Le mot RADAR vient initialement d'un acronyme américain, RAdio Detection And Ranging, que l'on peut traduire par « détection et mesure de la distance par ondes radio ». Dès la fin du 19ème siècle, Heinrich Hertz montre que les objets réfléchissent les ondes radio. L'idée de s'en servir pour détecter des objets et mesurer leur vitesse apparaît au début du 20ème siècle. Les premiers radars voient le jour dans les années 30, et sont installés sur des bateaux, afin de permettre de détecter la présence d'autres navires quand la visibilité est mauvaise. La seconde guerre mondiale va voir un développement considérable des radars, qui sont un dispositif stratégique dans la guerre aérienne.

Les radars ont été initialement mis au point pour simplement détecter la position de navires ou d'avions, et c'est encore le cas pour les radars utilisés dans le contrôle aérien. Leur principe de fonctionnement est le suivant : le radar émet un rayonnement électromagnétique, semblable à la lumière mais d'une longueur d'onde différente. Le rayonnement est partiellement réfléchi par l'avion à détecter, et revient vers le radar. Celui-ci est muni d'un détecteur, qui lui permet de mesurer le temps mis par l'onde électromagnétique pour faire l'aller retour entre le radar et l'avion à détecter. Comme les ondes électromagnétiques se propagent toutes à la vitesse de la lumière, soit environ 300 000 km/s, et connaissant le temps de parcours, il suffit de multiplier les deux quantités pour connaître la distance de l'avion. Par exemple, si le signal radar met 0.1 microseconde, cela signifie que le signal a parcouru 30 km, et donc que l'avion se trouve à 15 km.

La plupart des radars fonctionnent dans le domaine des micro-ondes, une classe particulière d'ondes radio. Il s'agit d'une onde électromagnétique, comme la lumière visible. Seule la longueur d'onde change : inférieure au micromètre pour la lumière visible, elle va de 1 mm à 30 cm pour les micro-ondes, et jusqu'à plusieurs dizaines de mètres pour les ondes radio.

Ce sont les radars à très longue portée qui utilisent les ondes radio de grande longueur d'onde. Les radars de contrôle aérien, les radars maritimes, ou les radars de contrôle de vitesse, utilisent des micro-ondes. Celles-ci sont produites de la même façon que dans un four à micro-onde, à l'aide d'un magnétron.

On parle parfois de l'effet Doppler-Fizeau plutôt que de l'effet Doppler. S'agit-il de la même chose ? Oui ! C'est Christian Doppler, un autrichien, qui le présente le premier en 1842. Il s'agit alors d'un effet s'appliquant à n'importe quel type d'onde, et une démonstration est faite trois ans plus tard avec une onde sonore. En 1848, Hippolyte Fizeau, un français, découvre le même effet indépendamment sur les ondes électromagnétiques, alors qu'il ne connaissait pas les travaux de Doppler. Le terme « effet Doppler Fizeau » n'est utilisé qu'en France. Ailleurs, il s'agit simplement de l'effet Doppler.

Un radar de contrôle de vitesse émet une onde électromagnétique de fréquence F, et mesure la fréquence Fr de l'onde retour. La vitesse du véhicule est simplement proportionnelle au rapport des deux fréquences. Si c est la vitesse de la lumière dans l'air, on a précisément :

Mais attention ! On ne peut détecter que la composante radiale de la vitesse, c'est-à-dire la partie du mouvement qui fait se rapprocher ou s'éloigner le véhicule par rapport au radar. Par exemple, si le radar est perpendiculaire à la route, la vitesse de la voiture vers le radar est égale à zéro, et le radar mesure donc une vitesse de 0 km/h. Au contraire, si le radar est au milieu de la route, dans le sens de circulation, il mesure la vitesse réelle de la voiture. En pratique, le radar est au bord de la route, et fait un angle avec la direction de circulation. La vitesse mesurée est donc intermédiaire, et pour obtenir la vitesse réelle, il faut appliquer un facteur de correction correspondant à l'angle que fait le radar avec la route. Les radars sont souvent calibrés pour un angle de 25°, soit un facteur correctif d'environ 10%. Et si un radar calibré pour un angle de 25° est positionné selon un autre angle, la vitesse qu'il évaluera au final sera erronée.

Un laser émet de la lumière visible (violet, bleu, vert, jaune ou rouge) ou infrarouge. Dans ce dernier cas, la lumière n'est pas visible par l'œil, simplement parce l'œil n'est pas sensible à cette couleur. Mais il s'agit dans tous les cas d'un rayonnement électromagnétique, similaire aux ondes radio ou aux microondes. On pourrait donc utiliser l'effet Doppler pour mesurer avec un laser la vitesse d'un véhicule, mais pour des raisons techniques liées à des fréquences plus élevées, on préfère utiliser des mesures de distance successives. Comme de plus le laser émet un faisceau très directif, on peut « viser » un véhicule éloigné de plusieurs centaines de mètres, et ainsi réduire significativement l'angle de visée par rapport à la trajectoire du véhicule. Les jumelles laser sont d'ailleurs calibrées pour un angle de 0°. L'angle réel est forcément un peu plus grand, ce qui a pour conséquence que la vitesse mesurée est inférieure à la vitesse réelle.

Les microondes sont très perturbées par l'eau, et les radars microondes peuvent donc être utilisés pour détecter la pluie. On voit souvent des animations montrant le déplacement des zones de pluie au cours d'une journée : elles ont été obtenues grâce à l'utilisation de radars. Le radar est utilisé ici simplement en télémètre, comme décrit dans le complément « les radars de contrôle aérien ».

Le Doppler médical n'utilise pas d'ondes électromagnétiques, mais le son ! Le son est aussi une onde, dont la vitesse est aussi connue : c'est par exemple environ 340 m/s dans l'air et 1200 m/s dans l'eau. On peut donc s'en servir aussi pour mesurer des distances, en utilisant la méthode décrite dans le complément « Les radars de contrôle aérien ». On envoie l'onde sonore vers l'objet à détecter. Une partie de l'onde est réfléchie : c'est le phénomène de l'écho. En mesurant le temps mis par l'onde pour faire l'aller retour, on en déduit la distance de l'objet. C'est sur ce principe que fonctionnent la plupart des télémètres bon marché qu'on trouve dans les grandes surfaces de bricolage, ou encore les radars de recul des voitures (qui ne sont donc pas des radars). Le son utilisé dans ces applications est dans le domaine des ultrasons, non audibles par l'homme, à la fois pour des raisons de commodité et pour une meilleure précision.

Dans l'eau, les ondes radios ou microondes se propagent mal, et un sous-marin, par exemple, ne peut pas utiliser un radar pour repérer les obstacles. Il utilise un sonar, un dispositif analogue qui utilise les ondes sonores au lieu des ondes radios. C'est exactement le même principe qui est utilisé lors d'une échographie : simplement, l'appareil est couplé à un système d'analyse un peu plus complexe, afin de restituer des images plus détaillées.

Et bien sûr, comme pour les radars, on peut aussi utiliser l'effet Doppler pour mesurer, en plus des distances, la vitesse de ce que l'on visionne. C'est justement l'objectif de l'examen Doppler. En mesurant la vitesse d'écoulement du sang dans les artères et dans les veines, on peut établir un diagnostic sur l'état de ces vaisseaux sanguins.

C'est l'acronyme de Light Detection and Ranging, c'est à dire « détection et mesure de la distance par la lumière ». Le lidar est donc un dispositif en tout point identique au radar. Seule la longueur d'onde de l'onde électromagnétique change, puisque le mot « lumière » fait référence à la lumière visible et aux infrarouges. La source émettrice de l'onde n'est plus un magnétron, mais un laser. Par conséquent, le dispositif utilisé dans les jumelles laser est un lidar. Mais en France, on réserve plutôt ce mot aux dispositifs d'analyse de l'atmosphère : les lidars sont des instruments qui envoient un faisceau laser dans l'atmosphère et analysent le faisceau retour. On peut en déduire par exemple la densité de microparticules et leur altitude, ou encore, grâce à l'effet Doppler, la vitesse du vent en altitude.