Brevet FR2260804A1 — publié le 19750905

Lfinvention concerne des perfectionnements aux radars à modulation de fréquence fonctionnant selon le principe du télémètre à modulation de fréquence , dont un exemple d'application très connu est le radioaltimètre à modulation de fréquence pour aéronefs Selon le principe du télémètre à modulation de fréquence (Fig.1) , un signal haute fréquence , de fréquence Ft au temps Tt , est émis par un oscillateur 1 modulé en fréquence mécaniquement ou électroniquement en 2 , et envoyé à travers un circulateur 3 vers une antenne très directive 4 dont le balayage dans l'espace est assuré mécaniquement ou électroniquement en 5 .Après réflexion sur une cible , ce signal revient à 11 antenne 4 à un temps T2, et se dirige , à travers le circulateur 3 vers un mélangeur 6 qui re çoit une partie du signal de l'oscillateur 1 . Au temps T2 , le signal de l'oscillateur est F2 et le mélangeur 6 reçoit del'anten- ne 4 le signal réflechi F1 , et de ltoscillateur f le signal émis F2 . Il en résulte à la sortie du mélangeur 6 un signal de battement f = F2 - Ft , proportionnel au temps t = T2 - T , que le signal mettra à parcourir le trajet antenne-cible-antenne . Le signal de battement f est proportionnel au temps t , et donc à la distance d de la cible .Il suffit de mesurer f pour avoir directement cette distance A distance d de la cible , la valeur f est proportionnelle à la fréquence de modulation FM de l'oscillateur 1 et a l'excursion de fréquence ss F de cet oscillateur . Cette variation de~fré- quence de l'oscillateur doit être linéaire , et pour des raisons pratiques , on procède par tronçons successifs de droite , sous forme de signal triangulaire . Il apparat donc en A des portions très courtes où le signal est inexploitable (Fig.2). La gamme maximale de distance de l'appareil , outre la portée radioélectrique , est définie par la bande passante de l'amplificateur de battement f suivant le mélangeur , et dont les extrêmes sont définis par foin pour la distance de cible la plus faible, et fmax pour la distance de cible la plus grande Si plusieurs cibles sont présentes à l'intérieur du faisceau de l'antenne , mais à des distances différentes de celleci , on reçoit simultanément plusieurs fréquences de battement f proportionnelles chacune à la distance de l'antenne Le but du radar à modulation de fréquence consiste à séparer ces différentes valeurs de f , et à les restituer , dans le temps , selon le balayage d'un écran cathodique , afin de les replacer sur l'écran du tube cathodique selon un rapport de distances identique à celui que les cibles avaient entre elles , d'une part et vis-à-vis de l'antenne d'autre part La figure 3 indique le traitement du signal reçu généralement effectué pour résoudre ce problème L'appareil comporte un télémètre à modulation de fréquence tel que décrit ci-dessus , et conforme à la figure t . A la sortie du mélangeur de ce télémètre , on amplifie le signal reçu en 7 pais on l'envoie dans un mélangeur 8 . Ce mélangeur reçoit un signal hétérodyne provenant d'un oscillateur hétérodyne 9 modulé en fréquence selon une loi en dents de scie fournie par un wobulateur 10 . Ce mélangeur est suivi d'un filtre Il très sélectif , de fréquence fg .Chaque fois que le signal passe dans ce filtre , il allume le tube cathodique 12 La fréquence de l'oscillateur hétérodyne 9 varie grâce au wobulateur entre les valeurs extrêmes (fmin.+ fo) et ( fmax. + fg) de telle manière qutil se produise un battement de valeur fg à la sortie du mélangeur 8 chaque fois que la différence entre la fréquence du signal hétérodyne et l'une des fréquences présentes dans l'amplificateur 7 est égale à fg . La loi de wobulation étant linéaire , on restitue ainsi correctement les rapports de distance. Pour que cette restitution soit visible sur un écran cathodique on effectue un balayage p -e , de type PPI de façon que le wobulateur 10 commande en synchronisme le balayage p et que le système de balayage d'antenne 5 commande en synchronisme le balayage 6 . Des dispositifs annexes sont généralement adjoints au système : différentes échelles , en agissant sur les paramètres FM et t F de modulation 2 ; variation du gain de l'amplificateur f7 en fonction de ladistance d et donc couplée au wobulateur 10 ; insertion de marqueur sur le tube cathodique , sous forme d'injection de fréquences discrètes sur l'amplificateur f 7 Toutefois , tel qu'il est décrit et généralement présenté ce système de radar à modulation de fréquence présente divers inconvénients liés à son mode d'exploitation * ce type d'appareil est limité à des portées courtes ( de quelques mètres à quelques kilomètres) et lesparamètres de modulation FM et AF montrent qu' il est nécessaire d'utiliser des fréquences porteuses élevées (su périeures à 10 Hz ) , d'autant plus élevées encore que les utilisations auxquelles il est réservé lui imposent des aériens très direc tifs et de petites dimensions Les principaux défauts seront les suivants - l'effet Doppler-Fizeau affecte directement la fréquence des échos des cibles mobiles ; - la très grande variation de niveau des échos en fonction de la distance et de la surface équivalente des cibles ne permet pas une analyse correcte des signaux reçus dans le mélangeur 8 , les signaux les plus forts étouffant les plus faibles .Cette nécessité d'analyser tous les signaux interdit l'emploi de commande automatique de gain ; - la non-concordance des fréquences de modulation FM et d'analyse fp fait apparaître dans l'analyse du signal un spectre en série de Fourrier pour un seul écho sélectionné , en lieu et place d'une seule impulsion Ayant pour but d'éviter ces inconvénients , l'invention a pour objet un radar à modulation de fréquence du type dans lequel la séparation des échos est faite au moyen d'un changement de fréquence d'analyse suivi d'un filtrage sélectif , un wobulateur assurant la wobulation en dent de scie ae l'oscillateur hétérodyne et le balayage radial du tube cathodique , caractérisé enoe que le wobulateur assure également la modulation de l'oscillateur d'émission t de façon à ne fournir qu'une seule impulsion par écho en supprimant l'effet de spectre en série de Fourrier L'invention a également pour objet un radar à modulation de fréquence caractérisé en ce qu'il comporte : un générateur d'impulsions interrompant un court instant la modulation de l'oscillateur d'émission ; et un amplificateur mesurant la fréquence Doppler pendant l'interruption de la modulation , et l'appliquant d'une part à un indicateur de vitesse et d'autre part à un circuit retardant le balayage radial du tube cathodique de la valeur correspondant à l'erreur Doppler , de façon à corriger l'erreur due à l'effet Doppler D'autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description qui suit faite en référence au dessin annexé sur lequel on peut voir Figure 1 : un schéma de principe du télémètre à modulation de fréquence Figure 2 ; une représentation des signaux utilisés dans le circuit de la Figure I Figure 3 : un schéma d'un radar à modulation de fréquence de type connu Figure 4 : un schéma électrique d'un radar à modulation de fréquence comportant un perfectionnement selon X'lnvention pour la correction de effet de spectre en série de Fourrier ; Figure 5 : une représentation du signal reçu avec le circuit de la Figure 3 (A) , et avec le circuit de la Figure 4 (B); Figure 6 : un schéma d'un radar à modulation de fréquence comportant un perfectionnement selon l'invention pour la correction de l'effet Doppler Figure 7 : une représentation'de différents signaux du circuit de la Figure 6 Figure 8 : un schéma d'un radar à modulation de fréquence comportant un perfectionnement selon l'invention pour la correction de la dynamique de l'amplificateur de réception ; Figure 9 : une représentation des signaux de modulation utilisés dans le circuit de la Figure 8 , dans le cas d'une nré- sentation linéaire des distances Figure 10 : un schéma électrique d'une variante de rFali- sation du circuit de la Figure 4 utilisant , pour l'émission et la réception , une diode hyperfréquence En partant du circuit connu de la Figure 3 , on peut supprimer l'efet de spectre en série de Fourrier dans le système d'analyse . Pour cela , on alimente l'oscillateur 1 par la modulation en dent de scie élaborée par le wobulateur 10 (Figure 4).Un avan- tage de cette disposition est la disparition de la zone d'incertitude A ( Fig.2) . En effet , cette zone se trouve synchronisée avec le retour de balayage radial du tube cathodique 12 La figure 5 représente an A et B les images d'un écho obtenu à l'aide des circuits des Figures 3 et 4 respectivement Par la suppression du modulateur 2 et l'utilisation de la dent de scie du wobulateur 10 pour moduler l'oscillateur 1 , on obtient donc la suppression de l'effet de spectre Le circuit de la Figure 6 est prévu pour la suppression de l'effet Doppler et la mesure de la vitesse radiale de la cible L'effet Doppler influence directement la fréquence des échos des cibles mobiles ( que la cible soit mobile vis-à-vis de l'antenne , ou l'antenne mobile vis-à-vis de la cible ) , en augmentant la fréquence Si la cible se rapproche de l'antenne , en diminuant la fréquence si la cible s'éloigne de l'antenne . Cette erreur est liée à la vitesse radiale du mobile Il suffit d'arrêter pendant un certain temps la fréquence de modulation dans le système précédent , pour faire apparaître la fréquence Doppler pure , l'amplifier, la mesurer et corriger son effet .Dans le cas où le radar est monté sur un véhicule en mouvement , où tous les échos sont affectés du même signe , on peut , par exemple , retarder le balayage radial du tube cathodique pour compenser l'augmentation de fréquence des échos dûs à l'effet Doppler Dans le circuit de la Figure 6 un générateur d'impulsions 13 commandé par le wobulateur de balayage radial 10 vient retarder le début de la dent de scie , en même temps qu'il vient bloquer l'amplificateur f 7 et débloquer l'amplificateur de mesure Doppler 14 . En l'absence de modulation de fréquence , l'effet Doppler apparaît à la sortie du mélangeur HF 6 , est amplifie et détecté en 14 .Ce courant détecté , proportionnel à la vitesse est ensuite appliqué à un élément 15 qui retarde d'autant le balayage radial du tube cathodique , tandis qu'en 16 apparaît l'information vitesse du mobile sur lequel le radar est monté. La figure 7 donne le diagramme des signaux du circuit de la Figu- re 6 La première ligne représente les impulsions de commande émises par le générateur 13 , la deuxième la dent de scie de modulation et d'analyse du wobulateur 10 , la troisième l'état de conduction de l'amplificateur d'analyse 7 , et la quatrième l'état de conduction de l'amplificateur Doppler t4 Le schéma du radar à modulation de fréquence représenté aux Figures 4 et 6 , montre que le signal reçu à la sortie du mélangeur 6 est amplifié en 7 puis analysé en 8 (mélangeur) et it (filtre) . La dynamique possible de la chaîne 7-8-11 ne permet pas d'accepter les très grandes variations de niveau des signaux reçus après réflexion sur les cibles . Les signaux forts sont écrêtés et masquent les signaux faibles .Le circuit de la Figure 8 permet de n1amplifier qu'un seul signal à la fois , et donc de l'arrêter, si besoin est * Pour cela , on maintient constante la fréquence d'analyse f à la sortie du mélangeur et l'on joue sur la fréquence de modulation FM et/ou l'excursion de fréquence L2F pour effectuer 1' analyse Si l'on considère que les trois paramètres à connaître pour définir la distance d'une cible sont a F , FM et f , on constate que l'on peut maintenir f constante et égale à une valeur f0 et faire varier soit un à un , soit simultanément les paramè tres a F et FM pour qutà une distance quelconque de la cible cor- responde toujours cette valeur fO de f . En d'autres termes , on réalise , après le mélangeur 6 , un récepteur très sélectif constitué d'un filtre 11 accordé à f0 , et suivi d'un amplificateur-détecteur 18 . On fait varier les paramètres de modulation FM et ou , où l'un de ceux-ci seulement , en 16 ( fréquence de modula- tion) et 17 (excursion) , à l'aide d'un oscillateur récurrent 10 qui commandera également le balayage radial du tube cathodique Partant d'une valeur maximale de FM et t\F F jusqu'à une valeur mi- nimale de ces paramètres correspondant à la valeur maximale de la distance d dans le dispositif , en présence de cibles à des distances diverses face à l'antenne , on trouvera des valeurs de FM et/ou t F qui donneront une valeur fO de f , telle que ce signal f sera amplifié , et zui seul , et transmis jusqu'au tube cathodique qui sera allumé . On réalise ainsi une exploration dans le temps de toutes les cibles possibles présentes devant l'antenne ; le couplage de l'oscillateur 10 au balayage radial du tube cathodique permet de restituer les distances sur ce tube . On notera qu'une variation linéaire de l'oscillateur 10 donnera une échelle hyperbolique des distances sur le tube cathodique , il conviendra donc de modeler le signal de balayage de l'oscillateur 10 , pour obtenir l'échelle des distances qui conviendra le mieux à l'utilisation envisagée .On notera également que le fait d'utiliser un récepteur très sélectif améliore considérablement le rapport signal à bruit du système , et rejette hors de la gamme , les fréquences parasites possibles La figure 9 donne-la forme des signaux de modulation utilisés dans le cas d'une représentation linéaire de distance La première ligne représente le signal de balayage radial du tube cathodique 12 , la deuxième le signal correspondant de l'oscillateur 10 mis en forme pour la commande de la fréquence de modulation et de l'excursion de fréquence , la troisième les variations de la fréquence de modulation FM , et la quatrième les variations de l'excursion 8 F Il peut être souhaitable de ne faire apparaître sur l'écran qu'une portion de l'espace que peut explorer le système L'une des premières raisons consiste à obtenir un effet de loupe sur cette portion . Une autre application qui parait plus impor tante , consiste à éliminer des échos indésirables , proches ou lointains , et en particulier l'effet de diffraction causé par une chute de neige , juste devant l'antenne . Cet effet de diffraction se traduit par une saturation du système , qui masque les signaux reçus des cibles éloignées . En utilisant une analyse par tranche, on peut éliminer ces signaux parasites et ne retenir que la zone où se trouvent les signaux utiles Deux dispositifs peuvent être employés , selon le procédé de modulation choisi . Dans le cas du circuit de la Figure 4, il suffira de n'envoyer qu'une partie du signal de wobulation 10 vers l'oscillateur hétérodyne 9 , et de choisir la place et l'am- plitude de cette partie , en fonction de la position et de la largeur de tranche d'espace à observer . Le balayage du tube cathodique , issu de 10 , pourra être appliqud en totalité au tube cathodique , pour obtenir l'effet de loupe . Dans ce cas , on n'obtientpas cependant la suppression des échos parasites à la sortie du mélangeur 6 , et l'effet de désensibilisation du récepteur ne peut être obtenu pleinement . Par contre , en utilisant le circuit de la Figure 8 , an peut ne faire varier les valeurs des paramètres FM et que pour permettre l'exploration de la tranche de distance que l'on désire observer .Dans ce cas , toutes les autres fréquences parasites se trouvent reportées hors de la bande passante de l'ensemble filtre fO tt et récepteur 18 , et le risque de saturation disparaît . Le balayage radial peut être réglé à la convenance de l'utilisateur La possibilité de réalisation des oscillateurs typer fréquence , à partir d'éléments solides (diodes à avalanche , diodes impatt , d'iodes LSA , diodes GUNN , par exemple) permet de simplifier considérablement la réalisation de la tête HF des radars à modulation de fréquence dan s les applications où l'on cherche des performances moins élevées , et où le prix de revient est un élément primordial de la réalisation . Tous les divers circuits d'amélioration décrits ci-dessus peuvent être appliqués à ce dispositif dont la description , selon la figure 10 , utilise le circuit de modulation et d'analyse de la Figure 4 On retrouve l'antenne 4 et son système de balayage 5 l'amplificateur de battement f 7 , le mélangeur d'analyse 8 , ltos- cillateur hétérodyne 9 , le wobulateur 10 , le filtre fO il et le tube cathodique 12, le fonctionnement de ces éléments ne change pas. Le dispositif oscillateur 19 est alimenté à partir de l'alimentation 22 à travers une résistance ballast 21 . Cet oscillateur 19 est réalisé à partir d'une diode oscillatrice hyperfréquence , dont l'excursion de la courbe caractéristique durant le temps d'oscillation permet de trouver une zone où cette diode devient détec trice . Il est donc possible à ce moment de réaliser dans cette diode un mélange entre le signal émis et le signal reçu d'une cible , Le signal de battement f est recueilli aux bornes d'un filtre à large bande 20 , en série avec ltelimentation de l'oscilla- teur 19 . Afin d'éviter les effets de dérive en fréquence que pourraient produire sur l'oscillateur 19 des échos à fort niveau , il est possible de placer en série , entre l'oscillateur 19 et l'antenne 4 un isolateur hyperfréquence 23 REVENDICATIONS t - Radar à modulation de fréquence du type dans lequel la séparation des échos est faite au moyen d'un changement de fréquence d'analyse suivi d'un filtrage sélectif , un wobulateur assurant la wobulation en dent de scie d'un oscillateur hétérodyne et le balayage radial d'un tube cathodique , caractérisé-en ce que le wobulateur assure également la modulation de $'oscillateur d'émission , de façon à ne fournir qu'une seule impulsion par écho en supprimant l'effet de spectre en série de Fourrier 2- Radar à modulation de fréquence selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte * un générateur d'impulsions interrompant pendant la durée d'une impulsion la modulation de l'oscillateur d'émission ; et un amplificateur mesurant la fréquence Doppler pendant ladite durée dtimpulsion et l'appliquant d'une part à un indicateur de vitesse radiale , et d'autre part à un circuit retardant le balayage radial du tube cathodique de façon à corri ger l'erreur due à l'effet Doppler 3 - Radar à modulation de fréquence selon l'une quelconque des revendications précédentes , caractérisé an ce qu'il comporte un récepteur sélectif à~fréquence-constante constitué d'un filtre accordé et d'un amplificateur-détecteur commandant l'allumage du tube cathodique ; et un oscillateur récurrent commandant d'une part le balayage radial du tube cathodique et d'autre part la variation des paramètres de modulation de 1'oscillateur d'émission , de façon à augmenter la dynamique des signaux reçus 4 - Radar selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce qu'une partie seulement du signal de wobulation èst appliquée à ltoscillateur hétérodyne de façon à assurer l'exploration d'une tranche d'espace réduite pour obtenir un effet de loupe pe sur Ie tube cathodique 5 - Radar selon la revendication 3 caractérisé en ce que les variations des paramètres de modulation appliqués à l'oscillateur d'émission sont limitées à unE gamme déterminée afin d'assurer l'exploration d'une tranche d'espace réduite , pour obtenir un effet de loupe et l'élimination des échos parasites 6 - Radar selon l'une quelconque des revendications pré cédentes caractérisé en ce qu'il comporte un oscillateur à diode hyperfréquence assurant à la fois l'émission et la réception des signaux de mesure , ledit oscillateur étant séparé de l'antenne par un isolateur hyperfréquence afin d'éviter la dérive en fréquence de l'oscillateur par des échos à fort niveau