Overview
Bien qu’ils reposent sur deux types fondamentalement différents de transmission d’ondes, le RADAR (Radio Detection And Ranging) et le SONAR (Sound Navigation and Ranging) sont tous deux des systèmes de télédétection ayant d’importantes applications militaires, scientifiques et commerciales. Le RADAR émet des ondes électromagnétiques, tandis que le SONAR actif transmet des ondes acoustiques (c’est-à-dire sonores). Dans les deux systèmes, ces ondes renvoient des échos de certaines caractéristiques ou cibles qui permettent de déterminer des propriétés et des attributs importants de la cible (forme, taille, vitesse, distance, etc.). Comme les ondes électromagnétiques sont fortement atténuées (diminuées) dans l’eau, les signaux RADAR sont surtout utilisés pour les observations au sol ou dans l’atmosphère. Comme les signaux SONAR pénètrent facilement dans l’eau, ils sont idéaux pour la navigation et les mesures sous l’eau.
Contexte
Pendant des centaines d’années, des dispositifs d’écoute sous-marine non mécaniques (tubes d’écoute) avaient été utilisés pour détecter le son dans l’eau. Dès 1882, le physicien suisse Daviel Colladen a tenté de calculer la vitesse du son dans les profondeurs connues du lac Léman.
Sur la base de la physique de la transmission du son articulée par le physicien anglais du XIXe siècle Lord Rayleigh (1842-1914) et de l’effet piézoélectrique découvert par le scientifique français Pierre Curie (1509-1906) en 1915, le physicien français Paul Langevin (1872-1946) a inventé le premier système conçu pour utiliser les ondes sonores et les échos acoustiques dans un dispositif de détection sous-marine. À la suite de la catastrophe du Titanic, Langevin et son collègue Constantin Chilowsky, un ingénieur russe qui vivait alors en Suisse, ont mis au point ce qu’ils ont appelé un « hydrophone » afin de permettre aux navires de détecter plus facilement les icebergs (la grande majorité des icebergs restent sous la surface de l’océan). Des systèmes similaires ont été immédiatement utilisés comme aide à la navigation sous-marine par les sous-marins.
L’amélioration de l’électronique a permis la production de dispositifs d’écoute et d’enregistrement grandement améliorés. Comme le SONAR passif n’est essentiellement rien d’autre qu’un dispositif élaboré d’enregistrement et d’amplification du son, ces systèmes ont souffert du fait qu’ils dépendaient de la force du signal sonore provenant de la cible. Les signaux ou les ondes reçus pouvaient être typés (c’est-à-dire associés à des cibles spécifiques) pour en déterminer les caractéristiques. Bien que d’assez bons résultats puissent être obtenus entre les mains d’un opérateur compétent et expérimenté, les estimations de la distance, du relèvement et du mouvement relatif des cibles étaient beaucoup moins précises et exactes que les résultats obtenus par les systèmes actifs, à moins que les cibles ne soient très proches ou qu’elles fassent beaucoup de bruit.
La menace de la guerre sous-marine pendant la Première Guerre mondiale a rendu urgent le développement du SONAR et d’autres moyens de détection de l’écho. Le développement du transducteur acoustique qui convertit l’énergie électrique en ondes sonores a permis les progrès rapides de la conception et de la technologie du SONAR au cours des dernières années de la guerre. Bien que le SONAR actif ait été développé trop tard pour être mis à l’épreuve pendant la Première Guerre mondiale, les efforts déployés pour son développement ont permis de récolter d’énormes dividendes technologiques. Toutes les avancées, cependant, ne se limitaient pas à un usage militaire. Après la guerre, des dispositifs d’échosondage ont été placés à bord de nombreux grands paquebots français.
Pendant les premières batailles de la Seconde Guerre mondiale, le comité britannique de détection et d’investigation anti-sous-marine (son acronyme, ASDIC, est devenu un nom communément appliqué aux systèmes SONAR britanniques) a fait des efforts pour équiper chaque navire de la flotte britannique de dispositifs de détection avancés. L’utilisation de l’ASDIC s’est avérée essentielle dans l’effort britannique pour repousser les attaques dommageables des sous-marins allemands contre les navires de guerre britanniques et les navires marchands qui approvisionnaient la nation insulaire en munitions et en nourriture.
Alors que les développements SONAR du début du vingtième siècle se poursuivaient, un autre système de télédétection a été développé sur la base de la meilleure compréhension de la nature et de la propagation du rayonnement électromagnétique réalisée par le physicien écossais James Clerk Maxwell (1831-1879) au cours du dix-neuvième siècle.
Dans les années 1920 et au début des années 1930, le physicien et météorologue écossais Sir Robert Alexander Watson-Watt (1892-1973) a utilisé avec succès les transmissions radio à ondes courtes pour détecter la direction des orages en approche. Une autre technique utilisée par Watson-Watt et ses collègues de la British Radio Research Station permettait de mesurer l’altitude de l’ionosphère (une couche de la haute atmosphère qui peut agir comme un réflecteur radio) en envoyant de brèves impulsions d’ondes radio vers le haut, puis en mesurant le temps que mettaient les signaux à revenir à la station. Comme la vitesse des ondes radio était bien établie, les mesures permettaient de déterminer très précisément la hauteur de la couche réfléchissante.
En 1935, Watson-Watt eut l’idée ingénieuse de combiner ces techniques de radiogoniométrie et de télémétrie et, ce faisant, il inventa le RADAR. Watson-Watt construisit son premier appareil RADAR pratique à Ditton Park.
Presque immédiatement, des fonctionnaires du ministère royal de l’Air demandèrent à Watson-Watt si son appareil pouvait avoir le potentiel d’endommager ou de descendre des avions ennemis. Watson-Watt a répondu que les transmissions par ondes radio étaient beaucoup trop faibles pour atteindre cet objectif. Il a néanmoins suggéré aux responsables du ministère que la détection radio était possible. En 1935, Watson-Watt rédigea une lettre intitulée « Détection et localisation d’aéronefs par des méthodes radio ». Watson-Watt expliquait soigneusement que la lecture du faible signal de retour d’un avion poserait un défi technique bien plus important que celui rencontré lors de ses expériences météorologiques. Le signal envoyé devait être plus de cent fois plus énergique. En outre, il faudrait fabriquer un récepteur et une antenne plus sensibles.
Peu après, sans bénéficier d’un essai, Watson-Watt et les scientifiques du ministère ont mené une expérience pour tester la viabilité du RADAR. L’appareil de Watson-Watts s’est avéré capable d’illuminer (c’est-à-dire de détecter) des avions à une distance allant jusqu’à 8 mi (13 km). En l’espace d’un an, Watson-Watt a amélioré son système RADAR pour qu’il puisse détecter des avions à des distances allant jusqu’à 113 km (70 mi). La Grande-Bretagne d’avant-guerre a rapidement utilisé l’invention de Watson-Watt à des fins militaires et, à la fin de 1938, des systèmes RADAR primitifs parsèment les côtes anglaises. Ces stations, capables de détecter les avions indépendamment des brouillards ou des nuages au sol, allaient jouer un rôle important dans la détection des avions nazis en approche pendant la Seconde Guerre mondiale.
Le développement du RADAR n’était pas l’apanage des Britanniques. Au début de la Seconde Guerre mondiale, tous les principaux combattants avaient développé une certaine forme de système RADAR. Sur de nombreux fronts, les batailles étaient souvent influencées par des jeux dramatiques de surenchère scientifique et technique dans ce que le Premier ministre britannique Sir Winston Churchill appelait la « guerre des sorciers ». Pendant la guerre, Watson-Watt est devenu l’un de ces sorciers en prenant le poste de conseiller scientifique au ministère royal de l’Air.
À la fin de la guerre, les forces britanniques et américaines avaient développé un certain nombre de types de RADAR et d’applications, y compris l’interception aérienne (AI), le navire air-surface (ASV), l’interception contrôlée par le sol (GCI) et divers RADAR de visée et de suivi de canon.
Quelle que soit leur application, les cibles RADAR et SONAR diffusent, dévient et reflètent les ondes entrantes. Cette diffusion n’est cependant pas uniforme – et dans la plupart des cas, un fort écho de l’image est propagé vers l’émetteur du signal, de la même manière qu’un miroir lisse peut renvoyer la lumière dans la direction spéculaire. L’intensité du signal de retour est également caractéristique de la cible et de l’environnement dans lequel les systèmes fonctionnent. Parce qu’elles sont des radiations électromagnétiques, les ondes RADAR se déplacent dans l’atmosphère à la vitesse de la lumière (dans l’air). Les ondes SONAR (ondes de compression) se déplacent dans l’eau à une vitesse beaucoup plus lente, celle du son. En mesurant le temps que prennent les signaux pour se rendre à la cible et revenir avec des échos, les systèmes RADAR et SONAR sont capables de déterminer avec précision la distance de leurs cibles.
Dans leurs domaines respectifs, RADAR et SONAR peuvent fonctionner de manière fiable dans une grande variété de conditions défavorables pour étendre les capacités de détection humaines.
Impact
A la suite du succès de RADAR en temps de guerre, les scientifiques et les ingénieurs ont rapidement cherché de nouvelles applications pour ces systèmes. Les avantages pour la science météorologique étaient évidents.
La technologie RADAR développée pendant la Première Guerre mondiale a également eu un impact considérable sur la science naissante de la radioastronomie. Pendant la guerre, l’officier britannique J.S. Hey a correctement déterminé que le Soleil était une source puissante de transmissions radio. Il l’a découvert en enquêtant sur les causes du brouillage du réseau RADAR britannique qui ne pouvait être attribué à l’activité de l’ennemi (Hey a attribué l’émission radio à une activité accrue des éruptions solaires). Bien que tenues secrètes pendant la guerre, les installations et la technologie RADAR britanniques sont devenues les précurseurs des radiotélescopes modernes, car elles enregistraient le bruit de fond céleste tout en écoutant les signes révélateurs de l’activité ennemie (par exemple, les attaques de roquettes V-2).
Le crédit historique accordé au caractère décisif et à l’impact de la guerre des sorciers de Churchill reste très débattu. Churchill lui-même a décrit la bataille d’Angleterre comme étant en grande partie une bataille menée de façon décisive et gagnée avec « les yeux et les oreilles ». Quoi qu’il en soit, il est indéniable que les dispositifs de télédétection et les réseaux RADAR (appelés Chain High et Chain Low) employés par les Britanniques ont permis aux commandants britanniques de concentrer plus efficacement leurs forces surpassées en nombre d’armes et en effectifs contre l’assaut aérien nazi.
Ironiquement, la Seconde Guerre mondiale a induit des améliorations de conception dans la technologie SONAR qui ont jeté les bases du développement de procédures médicales non invasives telles que les ultrasons dans la dernière moitié du XXe siècle. Les technologies et techniques de télédétection basées sur les signaux sonores et électromagnétiques sont devenues de puissants outils médicaux qui ont permis aux médecins de poser des diagnostics précis avec un minimum d’intrusion pour le patient.
Les outils de télédétection tels que le RADAR et le SONAR permettent également aux scientifiques, aux géologues et aux archéologues de cartographier la topographie et les caractéristiques du sous-sol sur la Terre et sur les objets du système solaire. Les lectures SONAR ont conduit à des avancées dans la sismographie sous-marine qui ont permis la cartographie des fonds océaniques et l’identification des ressources minérales et énergétiques.
Les systèmes RADAR sont des composants essentiels du système moderne de navigation aérienne commerciale. Une invention britannique du temps de guerre, l’Identification Friend or Foe (IFF) RADAR, utilisée pour identifier et étiqueter de façon unique les avions, reste un élément important du système de contrôle du trafic aérien.
K. LEE LERNER
Lectures complémentaires
Livres
Cox, A.W. Sonar and Underwater Sound. Lexington, MA : Lexington Books, 1974.
Heppenheimer, T.A. Anti-Submarine Warfare : La menace, la stratégie, la solution. Arlington, VA : Pasha Publications Inc, 1989.
Holmes, J. Diagnostic Ultrasound : Perspective historique. Mosby, 1974.
National Defense Research Committee. Principes et applications du son sous-marin. Washington, D.C., 1976.
Rowe, A. Une histoire de radar. Cambridge, Angleterre : Cambridge University Press, 1948.
Watson-Watt, R.A. Trois étapes vers la victoire. Odhams Press, 1957.