Brevet FR2101100A1 — publié le 19720331

21Ot100 La présente invention est relative à des perfectionnements aux antennes de couverture radar et concerne plus spécialement des antennes de couverture "basse. La couverture d'un ra.dar et plus spécialement celle d'un. 5 radar de veille est l'espace aérien qui est suryeill'é' dans le plan vertical» Cette couverture qui s'exprime en kilomètres carrés dépend des différents paramètres-intervenant dans l'équation du radar et des possibilités d'exploitation des signaux qu'il délivre» lia forme de la couverture dépend essentiellement de la forme du 10 diagramme de rayonnement de l'antenne et ce dernier étant relevé lors de l'étude de l'antenne, la couverture du radar peut être aisément tracée en espace, libre# D'une façon générale l'antenne d'un radar est placée au-dessus du sol ou de la mer de sorte que le champ de l'antenne en utl point 15 de l'espace est 'la• somme en amplitude et en "phase du champ qui se propage directement du point considéré à l'antenne et du champ provenant de la réflexion sur le .soi ou la mer» Dans ces conditions il est aisé de montrer qu'en présence du sol ou d,une surface réfléchissante horizontale le diagramme de couverture de 20 l'antenne présente une série de maximums et de minimums de. sorte qu'en présence di^ol, pour des angles de site faibles, la portée peut être doublée dans certaines directions alors que dans 1'autre elle devient presque nulle empêchant la détection des cibles» La présence du sol rend ainsi la détection d'avions volant 25 bas très aléatoire et si pour une antenne ordinaire également sensible aux ondes directe et réfléchie, ces ondes sont en opposition de phase pour -une incidence déterminée', leurs effets seront annulés et le diagramme d'antenne présentera un creux dans cette direction. 30 Des solutions ont déjà été envisagées pour pallier ces incon vénients dus à la présence du sol et se manifestant par une détérioration de la détection des cibles et principalement de celles volant bas» On peut par exemple diminuer la valeur du champ rayonné dans 35 la direction de 1'horizon ou s'arranger pour que la hauteur du 70 30702 2101100 - 2 - centre de phase de l'antenne au-dessus de la surface réfléchissante soit faible devant la longueur d'onde dé travail. La diminution du champ rayonné dans la direction de l'horizon peut être obtenue en augmentant la hauteur du réflecteur d'antenne, ce qui pose 5 pour le moins des problèmes mécaniques sérieux et en augmente le prix. La diminution de la hauteur du centre de*phase au-dessus de la surface peut être obtenue en disposant l'antenne dans une fosse dont la profondeur est réglée pour qUe le centre de phase affleure le niveau du sol. Cependant, la présence du sol altère 10 encore le diagramme de rayonnement en supprimant pratiquement tout rayonnement dans un angle de quelques degrés au-dessus de l'horizon. Des avions volant bas peuvent donc ne pas être détectés. L'objet de la présente iûvention est de remédier aux inconvénients cités des antennes ressortissant de l'art antérieur, 15 dus à la présence du sol ou de la mer et particulièrement gênants pour la détection d'avions volant sous des sites de faible valeur. Suivant l'invention, On ajoute à l'antenne considérée qui constitue une voie somme, une voie différence, de sorte que l'antenne rayonne tin diagramme somme et un diagramme différence ce 20 dernier constitué par deux lobes symétriquegfcar rapport à l'axe de l'antenne et déphasés de 180° l'un par rapport à l'autre. Il en résulte que le diagramme différence se comportant à l'inverse du diagramme somme, les ondes directe et réfléchie s'annulent dans la voie différence si elles sont en phase et s'ajoutent si 25 .elles arrivent en opposition de phase, alors que dans la voie somme dans ce cas précis, les ondes s'annulent. En ajoutant à l'antenne considérée une voie différence, on peut de la sorte disposer dans tous les cas dejl ' énergie re-rayonnée par la cible. On crée ainsi une nouvelle classe d'antennes capa— 30 bles de fonctionner dans des cas où les antennes conventionnelles pouvaient ne pas recueillir d'information, ces conditions de fonctionnement ouvrant la voie à différentes possibilités d'exploitation desdites antennes» D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appa-35 raîtront au cours de la description qui suit donnée à titre d'exemple non limitatif, à l'aide des figures qui représentent s 70 3Ô702 2101100 - 3 - - la figure 1, un diagramme synoptique d'utilisation alternative des voies d'une antenne selon l'invention ; - la figure 2, un diagramme synoptique d'utilisation d'une antenne selon l'invention avec émission dans les deux voies et récep- 5 tion sur chaque voie ; - la figure 3,un diagramme synoptique d'utilisation d'une antenne avec émission alternativement sur les deux voies puis émission dans la voie la plus favorisée ; - la figure 4, un diagramme synoptique d'utilisation d'une antenne 10 avec émission simultanée dans les deux voies puis émission dans la voie la plus favorisée ; - la figure 5, un diagramme synoptique d'utilisation d'une antenne avec adaptation du couplage somme-différence ; - la figure 6, une variante de la figure précédente ; 15 - la figure ?, un diagramme de couverture obtenu avec un radar conventionnel ; et - les figures 8 et 9,deux diagrammes de couverture obtenus avec des radars fonctionnant suivant les principes de l'invention. Ainsi qu'on l'a indiqué dans le préambule de la présente 20 description, la détection des avions volant bas ou sous des angles de site faibles, présente des lacunes pour des antennes classiques qui en présence d'une surface réfléchissante, sol ou mer, risquent suivant la phase des ondes directe et réfléchie ainsi que la longueur des chemins parcourus, de ne pouvoir 25 recueillir 11 énergie renvoyée par la cible éclairée par l'antenne. Suivant l'invention l'adjonction à l'antenne d'une voie différence dont le diagramme se comporte à l'inverse du- diagramme de la voie somme, permet dans tous les cas de recueillir de l'énergie de la cible. Cependant il est souhaitable que l'antenne 30 recueille toute la puissance qui est re-rayonnée par la cible et pour ce faire il faut que son illumination propre, c'est-à-dire la manière dont sa sortie est couplée aux éléments de sa surface reproduise la forme de l'onde incidente, ce qui suivant les cas entraîne l'antenne à avoir soit une illumination du type 35 somme, soit une illumination du type différence, soit une illumination d'un type mixte. Ces constatations mènent à la 70 5Ô702 2101100 - 4 - considération de l'utilisation des antennes comportant une voie somme et une voie différence, en écartant toutefois l'utilisation en monopulse qui ne répond pas aux mêmes impératifs et est plus spécialement axée sur des mesures d'angles. 5 L'adjonction d'une voie différence à une antenne classique dont l'alimentation constitue alors la voie somme, se résout de façon simple par l'interposition sur la connexion menant du récepteur à l'antenne d'un circuit capable de faire la somme ou la différence des signaux reçus. Ce circuit est par exemple un Té 10 magique. Dans ce qui suit on va décrire différentes possibilités d'exploitation d'antennes modifiées suivant l'invention pour permettre la détection d'avions volant bas. La figure 1 représente un diagramme synoptique d'utilisation 15 alternative de l'une et l'autre voie d'une antenne suivant 1'invention. L'antenne 1 est couplée par une voie somme S et une voie différence D à un commutateur 2 commandé par le circuit 3» Un commutateur 4 d'émission réception permet de passer alternati-20 vement de l'émetteur 5 au récepteur 6 et vice versa. A l'aide du commutateur 4, l'émetteur 5 et le récepteur 6 sont couplés alternativement à la voie somme et à la voie différence par l'intermédiaire du commutateur 2. Le temps de passage du faisceau d'antenne sur la cible étant T, le commutateur de 25 voies 2 est sollicité à la cadence T/2 par le circuit 3 qui peut être un générateur d'impulsions programmé de sorte que pendant un temps T/2, la cible est éclairée par le diagramme somme uniquement et pendant le temps ^/2 suivant elle est éclairée par le diagramme différence. Dans cet exemple par conséquent la cible 30 est écla-rée alternativement pendant un temps déterminé par l'une et l'autre voie. A la réception dans ce typé d'exploitation on reçoit l'énergie, qu'elle provienne de la voie somme ou de la voie différence, dans le récepteur de sorte qu'en fait la cible n'aura pu être 35 détectée avec le bon diagramme que pendant la moitié du temps de passage du faisceau sur elle. Toutefois on aura profité de la 70 30702 2101100 _ 5 - -■ réflexion sur le sol# la figure 2 montre un diagramme synoptique d'une variante d'utilisation de l'antenne. Dans ce cas, on émet au contraire de l'utilisation précédente simultanément sur les deux voies somme 5 et différence de l'antenne 1 et on reçoit séparément sur chaque voie, cette disposition impliquant la présence d'un récepteur 60 dit récepteur somme et d'un récepteur 61 dit récepteur différence.. Les deux récepteurs sont connectés à un indicateur I à travers un circuit 0U7. Dans un tel système, on émet la moitié de la 10 puissance dans le bon diagramme, mais à la réception on recueille toute la puissance contenue dans l'onde incidente directe et réfléchie. Ce système rend nécessaire la présence de deux récepteurs et provoque l'émission sans but, d'une partie de l'énergie lorsque la cible a été localisée à partir d'un des diagrammes.de 15 rayonnement. La figure 3 représente un diagramme synoptique d'utilisation, dans le cadre de la présente invention d'une antenne autoadaptive c'est-à-dire comportant des moyens qui lui permettent de modifier ses conditions de fonctionnement de façon optimale lorsque la 20 cible a été détectée. En veille, il y a émission alternative dans le diagramme somme et le diagramme différence, puis après "alarme" qu'elle soit vraie ou fausse, il n'y a plus émission que dans la voie la plus favorisée. 25 L'antenne schématisée en 1 est reliée par ses voies S et D à un commutateur de voies 2 commandé par le circuit 3# Le commutateur 2 est connecté au commutateur émission réception 4 relié d'une part à l'émetteur 5 et d'autre part au récepteur 6. Un circuit 8 capable d'intégrer les signaux reçus dans les deux voies 30 S et D et de les comparer, relie le récepteur 6 au circuit de commande 3» En veille le fonctionnement est le suivant. Tout comme dans le cas de la figure 1, on émet alternativement dans l'une et l'autre voie pendant un temps T/2 de l'ordre de la moitié du temps-35 de passage du faisceau de l'antenne sur la cible. Le circuit de commande 3 actionne le commutateur 2 dans ce sens. Pendant les 10 30101 2101100 - 6 - instants où a lieu la réception, le récepteur reçoit l'énergie de la cible et la traite de façon connue pour délivrer un signal écho envoyé d'une part à un indicateur d'alarme I et au circuit 8. Ce circuit qui n'est pas décrit de façon détaillée remplit une 5 fonction d'intégration et une fonction mémoire, additionnant les signaux reçus alternativement de la voie somme et de la voie différence. Ce circuit procède ensuite à une comparaison systématique de ces signaux intégrés et suivant le résultat de la comparaison commande par l'intermédiaire du circuit 3, l'émission 10 sur la voie somme ou sur la voie différence ; à partir de cet instant l'émission se fait sur la voie la plus favorisée» la figure 4 représente un diagramme synoptique d'utilisation d'une antenne autoadaptive suivant l'invention émettant en veille simultanément sur les voies somme et différence et passant, après 15 une alarme à l'émission dans la voie la plus favorisée. Les voies somme S et différence D associées à l'antenne schématisée en 1 sont connectées respectivement aux commutateurs émission réception 40-41. Un de ces commutateurs 40 est connecté à un récepteur somme 60 tandis que l'autre 41 est commandé à 20 un récepteur différence 61. Les commutateurs émission-réception sont d'autre part connectés à l'émetteur 5 par l'intermédiaire d'un dispositif de commutation 9 qui détermine l'émission dans la voie la plus favorisée suivant les signaux recueillis par les récepteurs. Un circuit 0U7 connecte les récepteurs somme 60 et 25 différence 61 à un indicateur d'alarme I. Le dispositif de commutation 9 comprend de façon schématique plusieurs commutateurs 10, 11, 12. A l'émission en fonctionnement veille, l'émetteur 5 est connecté au plot central 101 du commutateur 10 qui est relié à un plot 122-112 de chacun des 30 commutateurs 12 et 11 et qui permettent de ce fait 1'émission simultanée dans les voies somme et différence à travers les commutateurs émission réception 40-41. A la réception l'un ou l'autre des récepteurs 40-41 délivre un signal qui est dirigé sur un circuit de commande 13 ou 14 suivant le cas. Ce circuit peut 35 être un circuit à seuil d'ébasage bas par exemple, pour qu'il soit très sensible et réagisse à la moindre alarme. Cependant la 70 30702 2101100 - 7 - signalisation de cible se fait par des sorties à seuil d'ébasage normal pour éliminer les fausses alarmes. Ge circuit de commande 13 (14) commande les commutateurs 10 et 11 ou 10 et 12. Si par exemple le circuit 13 agit, c'est-à-dire si une cible a été détectée dans 5 le diagramme différence, le commutateur 10 branche l'émetteur sur le plot 103 et le commutateur 11 connecte le circuit 41 sur le plot 112. De ce fait l'émission a lieu dans la voie différence avec toute la puissance disponible.. Dans le cas où le récepteur somme 60 délivre un signal, le circuit 14 agit de façon à ce que 10 l'émetteur soit connecté à la voie somme. La figure 5 représente un diagramme synoptique d'utilisation d'une antenne suivant l'invention, dans laquelle on recherche l'adaptation optimale du couplage somme-différence» Les voies somme et différence de l'antenne 1 sont connectées 15 à un circuit 15, coupleur à 3 db qui répartir l'énergie qu'il reçoit dans deux voies comprenant chacune un circuit déphaseur 17, 18, connectés respectivement à un deuxième circuit coupleur 16 à 3 db. Une des voies de ce coupleur est connectée à travers un commutateur émission réception 4 à un émetteur 5 et à tm récep-20 teur 6. L'autre sortie de ce coupleur 16 est connectée à un récepteur 19 dit d'adaptation, qui après détection d'un écho agit sur un circuit 20 de commande des déphaseurs 17 et 18. A l'émission 1-'émetteur est connecté à l'antenne à travers les 2 coupleurs 15 et 16 de façon à émettre simultanément dans 25 les deux voies. A la réception, le premier coupleur 15 à 3 db répartit l'énergie reçue dans deux voies comportant des déphaseurs. Une partie de cette énergie est traitée dans un récepteur d'adaptation 19 qui délivre un signal appliqué au circuit de commande 20. Celui-ci agit sur les déphaseurs 17 et 18 dans un 30 sens tel que l'énergie reçue sur les deux voies somme et différence passe dans la voie somme connectée au récepteur 6 à travers le commutateur 4« Dans cet exemple, on recueille • de la sorte toute l'énergie captée par lès ffiagrammes somme et différence - et on utilise-35 pendant le maximum de temps l'effet de réflexion sur le sol. 70 3Ô702 2101100 - 8 - La figure 6 représente un diagramme synoptique d'une variante d'utilisation de la figure 5» Dans ce cas, on considère plus particulièrement une antenne constituée par une parabole 21 au foyer de laquelle sont dispo-5 sés deux cornets 22, 23 juxtaposés, reliés à la voie somme et à la voie différence par l'intermédiaire d'un Té magique 24» La connexion d'une des sources 22 par exemple au Té magique comporte un circuit déphaseur 25, commandé par un circuit 26 connecté à un récepteur dit d'adaptation 27 relié à une des branches diffé-10 rence du Té magique 24. La branche somme du Té est connectée à l'émetteur 5 et au récepteur 6 par l'intermédiaire d'un commutateur émission réception 4» Dans un montage de ce genre, l'émission se fait simultanément dans la voie somme et dans la voie différence. A la récep-15 tion les cornets reçoivent des ondes de même amplitude mais de phase différence d'où une partie de l'énergie reçue est transmise dans la voie différence puis au récepteur d'adaptation 27 qui agit sur la commande 26 entraînant le circuit déphaseur 25 de façon telle que toute l'énergie recueillie par le réflecteur parabo-20 lique 21 et les cornets 22, 23 passe dans la voie somme, où elle est traitée dans le récepteur,6. Bien entendu la commande du déphaseur fonctionne tant que le récepteur d'adaptation reçoit de l'énergie. Lorsque les phases des signaux somme et différence sont les mêmes, la voie différence ne reçoit plus rien et la 25 commande du déphaseur 25 n'agit plus.» On a ainsi décrit dans le cadre de 1'invention un certain nombre de possibilités d'exploitation d'une antenne classique à laquelle on ajoute une voie différence pour pouvoir tenir compte et profiter de la réflexion sur le sol des ondes provenant d'une 30 cible. On peut montrer les avantages que l'on retire du système suivant l'invention en faisant la comparaison des diagrammes de couverture obtenus avec les antennes dites conventionnelles et celles modifiées en accord avec l'invention. 35 La figure 7 représente le diagramme de couverture aux sites bas obtenus avec une installation radar conventionnelle et 70 30702 2101100 - 9 - en supposant que le sol est parfaitement réfléchissant, et pour une émission de l'énergie dans la voie somme seule. On constate que le diagramme est fortement altéré par le sol , le diagramme de couverture présentant un nombre élevé de "trous" où la détec-5 tion d'un objectif ne peut se faire* la figure 8 représente le diagramme de couverture obtenu avec un radar conforme au diagramme synoptique de la figure 2 où l'on émet dans les deux voies somme et différence et où l'on reçoit séparément sur chaque voie. On peut vérifier, par compa-10 raison avec le diagramme de la figure 7 qu'uh certain nombre de "trous" ont disparu. la figure 9 représente également un diagramme de couverture obtenu avec un radar fonctionnant en diversité somme différence comme celui de la figure 2 mais avec une antenne encore améliorée 15 par multiplication par deux de sa dimension. Ces dimensions accrues de l'antenne permettent d'avoir des diagrammes de rayonnement somme et différence qui se ressemblent plus dans régions à surveiller. Par rapport au diagramme de couverture de la figure 8, celui de la figure 9 fait apparaître un nombre de "trous" encore diminué. 20 En augmentant encore les dimensions de l'antenne on pourrait encore améliorer les diagrammes de couverture. Il suffira cependant de comparer les diagrammes de couverture représente- figures 7 et 9 par exemple pour se rendre compte aisément de l'amélioration que l'on obtient dans la couverture radar aux sites bas en présence -25 du sol,. Il va sans dire que, bien que les caractéristiques de l'émetteur et du récepteur radar utilisés ne sont pas données ici, n'étant pas absolument nécessaires à la compréhension de l'invention, celles-ci n'ont pas été modifiées lors du relevé des 30 différents diagrammes de sorte que les comparaisons faites sont légitimes. On a ainsi décrit des antennes qui comportant une. voie somme et une voie différence permettent d'utiliser dans des conditions optimales la réflexion des ondes sur le sol ou la mer. .En effet, 35 la composition des diagrammes de rayonnement somme et différence 70 30702 2101100 - 10 - permet à une cible d'être vue soit dans un diagramme, soit dans l'autre soit éventuellement dans les deux suivant les conditions de phase des ondes directe et réfléchie et les conditions d'utilisation considérées. 5 L'adjonction de cette voie différence présente ainsi l'avantage de pouvoir adopter les meilleures conditions d'exploitation d'une telle antenne suivant le but proposé,, par détermination de la voie optimale d'émission à choisir suivant celle dans laquelle une direction de cible a été obtenue. En particulier 10 il sera quelquefois judicieux d'émettre dans la voie différence plutôt que dans la voie somme où l'émission a généralement lieu^ Il est entendu que l'invention n'est pas limitée .aux ( exemples de réalisation qui ont été décrits et que toute antenne réalisée conformément aux revendications qui suivent est couverte 15 par la présente invention. 70 30702 2101100 - 11 - 1 . Antenne de couverture radar, notamment de couverture radar à basse altitude dans laquelle la détection des avions volant bas est fortement perturbée par la réflexion sur le sol ou la mer, des ondes renvoyées par les cibles détectées par ladite 5 antenne par suite des modifications de la phase que l'onde réfléchie subit et qui, lors de la composition des ondes directe et réfléchie sur l'antenne risque d'en annuler les effets, caractérisée en ce qu'une voie différence est ajoutée à la voie somme qui constitue l'antenne classique, l'une ou l'autre des voies ou 10 l'ensemble des deux voies recueillant dans tous les cas au moins une partie de l'énergie renvoyée par la cible soit directement soit après réflexion sur le sol. 2. Antenne radar suivant la revendication 1 caractérisée par un commutateur de voies commandé par un circuit, pouvant être 15 programmé, qui fait fonctionner l'antenne alternativement sur l'une ou l'autre voie. 3. Antenne radar suivant la revendication 2 caractérisée en ce que le temps de fonctionnement de l'antenne alternativement sur la voie somme puis sur la voie différence est de l'ordre de 20 la moitié du temps de passage du faisceau de rayonnement de l'antenne sur une cible. 4. Antenne de couverture radar suivant la revendication 1 caractérisée par au moins deux commutateurs émission réception, affecté chacun respectivement à une voie, l'émission ayant lieu 25 simultanément de la sorte dans les deux voies, chacune des voies comportant pour la réception, un récepteur particulier, connectés tous deux à un indicateur d'alarme à travers un circuit OU, 5. Antenne de couverture radar suivant les revendications 1, 2 et 3 caractérisée par un circuit intégrateur des signaux reçus 30 dans les voies somme et différence, avec mise en mémoire desdits signaux, connecté d'une part au récepteur et d'autre part au circuit de commande du commutateur des voies somme et différence. 6. Antenne de couverture radar suivant la revendication 5 caractérisée en ce que le circuit d'intégration et de mise en 35 mémoire procède à la comparaison des signaux intégrés et mis en 70 3Ô702 2101100 - 12 - mémoire durant les émissions successives et alternatives dans l'une et l'autre voie, le résultat de ladite comparaison commandant par l'intermédiaire d'un circuit de commande de voie, l'émission pendant le temps total du passage du faisceau d'antenne sur 5 la cible, dans la voie la plus favorisée. 7. Antenne de couverture radar suivant la revendication 1 et la revendication 4 caractérisée en ce que chaque récepteur somme et différence est connecté à un circuit à seuil d'ebasage relativement bas commandant un dispositif de commutation reliant l'émetteur 10 à l'antenne à travers deux circuits séparés émission-réception. 8. Antenne de couverture radar suivant la revendication 7 caractérisée en ce que le dispositif de commutation comporte un commutateur à trois positions connecté à l'émetteur, ces positions étant connectées respectivement à deux commutateurs à deux positions 15 insérés chacun dans -une voie somme et une voie différence. 9• Antenne de couverture radar suivant la revendication 8 caractérisée en ce que les circuits à seuil d'ébasage relativement bas commandent l'émission dans la voie la plus favorisée après détection, l'émission en veille ayant lieu dans les deux voies 20 simultanément. 10. Antenne de couverture radar suivant la revendication 1 caractérisée en ce que les voies somme et différence sont connectées au commutateur émission réception à travers un dispositif de commutation comportant au moins deux coupleurs à 3 db, chacune 25 desdites voies comprenant en outre un circuit déphaseur commandé par un récepteur dit d'adaptation recevant de l'énergie transmise par la voie différence. 11. Antenne de couverture radar suivant la revendication 10 caractérisée en ce que la commande de déphaseur agit de façon telle 30 que touxe l'énergie disponible à la réception est envoyée dsns la voie somme. 12. Antenne de couverture radar suivant les revendications 1, 10 et 11 caractérisée en ce qu'elle comporte un Té magique connecté à l'antenne par deux voies identiques, juxtaposées, l'une d'entre 35 elles comprenant un circuit déphaseur, commandé par un récepteur 70 30702 2101100 - 13 - d'adaptation inséré dans la voie différence du Té magique, ledit déphaseur agissant de façon que toute l'énergie recueillie par l'antenne soit transmise à la voie somme»