 1 et 10 km/s selon les caractéristiques de son orbite. Comme un satellite se déplace rapidement devant les antennes, à mesure que l'orientation du vecteur vitesse du satellite change par rapport au radar, le décalage Doppler s'accentue, changeant lentement la fréquence du signal des courtes vers les plus grandes longueurs d'ondes.
La trace d'ionisation laissée derrière un météore se déplace à une vitesse de l'ordre de 0.02 km/s (72 km/h), alors que le météore lui-même se déplace entre 12 et 72 km/s sur son orbite. Il n'y a donc pas d'effet Doppler dans l'écho d'un météore. C'est pour cette raison que leur écho sur un analyseur de spectre trace en général une ligne horizontale qui ne se décale pas en fréquence à mesure que le temps passe comme ce serait par exemple le cas lorsqu'un signal est réfléchit par un avion.
En revanche, l'écho d'un météore est très long. Il dure en général quelques secondes mais à l'image de certaines traînées persistantes certains échos peuvent exceptionnellement persister plus de 10 minutes voire, cas rarissime, persister une heure !
Le signal ressemble aux blips mais avec des gazouillis et des sifflements un peu comme le son des éclairs qui se propagent dans l'ionosphère.

Armé de ces éléments, je vais essayer d'enregistrer les traces de réflexion du signal de GRAVES sur des météores.