Brevet FR2061503A1 — publié le 19710625

1. 2061503 la présente invention concerne des perfectionnements aux procédés de "balayage électronique*utilisés pour des aériens hyper-fréquence comportant une pluralité d'antennes, et aux sydèmes ainsi constitués. L'invention concerne notamment la réalisation 5 d'un aérien dont la forme du diagramme est modulé dans le temps de telle sorte que les modulations obtenues dans les diverses directions de l'espace leur soient caractéristiques et permettent de les identifier au moyen de corrélateurs bu de filtres adaptés. Sous une forme préférentielle mais non limitative, l'aérien est du 10 type réseau d'antennes à déphasage. Le procédé selon l'invention permet de réaliser de manière économique des-aériens de ce type à "balayage électronique et,- par.suite, des systèmes de détection électromagnétique comportant ces aériens. Il existe une grande analogie entre, d'une part, un signal 15 temporel et son spectre de fréquences et, d'autre part, le diagramme d'une antenne et la loi: d'illumination de sa surface focale. Cette loi d'illumination peut d'ailleurs être.considérée • comme le "spectre des fréquences spatiales" du diagramme de rayonnement. Cette analogie permet d'appliquer aux diagrammes d'anten- . 20 nés- les principes de traitement des signaux radar. On pourra notamment consulter sur ce sujet un article de S. Dra"bowitch paru dans "l'Onde Electrique" de mai 1965, pages 550 à 560, intitulé "Applications aux antennes dé la théorie du signal". Ces possibilités théoriques n'ont reçu jusqu'à présent que des applications 25 partielles et dans des domaines très limités. On peut par exemple citer les antennes synthétiques du type "Side looking" ou la simple antenne-dê poursuite à "balayage conique. Ainèi, dans le cas d'une antenne classique à rotation mécanique, les différentes directions de l'espace sont repérées au moyen d'un diagramme " 30 étroit "balayant le secteur angulaire utile et en comparant les instants d'apparition des signaux avec les orientations correspondantes du diagramme. Il en résulte un codage spatio-temporel particulier imposé par la nature.de l'antenne et des moyens de "balayage utilisés. 35 Le procédé selon l'invention s'appuie sur le fait que pour un aérien comportant une pluralité d'antennes, tel un réseau, l'action de dispositifs de contrôle de l'amplitude et/ou de la phase associés respectivement à chaque antenne permet de produire un nombre très élevé de diagrammes distincts. Dans le cas, par 40 exemple, d'un réseau.d'antennes à. déphasage, comportant IT éléments bad original 69 04137 2 2061503 associés à des déphaseurs quantifiés dont le nombre total d'états de phase différents est défini par chacun par u bits, le nombre total de diagrammes distincts pouvant être rayonnés est égal à 2^*a soit, par exemple, 2^®® pour 100 éléments et des 5 déphaseurs à 5 bits. Dans le cas de déphaseurs simplifiés à un seul bit (deux états de phase 0 pu TT ) le nombre total 2^ est encore très élevé, 2^0pour l'exemple- envisagé. les diagrammes de rayonnement correspondant aux diverses combinaisons des valeurs de contrôle de l'amplitude et/ou de la 10 phase ne présentent pas, de manière générale, les cautères » habituels de directivité et ont une allure erratique dépendant de la distribution effectuée le long du réseau. les réalisations connues n'utilisent qu'un nombre très restreint: des combinaisons possibles, chacune bien spécifique,de 15 manière à former un diagramme résultant directif. On connaît en particulier les réseaux uniformes à balayage électronique par variation identique du décalage de phase entre éléments successifs. Ces dispositifs permettent l'exploration spatiale très rapide par un (ou plusieurs) lobe étroit de rayonnement d'un secteur 20 angulaire déterminé. Ces dispositifs nécessitent des moyens de contrôle complexes et par suite onéreux, constitués souvent par des déphaseurs quantifiés à 4 ou 5 bits. On peut citer également les réseaux d'antennes du type multifaisceaux produisant un certain nombre de faisceaux directifs simultanés relatifs chacun à 25 une direction angulaire déterminée. Ces réalisations sont également très complexes ; elles nécessitent plusieurs récepteurs distincts et, en particulier, un joint tournant pourvu d'autant de voies qu'il y a de directions envisagées. Afin de remédier aux inconvénients cités, on procède selon 30 l'invention à unë sélection d'un groupe de diagrammes parmi * l'ensemble des diagrammes possibles, de manière à obtenir pour certaines directions échantillonnées de l'espace des modulations dans le temps qui leur sont particulières et permettant leur identification par corrélation ou filtrage adapté ; les diagrammes 35 sélectionnés n'étant pas, en particulier, astreints à présenter les critères habituels de directivité. Le procédé utilisé permet de réaliser des systèmes électromagnétiques de détection où la partie aérien et ses moyens de contrôle et de commande sont conçus de manière simple' et 40 économique. 69 04137 3 2061503 Le procédé selon l'invention peut être généralisé pour un N quelconque d'un groupement d'antennes, chacune d'elles étant associée à un dispositif de . contrôle de la phase et éventuellement de l'amplitude, du type à variation continue ou discontinue. 5 Les caractéristiques de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui suit donnée à titre d'exemple non limitatif à l'a.ide de la figure unique annexée qui représente un schéma d'un système électromagnétique de détection conforme- à l'invention. ... 10 Le procédé de "balayage électronique utilisé s'applique à un dispositif aérien comportant une association d'antennes. Une configuration fréquente, utilisée pour des systèmes de détection électromagnétique, est uri aérien du type réseau d'antennes. On considérera que l'aérien est de ce type sans pour autant intro-15 duire de limitati'on pour l'invention ainsi qu'il apparaîtra dans ce'qui suit. Un réseau à IT éléments A1 à AU est représenté schématiquement sur la figure annexée. Chaques élément Aj est associé à un dispositif de contrôle Dj de l'amplitude et de la phase dudit- élément. Les dispositifs de contrôle D1 à DU sont 20 commandés séparémènt et simultanément par un dispositif de commande -C. Généralement, les dispositifs de contrôle D1 à DN sont du type déphaseurs quantifiés commandés à partir d'un calculateur On a vu précédemment que le nombre de diagrammes possibles est très élevé. Conformément à l'invention une sélection préalable 25 d'un certain nombre de ces diagrammes est opérée pour obtenir des modulations dans le temps particulières selon des directions spatiales échantillonnées. Il en résulte un code de modulation déter miné fourni par le dispo'sitif de commande C. Selon une forme préférentielle, qui ne. àoit pas être considérée comme limitative, le 30 code comporte une série de M échantillons de durée élémentaire 5 appliqués à différents instants t1, t2 ... ti ... tM. L'incrément de temps S peut par exemple correspondre à la^durée d'une impulsion brève d'émission radar. L'expression complexe de l'amplitude et/ou de la phase d'un élément Ai peut être désignée par l'expres 35 sion aj(ti), en supposant qu'elle reste inchangée au cours de la .durée d'application de l'échantillon d'ordre i du code de modulation, soit de ti a ti+6 dans l'exemple envisagé. Il est ainsi produit une succession de M distributions d'amplitude et/ou de phase le long du réseau qui définissent un code spatio-temporel 40 pouvant être représenté par la matrice suivante : 69 04137 4 2061503 al(t1) aj (t1 )........ alf(t1) al(t2) aj(t2) a¥(t2) a1 (ti) aj (ti)... aN(ti) a1 (tM) aj(tM) all(tM) Les diagrammes de rayonnement correspondant à ces distributions ne présentent a priori aucunes caractéristiques de directivité semblables à celles d'un réseau uniforme. A chaque instant, 10 le diagramme de rayonnement résultant est. la transformée de Pournier de la distribution correspondante existant à ce moment le long du réseau tel que a1(ti) ... aj(ti) ... aN(ti). En consé-~ quence, chaque direction ÔK de l'espace est le siège d'une modulation d'amplitude et/ou de la phase à laquelle correspond au 15 niveau du récepteur un signal F(QK, t) particulier à cette direction. L'exploitation des signaux reçus provenant des diverses directions de l'espace est effectuée au moyen de corrélateurs ou de filtres adaptés. L'échantillonnage d'un groupe de directions spatiales prédéterminées et par suite du code de modulation, est 20 effectué de façon que les signaux disponibles en sortie des corrélateurs ou des filtres adaptés, qui sont en nombre égal à celui des directions sélectionnées, traduisent sans ambiguité des signaux utiles correspondant à des cibles réfléchissantes ou répondeurs localisés uniquement selon les directions ©K.corres-25 pondantes ou très sensiblement selon ces directions. De la sorte, tout signal correspondant à une direction ":OK,ou voisine de QK, doit fournir un signal utile en sortie de la voie ÔK et des signaux de valeur nulle ou très atténuée inférieureà.un seuil 'déterminé selon les voies autres que ÔK. Une solution intéressante 30 Go'nsiste à produire des signaux orthogonaux à partir d'une matrice spatio-temporelle orthogonale'd'ordre ÏT. Afin d'éviter des indéterminations sous forme notamment d'ambiguïtés de localisation angulaire, le nombre total P de directions échantillonnées est choisi inférieur ou au plus égal 35 au nombre H d'éléments du réseau. Suivant une version préférentielle le nombre P est pris égal à N/2 ou voisin de cette valeur. Le nombre M d'échantillons du code de modulation est choisi de préférence de valeur élevée et au moins égal au nombre P de directions échantillonnées. *0 Si la réception s'effectue au moyen de corrélateurs, il est 69 04137 5 2061503 nécessaire d'élaborer les signaux,temporels de référence F*{ôK, t), conjugués des signaux F(©K, t) relatifs aux P directions échantillonnées. Le ou les signaux F(ô, t) issus des différentes directions ô inconnues de l'espace exploré sont comparés 5 aux signaux de références précédents dans une batterie de P corrélateurs alimentés, en parallèle, par les signaux reçàs F(©, t) et respectivement, par le signal de référence. P*(©E, t) relatif à une direction ÔK. Les corrélateurs engendrent des signaux théoriquement constants représentant les valeurs des fonctions de corrélp.-10 tioa angulaire relatives aux directions ô des signaux reçus exprimées pour le cOrrélateur correspondant à une direction ©K par ; vy (© .- ÔK) » F*(6K, t) F(6, t) . Cette fonction est la transformée de Pourier du carré du module dé l'illumination le long du réseau, c'est-à-dire, de la dis-15 tribution de l'intensité le long du réseau. Elle comporte donc,en général, un lobe principal et des lobes latéraux dont le niveau dépend de l'apodisation de 1-'illumination.-Pa,r analogie avec les techniques optiques, l'apodisation de l'illumination consiste à créer une distribution d'intensité non constante le long du ré-20 seau, maximale dans la partie centrale et décroissante au.fur et à mesure que l'on s'en éloigne, de manière à obtenir des lobes latéraux très atténués, en particulier, les lobes secondaires. La fonction^ joue, par comparaison, le rôle du diagramme élémentaire d'une antenne multifaisceaux. Les signaux issus des corrélateurs 25 donnent donc simultanément la distribution angulaire des ondes reçues. Lorsque lès signaux reçus sont traités au moyen d'une batterie de filtres adaptés aux signaux correspondant aux diverses directions échantillonnées, on obtient des signaux temporels dont 30 les amplitudes maximales représentent les valeurs de fonctions d'autocorrélation précédentes et dont les variations temporelles sont les fonctions d'autocorrélation des codes relatifs à chaque direction. Ces signaux temporels ont une àurée élémentaire correspondant à celle ô d'un échantillon du code de modulation et 35 leur instant d'apparition fournit l'information distance. Une forme de réalisation intéressante particulièrement envisagée pour l'invention, par le fait qu'elle conduit à une grande simplification de l'équipement, est celle où l'on utilise des dispositifs déphaseurs 3)1 à DU à un seul bit (2 états de phase 0 ou 4-0 "ïï ). La matrice correspondant au code spatio-temporel peut alors 69 04137 6 2061503 être schématisée par an tableau de signes + ou On pourra, par exemple utiliser la matrice orthogonale d'ordre 8 suivante : aV a 2 a3 a4 a5 a6 a7 a8 t1 - + + + + + + + + 5 t2 + + + + - - t3 + + - - - - - + + t4 + + - - + + - - t5 + - - - + + i. - - + t6 + - + - + - + - 10 t7 + . - + - - - - + - + t8 + - - + - + + — Chaque signe donne naissance à un diagramme orthogonal aux -autres diagrammes. Les déphaseurs et leur dispositif de commande peuvent être réalisés de manière simple et économique ; il y a 15 réduction importante des pertes d'insertion due aux déphaseurs ; le dispositif nécessite un seul récepteur ce qui constitue un avantage important par rapport aux systèmes à antennes multifais-ceaux. le dispositif de command C des déphaseurs ne nécessite pas un calculateur et peut être aisément constitué sous forme d'un 20 générateur de code précâblé délivrant également, lorsque la réception est du type à corrélation, les signaux de référence. Le nombre de corrélateurs, ou de filtres adaptés, est égal au nombre de directions échantillonnées de l'espace à surveiller. Par exemple, un réseau de longueur 60 longueurs d'ondes surveil-25 lant un secteur de 30° nécessite 30 corrélateurs ou filtres pour obtenir une discrimination angulaire de l'ordre du degré. Le nombre de matrices orthogonales, a priori satisfaisantes, est très élevé. Le choix des codes doit être effectué dans chaque cas • en fonction de divers critères portant sur la fonction d'ambiguïté 30 spatiotemporelle et de manière à optimiser le système dans le cadre d'un problème opérationnel donné. Le procédé décrit peut être mis en application selon diverses formes de réalisation dont quelques unes sont décrites ci-après à titre indicatif à l'aide de la figure annexée. 35 Ûne première forme de réalisation concerne un système radar codé à la réception uniquement. Selon cette application, les objets dont on désire connaître les coordonnées spatiales sont supposées être des sources radio-électriques autonomes, tels des "causeurs" ou "répondeurs", ou des objets passifs, tels des cibles 40 fixes ou mobiles, illuminés au moyen d'un diagramme d'émission non 69 04137 7 2061503 codé et approximativement uniforme dans la zone angulaire utile, l'aérien comporte un réseau de sources A1 à AN associés à des déphaseurs quantifiés D1 à DN commandés à partir d'un générateur de code précâblé C. l'illumination de la zone spatiale utile s'effec-5 tue au moyen d'un émetteur E alimentant, de préférence, un aérien omnidirectionnel séparé-, non représenté sur la figure. Des circuits de réception E disposés en aval du réseau délivrent les signaux reçus, à une batterie de circuit d'identification 11.à IP correspondant aux P directions échantillonnées dans la zone angu-10 laire exploitée. les signaux de sortie S1 à SP sont ensuite distribués à des circuits de traitement et d'exploitation non figurés. Dans les conditions d'utilisation précitées les signaux ?(©, t)-, correspondent soit à ceux reçus à partir de sources exté-15 rieures émissives, soit à ceux réfléchis par des objets situés dans le domaine spatial couvert par l'émetteur. L'instant d'arrivée de ces derniers signaux notamment, est .inconnu a priori et dépend de la distance des objectifs. Le décodage est effectué au • aqren' de corrélateurs, symbolisés par les circuits 11 à IP, ali-20 mentés en permanence et par exemple de façon cyclique par P signaux de référence J*(ôE, t) correspondant au codage effectué au même instant le long du réseau. De cette manière, quel que soit l'instant d'arrivée d'un signal, celui-ci n'est codé qu'à l'arrivée puis immédiatement décodé au moyen du corrélateur possédant 25 le code de référence co:qrespondant. Les signaux de référence ]?*(©K, t) sont délivrés à partir du générateur de cpde C. Les signaux dé sortie S1 à SP correspondent respectivement aux fonctions de corrélation ^ (© - ©1 ) à v^>(© - ©P) pour les différentes directions échantillonnées. Si la cohérence des signaux est 30 maintenue au cours de la mâdulation spatiotemporelle, le rapport signal/bruit obtenu est le même que dans le cas d'une antenne à balayage classique ou d'une antenne multifaiseeaux. Si la cohé--rence n'est pas maintenue il peut y avoir une perte due à l'intégration non cohérente. 35 - Une seconde forme de réalisation concerne un système radar du type à impulsion brève, codé à l'émission et à là réception.Chaque impulsion est émise avec un code spatial donné fixe pendant la £urée 6 de l'impulsion. L'émetteur E alimente le réseau à travers yin dispositif dupleuxeur DX et un distributeur B. Pendant l'inter-40 valle de récurrence ï séparant deux impulsions d'émission succès- 69 04137 2061503 sires, le radar est ©a état de réception avec le même code spatial» lia totalité du code spatio-temporel est. utilisé au cours de fif périodes successives. Ainsi, les signaux issus d'un obstacle réflécMssaot placé suivant une direction ÔK ou voisine, forment 5 une suite d'impulsions séparées par l'intervalle de récurrence T dont les amplitudes et phase caractérisent cette direction. Ces impulsions1 sont de la forme : F(0K,t)2r F(©K, t+T)2 ... F(©K, t+mT)2 ... F(©K, t+KT)2 L'instanrt d'arrivée de ces impulsions est inconnu a priori et 1° les moyens d'identification sont constitués par des filtres adaptés 11 à IP dans ce cas délivrant, à partir des signaux précédents appliqués en parallèle à leurs entrées, les signaux de sortie constituant respectivement les différentes fonctions de corrélation v^(© - ©K, t) cherchées quel que soit l'instant t. La con-15 servation de la phase nécessite la cohérence des signaux émis et reçus pendant la durée de la séquence caractérisant le code. En particulier, il y a lieu de tenir compte des effets Doppler et des fluctuations de cibles. Dans le cas présent le rapport signal/bruit intégré pendant la durée de la mesure dépend du type 20 de code utilisé et certains codes sont préférables aux autres de ce point de vue. C'est le cas de codes spaciaux périodiques ou presque périodiques pairs et impairs qui délivrent des diagrammes possédant deux lobes principaux symétriques, pairs ou impairs et dont la direction dépend de la période du code utilisé. 25 -Une autre forme de réalisation concerne un système radar à compression d'impulsion, où le code total est effectué pendant la durée T égale à M5 de chaque impulsion émise. Le procédé de codage spatio-temporel permet d'obtenir simultanément l'information angulaire et l'information distance par compression de diagrammes et 30 d'impulsion. Chaque impulsion longue de durée "t comporte M codes élémentaires de durée 6. Les moyens d'identification sont également constitués par des filtres adaptés. Les signaux de sortie des filtres sont constitués par des impulsions comprimées ayant la durée élémentaire 5 du code et donnant l'information distance. Ici 35 encorè l'emploi de codes spaciaux presque périodiques est favorable au rapport signal/bruit. D'autres formes de réalisation résultant de diverses combinaisons peuvent être faites, par exemple un codage dans l'impulsion et à la réception. Des systèmes radar utilisant le procédé 40 selon l'invention présentent des performances intéressantes et 69 04137 9 2061503 peuvent être réalisés soas forme simple et économique; ea utilisant notamment un réseau d'antennes linéaire régulier, des dépba-sears à un "bit, et un générateur de codes précâblé. bad original 69 04137 W 2061503 'BITIIBIC.AIIOÎIS , - f» Procédé âe balayage électronique d'an, aérien hyperfréquence . comportant une pluralité d'anténnes (A1 à AN) contrôlées chacune en amplitude et/ou en phase par un dispositif de contrôle (Bj), 5 lesdits dispositifs (Dt à Dn) étant commandés séparément et simul-. tanément par des signaux provenant d'un dispositif de commande (C) ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser une succession de M signaux dite "code de-modulation" permettant d'obtenir un groupe de M diagrammes, sélectionnés parmi, la tota-10 lité des différents diagrammes possibles, lesdits diagrammes produisant des modulations spatio-temporelles suivant P directions spatiales échantillonnées (©1 à ©£) dans la zone angulaire d'exploitation envisagée ; l'échantillonnage des directions et le code de modulation étant déterminés pour assurer, dans des con-15 ditions sensiblement optimales l'identification des signaux reçus en distance et/ou en direction (©K), au moyen de filtres adaptés ou de corrélateurs en nombre P. 2. Procédé selon 1 où les dispositifs de contrôle D1 à DÎT présentent chacun u bits d'information définissant le nombre total 20 d'états distincts, et où le code de modulation comporte M signaux à u bits de même durée élémentaire 6 délivrés successivement à des instants t1 ...ti ... tM déterminés. 3. Procédé selon 1 ou 2 où le code spatio-temporel correspondant au M distributions d'illumination des ïï antennes constitue une 25 matrice orthogonale. 4- Système de détection électromagnétique réalisé selon le procédé défini en 1, 2 ou 3, comportant dans la chaîne réception une batterie de P circuits d'identification 11 à IP alimentés en parallèle par les signaux reçus. 30 5. Système selon 4 où les circuits d'identification sont des corrélateurs recevant par ailleurs, respectivement, un signal de référence F*(©K,t) correspondant au signal conjugué du signal temporel codé en amplitude et/ou en phase selon la direction ©K considérée, lesdits signaux de référence F*.(©1,t) à ï*(©#?t) étant 35 distribués par un circuit annexe. 6. Système selon 4 où les circuits d'identification sont des filtres adaptés. T « Système, selon 5 ou 6 où l'aérien est du type réseau d'antennes déphasage et où les dispositifs de contrôle sont du type dépha-40 seurs quantifiés à u bits. bad original 69 04137 11 2061503: 8. Système selon. 7 où les déphaseurs sont à un "bit (0 ouïr). 9. Système selon 7 ou 8 où le code de modulation est déterminé de façon à obtenir des codes spaciaux (distributions le long du réseau) périodiques, ou sensiblement périodiques, qui produisent 5 des diagrammes possédant deux lobes principaux symétriques ou antisymétriques selon la parité du code. 10. Système selon 7, 8 ou 9 où le dispositif âe commande est un générateur de code précâblé délivrant d'une part le code de modulation et d'autre part, dans le cas d'identification par corré- 10 lation, les signaux de référence P*(0Z, t).