La densité de puissance au sol d'un radar
Certains exemples d’effets potentiellement nocifs dus aux rayonnements électromagnétiques causés par les radars sont apparus dans les médias. Les cas de cancers rapportés n’étaient cependant pas liés à l’émission à haute fréquence du radar lui-même, mais à certains de leurs composants (en particulier les tubes à vides à très haute tension) qui se retrouvent aussi dans d’autres appareils à tubes cathodiques comme les anciens téléviseurs et les premiers écrans d'ordinateur. La durée de vie d’un radar, souvent plus de 30 ans, a permis de voir l’effet de ces faibles rayonnements sur de longues périodes, chose qui ne pouvait pas être perçue avec un téléviseur dont la durée de vie n’est que de quelques années. Les tabloïdes sensationnalistes ont le plus souvent mal décrits les causes et créé la peur du rayonnement d’un radar, un terme techniquement impropre.
Rayonnement X
Le rayonnement nocif noté provient de la production de rayons X. Dans le cas des téléviseurs, le problème a été résolu en utilisant un écran de verre spécial très épais qui est suffisant pour couper les rayons X avant qu’ils n’atteignent les téléspectateurs se trouvant à plusieurs mètres. Dans le cas des écrans cathodiques d’ordinateur, plus petit qu’un écran de télévision, la tension d'anode nécessaire au fonctionnement du tube était réduite et limitait la production de rayons X.
Dans le cas des radars, les effets notés sont dus à l'ignorance ou à la négligence de personnes qui ont travaillé juste à côté de ces sources de rayonnement non protégés durant plusieurs années. Une protection efficace consistait simplement à mettre une plaque métallique de blindage d’environ 2 mm autour des tubes à vide. Tous les vieux radars utilisant la technologie des tubes à vides ont été soit complètement mis hors-service, soit convertis avec des composants à faible rayonnement depuis longtemps.
Rayonnement à haute fréquence
Le danger de rayonnement électromagnétique a été faussement étendu à l'émission à haute fréquence de l’antenne. C'est ce type d'exposition qui soulève donc maintenant des craintes parmi les résidents du voisinage d’un radar mais ces peurs sont alimentées par des calculs complètement faux et des hypothèses d’intensité d’émission totalement irréalistes qui utilisent la puissance crête.
L’exposition aux radiations dépend de la quantité d'énergie absorbée par le corps humain agissant comme une antenne ayant une certaine section efficace de réception. L'énergie absorbée est une fonction de densité de puissance émise, de la durée d'exposition, de la masse de l'individu et de la profondeur de pénétration dans le corps (variant avec la longueur d’onde utilisée).
militaires divers
Figure 1 : Limites d'exposition pour des densités de puissance RF selon la directive 2004/40/CE européenne.
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Figure 1 : Limites d'exposition pour des densités de puissance RF selon la directive 2004/40/CE européenne.
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Figure 1 : Limites d'exposition pour des densités de puissance RF selon la directive 2004/40/CE européenne.
Les radars actuels opèrent à très haute fréquence : les radars météorologiques aux alentours de 5 GHz, les radars de surveillance aérienne et de navigation maritime à 10 GHz, et ceux pour sur les automobiles à 75 GHz. Ce rayonnement à haute fréquence ne peut pénétrer profondément dans le corps, habituellement seulement quelques millimètres sous la peau, et peut pas atteindre les organes vitaux.
De plus, la densité de puissance effective du rayonnement doit être à l’intérieur de limites spécifiées selon les normes internationales, soit la puissance moyennée sur tout le cycle de balayage. Ces normes sont pour de relativement courtes expositions. Il est difficile d’obtenir des limites sur l’exposition à long terme, tout simplement parce qu'il est impossible de dissocier l’exposition dans le voisinage d’un radar des autres sources de radiofréquences présentes dans l’environnement comme les signaux de télévision, la radiation solaire, etc.
Mesure de l’intensité
Quoi qu’il en soit, une mesure du champ électromagnétique alternatif est possible avec des compteurs électriques particuliers. Une antenne à large spectre de réception et étalonnée de façon précise est reliée à l'appareil de mesure. La perte dans la ligne de transmission et le gain de l'antenne de réception doivent aussi être prises en compte dans le résultat final. Le résultat est exprimée en watts par mètre carré (W / m²) ou en milliwatts par centimètre carré (10 W / m = 1 mW / cm ²).
La haute fréquence captée passe dans une thermistance où l'énergie du rayonnement la réchauffe et fait varier sa résistance. Le changement de la valeur de la résistance, mesurée au moyen d'un pont de mesure, donne l’intensité du rayonnement. Comme le chauffage du composant prend du temps, c’est la valeur effective qui est mesurée, équivalente à onde continue, et non la puissance crête associée avec l'impulsion.
Cette mesure n’est possible que dans le voisinage immédiat (jusqu'à 100 mètres) du radar. La puissance rayonnée à plus grande distance est si petite qu'elle ne peut pas être détectée.
Calcul d'émission
Un radar opère en émettant une série d’impulsions, séparées d’un long temps d’écoute, en effectuant une rotation du 360 degrés d’azimut. L’énergie émise par une impulsion est distribuée en plus grande partie dans le faisceau principal et très faiblement dans les lobes secondaires. Certains adeptes de la théorie des complots calculent l’énergie émise en utilisant la puissance de crête, comme si le faisceau radar était constamment émis dans toutes les directions avec l’intensité d’une impulsion. Cela donne des résultats totalement surestimés.
En fait, l’énergie reçue par un observateur n’est pas la valeur crête associée avec l’impulsion mais bien une valeur moyenne tenant compte du diagramme de rayonnement du radar et de la fraction de temps que celui-ci émet. Pour l'exposition au rayonnement à haute fréquence, la densité de puissance est critique. Les paramètres suivants sont différents pour chaque radar et ont un effet sur la densité de puissance à un point de mesure donné :
- Puissance de l’impulsion
La puissance d'une impulsion radar doit être convertie en puissance d’une onde entretenue équivalente. Le calcul utilisant la puissance pic comme le « pire cas » est purement spéculatif puisqu’aucun observateur n’y sera soumis durant le balayage. - Gain d'antenne
Le gain d'une antenne parabolique dépend de son diamètre et de la longueur d'onde utilisée. Elle concentre la puissance d'émission dans la direction souhaitée. Le gain de l'antenne d'un système radar peut être, par exemple à 10 GHz, de 43 dB (environ les 20 000 fois) dans la direction de visée par rapport à un émetteur isotrope. Aux basses fréquences (1-5 GHz), elle est souvent de 32 dB ou moins (environ 1 600 fois moins). La puissance de l'onde continue équivalente peut être multipliée par cette valeur. Le résultat est l'exposition au rayonnement dans la direction principale de l'antenne. - Diagramme d'antenne
Ce gain n’est valable que dans la direction du lobe principal (faisceau) qui est généralement dirigée vers le haut et atteint seulement indirectement le sol. Un angle inférieur à 0,5 ° est théoriquement possible, mais peu utilisé puisque l'objectif est d’éviter les obstacles et obtenir la plus grande portée possible. - Puissance isotrope rayonnée équivalente (PIRE)
À partir de ces paramètres, il est possible de calculer l’énergie émise en trois dimensions par un émetteur ayant un diagramme de rayonnement particulier. Il s'agit purement d'une valeur théorique qui n'existe pas dans la pratique et qui reçoit le nom de puissance d'émission équivalente ou puissance isotrope rayonnée équivalente.
Figure 2 : Évolution de la densité de puissance sur une surface sphérique selon la distance à la source.
Figure 2 : Évolution de la densité de puissance sur une surface sphérique selon la distance à la source.
- Énergie versus distance
L’énergie reçue par un observateur dépend essentiellement de la distance au radar, et elle s’étale sur une sphère de plus en plus grande à mesure de l’éloignement par rapport à ce dernier. L’image ci-contre montre ainsi la surface de deux sphères concentriques à différentes distances du centre. Le rayonnement s’étendant radialement depuis la source et croise des surfaces de plus en plus grandes à mesure qu’il s’en éloigne. Sa densité par unité de surface diminue donc avec la distance. Comme la surface augmente avec le carré du rayon de cette sphère, la puissance diminue inversement par le carré de ce rayon. Cette dépendance donne l'atténuation en espace libre.
Figure 2 : Évolution de la densité de puissance sur une surface sphérique selon la distance à la source.
- Calcul
Les radars n’émettent pas en continu dans une direction donnée mais en général font un balayage de l’horizon (surveillance aérienne et radar météo) en émettant des impulsions courtes. L’énergie émise dans une seule direction n’est donc pas constante. La densité de puissance est alors dépendante de la vitesse de rotation en azimut, de l'angle d'élévation, ce dernier pouvant aussi changer dans le temps, et du diagramme de rayonnement lors de l’émission dans la direction de l’observateur.
En pratique, cela signifie par exemple qu'un radar d'aérodrome balaie toutes les 4 à 5 secondes dans une direction mais seulement durant quelques millisecondes. Pour un radar météorologique cela se produit seulement une fois aux 5, 10 ou 15 minutes. Comme la densité de puissance est une valeur efficace, le rapport est deux fois plus faible.
Dans la direction des lobes cela donne :
| Densité de puissance = | Puissance moyenne | · | Gain d'antenne | · | Durée d'éclairage |
| Atténuation en distance | Atténuation des lobes secondaires | Temps de rotation |
| SA = | PAve · G · TD | mit: | SA = densité de puissance PAve = puissance équivalente d'onde continue (puissance moyenne) R = distance radar - point de mesure [m] G = gain de l'antenne ASL = Atténuation des lobes secondaires (rapport par rapport au lobe principal) TD = Durée d’éclairage de l’impulsion [s] tu = Rotation de l’antenne [s] |
(2) |
| 4 · π · R2 · ASL · tu | ||||
Avec cette équation, la densité de puissance à une distance de 2 000 mètres d’un radar émettant à une angle d’élévation de 0,5°, se situe entre un micro et un nano de watt par centimètre carré. Une puissance si faible est très difficile à mesurer et ne dépasse les limites réglementaires. En comparaison, un appareil électrique, comme un aspirateur, génère des ondes de radiofréquence plus importantes. Ces valeurs ne s’approchent nullement de la puissance isotrope rayonnée équivalente (PIRE) et l’exposition réelle aux rayonnements est donc négligeable.
Pour plus de détails sur des cas précis, s'il vous plaît contacter l'équipe de la radioprotection de votre pays.