LES RADARS a 01 a Les dernières décennies et le - Accueil

LES RADARS
a
Les
et
01
a
Mots clés
dernières décennies
le
futur
fréquence
Par Marc LESTURG
du
radar
en
France
BasseFréquence,
Surveillance
de l'espace,
Overthe horizon(OTH),
Antifurtivité
basse
Jean-Pierre EGLIZEAUD 1, Gilbert AUFFRAYDaniel
1,
MULLER 1,Bernard OLIVIER1, Christian DELHOTE 3
ONERA, Palaiseau, 1 THALES AirDefence, Bagneux, 1 DGAISTTCIDE, Paris
est imaginé et étudié par l'ONERA.
Introduction
RIAS est le premier
Historiquement le facteur déterminant pour l'utilisation
des basses fréquences en radar est lié aux propriétés
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
intéressantes des sillages de corps balistiques.
Thomson SDC (aujourd'hui
Thales Air Defence) ; dans
les années 90 un démonstrateur
radar est développé et
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
qualifié en termes de performance et bénéfice opérationnel.
plasma environnant la capsule (créé par échauffement dû
à la vitesse) était ainsi évalué dans différentes bandes de
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.
fréquence (dont les bandes VHF-UHF)
système de localisation basé au sol.
à partir
d'un
Dans le prolongement de ces travaux de caractérisation
des signatures en VHF, quelques années après, le RIAS
SSENTIEL
L'utilisation des basses fréquences en radar permet de lutter
contre l'évolution des menaces, notamment en matière de furtivité des cibles. Ainsi de nombreusesactivités de recherche et de
développement ont été menées en France dans ce domaine
depuis une vingtaine d'années. L'ONERAet Thales ont contribué
à ces travaux.
L'activité "radarsbassefréquence" de l'ONERAfait suite à des travaux sur la caractérisationdes plasmas de corps de rentrée, au
début des années70. Depuisles travauxen radarbasse fréquence
n'ont pas cessé. Thales identifiait également dans les années 70
les évolutions prévisiblesdes menaces et la nécessité de trouver
de nouvelles solutions pour maintenir les capacités de détection
des systèmes radar,à un coût raisonnable.
Différentes études et expérimentations ont été menées pour
caractériserles capacitésdes senseursbassefréquenceet préparer
leur introduction dans les réseaux de 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 radar transhorizon(NOSTRADAMUS),le radar d'observation de
l'espace (GRAVES)sont décrits en détail. Les orientations sont
données sur l'utilisation future et les évolutions des différents
concepts.
Plus récemment le radar transhorizon NOSTRADAMUS
et le radar de veille GRAVES ont été développés par
Pendant la même période Thomson (Thales) explorait
l'utilisation
des bandes basses pour des applications
SYNOPSIS
Low frequency radar will contribute to counter threats evolutions
for surveillance and air defence systems. So different research
and development activitieswere conducted in this field in France
during the last decades. For many years ONERAand THALESare
contributing to the development of this radar activity in France.
Within the scope of its mission in aerospace research, ONERA
started to work on low frequency radar from the researchon plasma physics in the Seventies. Radaractivity was then developed,
until now. THALES pointed out in the 70's that target evolutions
will lead to find out new radar solutions to maintain air defence
capabilities at a reasonablecost. Different studies and developments were conducted to characterise low frequency sensor
capabilities and to prepare their introduction in air defence networks.
This paper describes some important steps of the low frequency
radar,highlights the originality of the concepts, studied and validated 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
Mars2005
LES RADARS
M Dossier
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Figure i. Maquette RiAS.
du Centre d'Essais de la Méditerranée.
utilise
avec
(Radar à ondes
et un démonstrateur
de
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'imagerie SAR (RAMSES) d'une bande UHF. Plusieurs expérimentations
on été menées démontrant l'intérêt
des
basses fréquences, notamment pour
cibles sous couvert forestier (FOPEN).
L'article
la détection
des
peu directives,
et une bonne
(bilan/portée).
deux exemples.
ce qui le
efficacité
énergétique
Le RIAS et le GRAVES
en sont
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
A coté de ces exemples de radars sol-air basse fréquence,
des antennes
favorable
des bandes
Plus récemment Thales a mené (en coopération
métriques multi-applications)
modes radar passifs.
ys
prédispose à des missions de surveillance dans un
très large domaine, avec une cadence de balayage
PARASOL et SACHEM sont deux exemples décrits dans
cet article et qui illustrent bien la pertinence des basses
la réalisation du radar ROMA
u
Figure 2. Maquette RIAS.
détail des antennes
tactiques et pour l'alerte précoce avec l'objectif
de
combiner ces nouveaux capteurs aux radars conventionnels.
fréquences utilisées en radar en complément
centimétriques.
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l'ONERA)
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dans le domaine
ULB). L'utilisation
du déminage
(techniques
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.
décrit les concepts radar, les principes
de
2.
Le RIAS
fonctionnement,
leurs évolutions et applications potentielles futures. Dans la majorité des cas la justification
2.1.
d'emploi des basses fréquences repose principalement
deux aspects :
est imaginé au début des années 80. La démarche suivie
Un aspect phénoiiiéiiologiqtie
radars transhorizon
sur
: c'est le cas des
(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
REE
No 3
Mars2005
Principe
Le RIAS (Radar à impulsion
et antenne synthétiques)
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 surtout l'originalité
du RIAS réside dans le concept d'ouverture 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.
Les dernières
décennies
et le futur du radar basse fréquence
en France
Emission
1........ 1 - ---->
- --1.1
..............
« "'* " 1- - - ->
1
Impulsion transmise dans
une direction
Réceptioil
FT
Signaux reçussur 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
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 formation 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 omnidirectionnelle avec une capacité de codage de la direction per-
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
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
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
poursuite, qui deviennent deux processus de traitement
numérique que l'on peut mener en parallèle.
(Te), les différentes sinusoïdes émises comme « orthogonales » au sens de l'opérateur de Fourier. En chaque point
M de l'espace, on reçoit donc un signal composite
Le codage RIAS est bien adapté à la surveillance dans
un angle solide très large. Il peut s'avérer intéressant
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
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.
considéré (cible ou antenne de réception du radar). La
localisation
angulaire d'un point de l'espace est alors
Comme le montre la figure 4, le récepteur passif (R) peut
utiliser le codage RIAS pour se localiser et en même
possible
temps détecter la cible (T) et procéder à sa localisation
à partir
d'une seule antenne.
Le codage
de
REE
N'i
Mars2005
LES RADARS
R
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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)
concluants en raison d'un trajet direct
fluctuant,
n'ont
pas été
trop important,
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.
Space Timc
AdaptiveProcessing
REE
N3
Mars2005
2.3.
Applications futures du concept RIAS
D'une manière cgénérale, le codage
c de l'espace est
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 interférométriques (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 multisttitiqtie
ir2terférométridue
pourrait utiliser un
Zr là d'une version
codage de type RIAS. Il s'agit
" éclatée " du RIAS, dans laquelle la distance entre
antennes est suffisamment grande pour former une
ou plusieurs bases interférométriques.
Par ailleurs une réflexion plus cgénérale sur la notion
du codage
c ou coloration de l'espace devrait être faite :
RIAS est le cas extrême du codage de l'espace dans
un secteur pratiquement hémisphérique. Certains
radars,
en plus
de leur
balayage
traditionnel,
c de l'espace à l'intérieur
peuvent profiter d'un codage
Les dernières
décennies
et le futur
v
du radar basse fréquence
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Figarre 5. 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
obtiendrait des faisceaux de 1'x 1'.
associé, on
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
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'émission 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
.le en radar. Déjà
eja utilisée
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 conjuguant que les signaux obéissant à un critère particulier :
critère de vitesse (Doppler), critère de distance. Couplée
à une procédure systématique d'élimination des parasites
jt
y
Y
(s ("Jt+<
(brouillage intentionnel ou non), la conjugaison
en radar peut s'avérer bénéfique.
Y
y
3.2.
Performances
.... -v
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'itérations requis pour approcher, de manière asymptotique, le
.............
TR
1
i
i
;
de phase
gain du réseau focalisé (-N'où
rayonnants).
N est le nombre d'éléments
Cos(2ut) i
Filti-c u>
(i)
Filtre
Figvsre6. Principe de 1a conjugaison de plzase.
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
chaque antenne de réception, peu être écrite :
sur
REE
Nu 3
Mars2005
LES RADARS
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Ci1-1. de',Dllele ,Ul d, 1CI (l
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MV.-.G-N
Nombre Itérations
JF.'
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scarch
acarch
phase
!'.'
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.
Diagramme
antenne
Figure
1 +NX
f ",W,
7. Siiîïulation de la conjttgaison de phase.
à combiner
P-1
xu=x
p o1+
l'on
désigne
le rapport
met en route
état isotrope
le radar
signal
à bruit
; l'état
initial
du réseau d'émission
cette technique
Le processus
Xp-I
p-I
où Xo
.
Î : l *& 7
initial,
avec le balayage
est appliqué
électronique.
aux échos reçus
lorsque
correspond
(gain
de conjugaison
de réseau
à un
voisin
T, - 1nin
de N).
La figure
réseau
de
dépend
fonctions
niveau
n'est
7 présente
100
un résultat
éléments.
La
de simulation
vitesse
de
des conditions
initiales
qui
du bilan énergétique
radar
de SER, etc). Bien entendu,
intéressante,
comparée
au
pour un
convergence
sont directement
(puissance
émise,
la conjugaison
balayage
Une
phase,
le domaine
application
schématiquement
REE
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Mars2005
intéressante
illustrée
la
; el
A
Balayage
(t-ciiicliie ii 2 ii (illes
Curtjrrai.ron cfe phn.ce urec burrlt·re
angulaire.
de
T, - 1 sec.
de phase
électronique
classique,
que si le nombre
d'itérations
requis pour la
convergence
est inférieur
au nombre de pointages
nécessaires pour couvrir
e
,Ioreglg
SWTeillam : e volumique (balayage électronique)
conjugaison
par la figure
de
8, consiste
Figure 8. Applicatioiis de la coiijttgaisoii de phase.
Les dernières décennies
et le futur
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
Zn de couvrir un
domaine angulaire élargi.
4.
Le radar
transhorizon
du radar basse fréquence
Le radar NOSTRADAMUS
est de type monostatique,
à émission impulsionnelle,
contrairement
aux radars
OTH conventionnels,
qui ont adopté une architecture
bistatique. Le « monostatique » est plus simple à gérer
que le « bistatique », et de plus les déformations liées à la
propagation sont identiques sur les trajets émission et
réception.
favorable,
(OTH)
Par contre, le bilan énergétique est moins
du fait du découpage impulsionnel nécessité
par l'isolation
NOSTRADAMUS
en France
des fonctions émission et réception.
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 kilomètres, moyennant un fonctionnement
(6-20 MHz) et l'utilisation
grandes dimensions.
.,.
dans la bande HF
d'un réseau d'antennes
de
,a'éx
4.1.
3
5 T ro
..ms"
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 pilotage 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
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Figure 10. Apei-çii du chai7,lp d'ajiteiiiies dit j-adaiNOSTRADAMUS.
La figure 10 montre le détail des antennes biconiques
ainsi qu'un aperçu du champ d'antennes. L'électronique
de commande est reliée aux antennes par l'intermédiaire
de 3 tunnels qui abritent les équipements d'émission et de
réception. Un tiers des antennes du réseau fonctionne en
émission et réception, le reste fonctionnant uniquement
en réception, cela pour satisfaire aux exigences de directivité angulaire, après formation de faisceaux par le calcul.
4.2.
Un fonctionnement
La figure
et fréquence 131.
o^
: rR'.
à l'épreuve de la physique
11 illustre,
par un résultat classique
spectre d'échos de mer, la difficulté
enetqre
..-----ck
4'4)
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IJoppler
Diffusion ionosphèrique
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Doppler
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Figure 9. Ai-chitecttii-e du i-adar NOSTRADAMUS : eiz gi-is
foncé les avtennes fonctionnarat en émission et réception, en
gris claii- les aiiteiiiiesfoiictioniiant eti réceptioiz setileiiieiit.
de
liée aux perturbations
Figure ii. Exemple de spectre Doppler reçu par le radar
NOSTRADAMUS.
REE
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Mars2005
LES RADARS
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Bi-c-ft.-U
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mouvements
12. Poiti-,ititÉ, (IÉ, ('ible cl'ol) l) oi-ttiiiitÉ le i-Cid (-11NOSTRADAMUS.
10 Ili
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
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
distance. (figure
Bragg). De largeur spectrale étroite si la propagation était
de type normal (ce qui est le cas pour les radars HF à
5.
onde de surface),
La propagation par ondes de surface (au-dessus de la
surface de la mer) est le second mode de propagation
les raies de Bragg
subissent
ici un
phénomène de diffusion, lié aux irrégularités et fltictliations de l'ionosphère. Cet exemple souligne la nécessité
de bien maîtriser la propagation ionosphérique, en vue de
sélectionner les bons paramètres
traitements de correction.
4.3.
radar et adapter des
Détection à grande distance de cibles aériennes
Les radars
13).
HF à ondes
de surface
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 réfraction ionosphérique, le radar à ondes de surface (ROS ou
HFSWR pour High Frequency Surface Waves Radar en
La figure
12 montre un résultat de détection et de
c
c d'une cible d'opportunité
c
pistage
(avions de lignes
au
large
1 de la Sardaigne)
c
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.
4.4.
Un tel radar présente de l'intérêt vis-à-vis de la détection des cibles aériennes à très basse altitude, là où le
radar conventionnel est limité par son horizon " radioélec-
Applications
Le radar
civiles
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.
trique ". L'application à la surveillance maritime est également intéressante car la détection de tout type de bateau
non coopératif
Des travaux de recherche sont en cours sur la caractérisation de la lithosphère terrestre par la détection des
v InstitutdePhysique
duGlobedeParis.
REE
Nu 3
Mars2005
est envisageable,
quelques dizaines de kilomètres
pour des distances de
(pour les plus petits) à
ZD
quelques centaines de kilomètres (bateau à fort tonnage).
Les dernières
décennies
et le futur
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 soulève, derrière l'apparente simplicité
du dispositif
du radar basse fréquence
en France
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,
(la tech-
nologie " HF " est acquise depuis de nombreuses années)
des problèmes de contraste cible/fouillis
et de discrimi-
6.1.
nation des cibles. Le fouillis de mer limite la sensibilité
du radar et peut conduire à choisir, pour le minimiser, une
Le radar doit surveiller un très large secteur en azimut
et en élévation.
L'architecture
retenue est de type
fréquence d'émission
basse « 10 MHz). Les SER
deviennent alors faibles et surtout, le pouvoir de résolution se dégrade. Il faut donc utiliser des réseaux d'an-
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
tennes de très grandes dimensions
(500 à 1000 m) donc
Architecture
radar
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 résolution du radar se trouve encore accru par la difficulté, en
énergétique radar.
gamme HF, de trouver des bandes spectrales larges : seuls
des canaux discontinus sont, dans la pratique, accessibles.
secteur de 45° en azimut.
Chaque antenne fonctionne
avec un petit nombre de faisceaux larges pour couvrir le
secteur souhaité (figure 14).
Cependant, de nouvelles techniques [5] sont dès
maintenant susceptibles de contourner ou d'atténuer les difficultés mentionnées précédemment. On peut ainsi évoquer :
. l'utilisation
d'antennes de dimensions plus petites
et agencées en réseau de forme iioti nécesséii.ieiiietit
; cela permet d'installer des réseaux
éti
eseaux
g éo géométrique
de plus grande dimension au sol en minimisant les
contraintes de recherche ou de préparation du terrain
.
d'accueil,
l'utilisation
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
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
Le système d'émission comprend 4 panneaux d'antennes
à balayage électronique permettant de couvrir chacun un
..
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" h "'''-'-'-.
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-,..-''''''o//'-'t-
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toift litilliériqile'.
Figi (i-É 15. GRAVE - 1' (iiiteiiiie i É,.eciii d'éliii>sll () 11.
6.
The GRAVES
En 1990 l'ONERA,
DGA/SPOTI,
radar
en réponse à une demande de la
démarre l'étude d'un concept de radar très
F
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Figure 14. Arcl2itecture radar listatique (GRAVES).
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Figiti- ( 16. E-) ceiille d'aiicil-,se Dol) llet- (le sigiiiiii. :
diffusé.s par les satellite.s.
REE
N-,
Mitis 2005
LES RADARS
.
Dossieic)
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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.
dant un temps plus important et la FFC en réception permet d'obtenir la directivité et le pouvoir de discrimination suffisant. Ce concept est bien adapté à l'utilisation
des basses fréquences « UHF) pour lesquelles la signature de la cible reste stationnaire pendant la durée d'intégration 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 différentes du radar GRAVES actuel.
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'accélération 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 » (figure 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.
7.
7.1.
Radar
basse
fréquence
tactique
Introduction
La technologie « radar basse fréquence » trouve également 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
6.3.
Applications future du concept
faible signature dans les bandes radar conventionnelles [4,51.
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 balayage électronique à faisceau large (BEL) et la formation de
faisceau par le calcul (FFC) en réception. La combinai-
Thales
systèmes
a mis en oeuvre, depuis
expérimentaux
pour
1980,
valider
différents
les principes
physiques de fonctionnement de ces dispositifs dans les
bandes V/UHF et mesurer les performances atteignables.
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
REE
N3
Mars2005
large, les cibles sont éclairées pen-
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
Les dernières
décennies
et le futur
en situation de visibilité ou de masquage par la végétation. 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
du radar basse fréquence
.
en France
L'analyse des signatures radar des missiles ARM,
en particulier la stabilité temporelle,
. Le
bénéfice d'antennes fixes, à1 large secteur de
couverture, privilégiant
vellement d'information
une cadence et un renouélevés.
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
global de défense aérienne.
à un système d'alerte
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
i
couvrir également la bande UHF, complétant ainsi la base
de données dans cette bande de fréquence.
L'expérience acquise pendant ces travaux était nécessaire 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.
résultats de mesure sont présentés dans [6].
Des
-"
-,,"',
-
-"
" -- - " " -'Ir
'-.j}'
"'..-..
Figstre 19. PARASOL (VHF).
eÎ
f t,
9
A
Figtire 18. SACHEM (VHF).
C
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 :
'
: ,'\<, ".. --- -',, ; ; " "',, ",\ _.
',,-'- !' - ? i'-,....,.
Figbire 20. RABIT (HF).
REE
N1
Mars2005
."
LES RADARS
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rtv".
Figure 21. CUIRACE(UHF).
7.4. Rabit
RABIT (Radar bistatique tactique) est une barrière
électromagnétique destinée à combler les trous de
couvertures dans le réseau de défense aérienne. C'est un
i
dispositif reposant sur une technologie « bas coût » qui
peut protéger des sites de haute valeur face à des menaces
de cible basse altitude. 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
sur un VAB, permetde conduiredesessaisdansdesconditions
!"
Figiti-e 22. ROMA (UHF).
expérimentalesréalistes.
7.7. Synthèse
La mission assignéeau radar est de 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
Les propriétés antifurtives des ondes bassesfréquences
et l'évoJution des menaces (cibles) ont conduit à l'étude
et au développement de plusieurs types de radars basse
classiques du champ de bataille (en particulier les cibles
masquéesou les cibles de faible section efficace radar).
fréquence pour des applications de surveillance du
champ de bataille ou de surveillance aérienne.
7.6. Roma
Le démonstrateur radar ROMA a été développé
conjointement par Thales et l'ONERA entre 2000 et 2004.
L'objectif est de préparer le développementd'un futur radar
d'alerte à moyenne portée en bandeUHF, en vue de détecter
et localiser des cibles furtives. La figure 22 présentele radar
dont l'antenne a été installée sur la cabine d'un semiremorque.Des essaisindustriels ont été conduits avec succès
entre janvier et juin 2004. Des essaismenés par les Forces
arméesfrançaises sont égalementprévus en 2005.
REE
N.,
Mars
2005
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 considérer le
problème de l'occupation spectrale: les bandesde fréquence
Les dernières
décennies
et le futur
sont depuis toujours utilisées à des services de radiocommunication,
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 radiocommunication
susceptibles d'être utilisés en détection
du radar basse fréquence
en France
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-
passive est intéressante à différents titres :
antifurtivité,
accès gratuit à la ressource
tion, mais exigent une installation proche de la surface
de la mer. Le concept est également envisagé
dans une
spectrale. Les premiers signaux utilisés ont été ceux de la
télévision analogique (VHF, UHF), également de la radio
version embarquée sur bateau, où il permettrait de fournir une alerte précoce au radar classique, dans le but
(HF), dans une application transhorizon où la détection
de cible aérienne à très basse altitude a été démontrée,
d'augmenter le préavis de réaction du bateau vis-à-vis
d'une menace basse altitude. Cette application est l'ob-
jusqu'à une distance double de l'horizon
(concept Nostramarine [7]).
jet d'une coopération
Defence.
bistatique
discrétion,
radioélectrique
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.
entre
l'ONERA
et Thales Air
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
Les techniques de codage OFDM sont également utilisées
en télécommunications.
Elles seront utilisées également
classique. Les applications
très longue portée (dont
GRAVES peut être considéré comme un démonstrateur),
pour la radiodiffusion en ondes courtes (en remplacement
à long terme de la MA-BLU)
dans le cadre du standard
moyenne portée ou courte portée, tirent le même avantage
des basses fréquences, en termes de bilan énergétique et
de secteur couvert.
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
évolutions
de la détection
des technologies
passive doit suivre les
duales, notamment
depuis
l'adoption par les concepteurs de système de radiocommunication de formes d'onde numériques, parfaitement
synchronisées
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 êti être
alloués
e au radar'
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 développer un démonstrateur
9.
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-
de modes passif.
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 architectures 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.
Remerciements
Les trctvaux.sur les radars bas.se,fi-eguence
or2t été
,1-eqtietic-e
ojit't'
,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
Nl
i\,lars
200-5
1005
LES
RADARS
M Dossîer
21
M.
LESTURGIE -
son de phase
131
ET TRAITEMENTS'-
S. SAILLANT,
G. AUFFRAY,
angle
conference
control for
2003,
171
20-21
P. DOREY
Edimburgh
à conjugai-
reun
STANDARD -
mars
of
radar ", Radar
- Australia
radars " - Colloque international
M. KERAMBELEC,
" On the verification
bilities
of
radar,
Brest
M.
VIUHF
ODAS
2001,
sur
" - Colloque international
-
sur
le
- 1999.
LESTURGIE, M. FLECHEUX
-
" Nostramarine : un
concept
de détection
multistatique
adapté à la surveillance
des cibles basse altitude " - AGARD - CP 595 - 1997.
181
D. POULLIN
sive
radio
radar
- " On the use of COFDM
applications " - Workshop
frequency
sensors
modulation
on
- Warsaw, Poland
passive
for pasand
- 23-25
2001.
G. OCCHIPINTI
mometer
est diplômé
- " Nostradamus,
" - RADAR
2004
a new ionosphere seis-
- Toulouse.
de l'Ecole nationale
LPI
April
supérieure
de
de Singapour).
Depuis 1999, Il est président du Club 23 de la SEE (Détection,
localisation, navigation) et vient d'organiser la conférence internationale 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
responsable
des radars RIAS et GRAVES.
Gilles Auffray est
basse fréquence.
9] http ://v\/\/vw,drm.org/
[10]
Marc Lesturgie
l'ONERA, SUPELEC et l'université
Paris.
M. HURTAUD,
KUSHEL,
CAVALLARI
of beyond the hOT/zon detectlOn caparadars
mu
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 laboratoire créé à SUPELEC llaboratoire
SONDRA,
associant
M. LESTURGIE, JL ZOLESIO - " Low frequency radardesign
offs " -Workshop
Ed
2001.
- " Exploitation
B. OLiVi ER, JL ZOLESIO - " Interests and capabilites of low
trade
[6]
NON
a 2-D HF skywave
frequencies
for surface
le radar, Brest - 1999.
[5J
des antennes
TECHNIQUES
elevation
[4]
" Applications
" - Séminaire'ANTENNES
est ingénieur
tngénieur
chef de projet à l'ONERA,
à l'ONERA,
responsable
unité
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 électromagnétique, et de 11 brevets dont 4 ayant reçu le diplôme
meilleures inventions.
REE
NO 3
Mars 2005
THALES des