Brevet FR2388283A1 — publié le 19781117

La présente invention concerne un radar permettant de détecter des objectifs fixes dans le "clutter". Le terme "clutter"2 couramment utilisé dans la littérature anglosaxonne, définit les éléments de réflexion parasite constitués par le sol, la végétation, la surface de lamer ou bien les précipitations atmosphériques. Les échos utiles provenant des objectifs intéressants sont souvent masqués par les échos de "clutter" ; le problème consiste alors à séparer les échos utiles des échos de "clutter". Dans le cas d'objectifs mobiles, on peut mettre àprofit l'effet Doppler pour leur détection parmi le "clutter". Cette solution n'est toutefois pas applicable à des objectifs fixes. L'objet de la présente invention est précisément un radar permettant de détecter des objectifs fixes dans le "clutter". Selon une caractéristique de l'invention, le radar utilisé est un radar à émission continue et à modulation de fréquence possédant une grande résolution en distance, de l'ordre de grandeur de la distance minimum entre points brillants d'un objectif (diffuseurs de grande surface équivalente radar). La discrimination entre les objectifs et le "clutter" repose sur ladifférence entre les puissances radio-électriques reçues dune cellule de résolution contenant un point brillant d'un objectif et d'une cellule de résolution située à une même distance mais ne contenant que du "clutter". D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de -la description suivante, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints dans lesquels - la figure 1 représente un exemple de la courbe d'excursion de fréquence du signal émis par un radar à modulation de fréquence - la figure 2 représente un graphique indiquant, pour différentes conditions de "cluter", et en fonction de la distance, la surface équivalente radar minimum de cible détectable dans une cellule de résolution par le radar selon l'invention ; - la figure 3 represente le schéma diensemble du radar Selon l'invention ; - les figures 4.a à 4.d représentent des formes de signaux engendrées par le radar selon 1'invention ;; - la figure -5 représente un exemple de spectre en fréquence correspondant à l'analyse d'une'tranche de distance effectuée par le radar selon l'invention; te principe de détection des objectifs fixes dans le "clutter" repose sur les différences constatées entre les caractéristiques de diffusion radio-électrique des objectifs et celles du "clutter". Les objectifs intéressants (chars, véhicules, bâtiments,...) possèdent un ensemble de surfaces quasi- planes et d'aretes définissant, du point de vue radio-électrique, un petit nombre de diffuseurs ayant chacun une surface equivalente radar importante et espaces les uns des autres d'une distance variant entre un metre et quelques mètres. L'ensemble de ces diffuseurs donne pratiquement la surface équivalente radar totale de l'objectif.Le "clutter" est au contraire generalement constitre, du point de vue radio-electrique, d'un grand nombre de diffuseurs tres proches les uns des autres et possedant chacun une petite surface equivalente radar. La détection selon l'invention des objectifs fixes dans le "clutter" est obtenue au moyen d'un radar ayant une grande résolution en distance, de l'ordre de grandeur de la distance minimum entre points brillants de l'objectif (diffuseurs de grande surface équivalente radar), par exemple de l'ordre du mettre Ainsi la puissance de l'écho reçu d'une cellule de résolution contenant un point brillant de l'objectif sera supérieure a celle de l'écho reçu d'une cellule de résolution située à même distance mais ne contenant que du "clutter". Le radar a haute résolution utilise dans l'invention est du type émission continue et a modulation de fréquence. Les expressions mathPmntiques~ suivantes permettent de connaître la résolution en distance du radar en fonction des caractéristiques de modulation de l'onde porteuse. On appellera # le déphasage entre l'écho reçu d'un point et l'onde émise ; D la distance entre le radar et ledit point de réflexion ; F la fréquence de l'onde émise ; c la vitesse de propagation ; t le temps. Le déphasage # est égal - # = 4#.F.D (1). c Ce déphasage varie en fonction du temps si F ou D varie et se traduit par une fréquence apparente f de l'écho : f = 1 . d# . 2# dt Cette expression s'écrit encore, a partir de la relation (I) f = 2D . dF + 2F . dD . c dt c dt En se limitant pour l'instant aux objectif s fixes, la fréquence apparente f est seulement fonction de la variation de la fréquence F de l'onde émise 2D dF f c dt On supposera que l'émetteur est modulé linéairement en fréquence avec une excursion #F pendant une durée T, comme il est représenté a la figure J. La fréquence F de l'onde émise varie linéairement entre deux valeurs F et F + AF au cours.de la période de temps T. On peut alors écrire: o o dF = #F . dt T D'où : 2D.#F f = (2). c.T Et par conséquent : D = c.T.f 2bF La résolution en distance, que l'on appellera AD, est fonction de l'incertitude de mesure de la fréquence apparente f ; soit Af cette incertitude sur la fréquence f #D = . 2#F L'intervalle de temps disponible pour la mesure de f étant égal à T, l'incertitude de mesure #f sera donc de l'ordre de 1/T si la mesure est effectuée sur une seule excursion de fréquence. La résolution en distance AD est donc donnée par #D = ### (3). A titre d'exemple, une résolution en distance AD de 0,5 m est obtenue avec une excursion de fréquence AF de 300 M . Les expressions mathématiques suivantes permettent de déterminer le signal utile rapport &alpha; = signal de "clutter" On a # &alpha; = #c où #c représente la surface équivalente radar du "clutter" dans une cellule de résolution de grandeur AD située à la distance D du radar ; a représente la surface équivalente radar de l'objectif dans ladite cellule de résolution. #c est égale à : #c = #0.D.#.#D où : aO est la densité de "clutter" par unité de surface ; e est la largeur angulaire en gisement du lobe d'antenne. En remplaçant AD par l'expression (3), il vient #0.D.#.c = c 2#F Par consequent a peut se mettre sous la forme suivante 2#.#F &alpha; = #0.D.#.c A titre d'exemple, les valeurs numeriques indiquées ci-dessous signal utile donnent un rapport égal à 22,86 soit 13,6 dB signal de "clutter" e = 1 (0,0175 rad) AF = 300 MHz #0 = 0,005 m/m (végétation moyenne) # = 1 m D = J km. L'expression (4) permet de calculer la surface équivalente radar minimum #min de cible detectable dans une cellule de résolution, en fonction de la distance, pour differentes conditions de "clutter" &alpha;.#0.# #min. = 2#F Les calculs sont faits en prenant les valeurs numériques suivantes &alpha; = 20 # = 1 #F = 300 MHz. Les resultats sont donnés par le graphique de la figure 2, pour trois types de "clutter" différents Terre labourée : #0 = 0,001 m/m (-30 dB) Végétation moyenne : aO = 0,005 m2/m2 (- 23 dB) ; Terrain boise : #0 = 0,032 m/m (- 15 dB). Les objectifs mobiles peuvent 8tre détectés par un radar Doppler. Mais ils seront aussi détectes par le radar a' haute resolution selon l'invention, l'erreur de distance introduite par Iteffet Doppler étant négligeable, comme il est explique ci-dessous. On a 2v FD = où FD est la frequence Doppler de l'objectif v est la vitesse radiale de l'objectif ; X est la longueur d'onde. En prenant X égale à trois centimetres (10 GHz), on obtient une frequence Doppler de 66 Ez pour une vitesse radiale de J m/s. On peut calculer, a partir de l'expression (2), l'erreur de distance introduite par l'effet Doppler. En prenant #F égale à 300 MHz et T égale à 1 ms, on trouve une erreur de 33 mm pour une vitesse de 1 m/s, ce qui est négligeable. La figure 3 représente le schéma d'ensemble du radar à haute résolution à émission continue et à modulation de fréquence selon l'invention, permettant de détecter les objectifs fixes dans le "clutter". Il comprend un oscillateur-pilote 1 modulé linéairement en fréquence sous le contrôle d'une horloge 2. La courbe donnant la valeur de la fréquence F de l'oscillateur 1 en fonction du temps t a la forme d'une dent de scie, comme il est représenté à la #F #F figure 4.a. La fréquence F varie de F0 + à F0 - en une durée T. 2 2 L'oscillateur 1 est suivi d'un émetteur hyperfréquence 3, par exemple un tube à onde progressive. L'émetteur 3 est relié à une antenne tournante 4 par l'intermédiaire d'un duplexeur 5. Les échos reçus par l'antenne 4 sont extraits par une sortie du duplexeur 5, puis mélangés à une fraction du signal émis au moyen d'un mélangeur 6. La fraction du signal émis est prélevée par l'intermédiaire d'un coupleur directionnel 7. La sortie du mélangeur 6 est reliée à l'entrée d'un amplificateur vidéo 8 délivrant le signal de fréquence égale à la différence entre la fréquence émise et la fréquence reçue. Cette fréquence différence est la fréquence apparente f de l'écho.- La largeur de bande de l'amplificateur 8 est égale à la variation de fréquence apparente, que l'on appellera (fmax. - fmin.).La fréquence apparente fmax. correspond à la distance maximum de détection1 que l'on appellera D- . La fréquence max. apparente f min. correspond à la distance minimum de détection, que l'on appellera Dmin. Le gain en tension de l'amplificateur 8 est proportionnel au carré de la fréquence, de façon à effectuer le contrôle automatique du gain en fonction de la distance. Le signal de fréquence f délivré par l'amplificateur 8 est mélangé, au moyen d'un mélangeur à bande latérale unique 9, avec le signal de sortie d'un synthétiseur de fréquence 10 dont la fréquence peut varier de F + f o min. à F + f par pas de AfO, , sous le contrôle de l'horloge 2. La figure 4.c o max. o représente la fréquence de sortie du synthétiseur 10 en fonction du temps. Les sauts de fréquence sont effectués lors des changements de signe de la pente de la courbe en dents de scie représentée à la figure 4.a, et sont donc espacés d'une durée T. Le mélangeur 9 est conçu pour délivrer un signal de largeur de bande f . Le signal de- sortie dudit mélangeur 9 est reçu par un analyseur de o spectre 11, contrôlé par l'horloge 2. Chaque pas #f0 définit une tranche de distance AD à l'intérieur de la zone totale de détection allant de D 0 min. à Dmax.. Ainsi, à chaque pas de fréquence du synthétiseur 10, l'analyseur de spectre 11 analyse la tranche de distance #D0 correspondante. La zone totale de détection est analysée par tranches de distance #D0 successives au cours du balayage en fréquence du synthétiseur 10. L'analyseur de spectre 11 sera de préférence de type numérique. Le traitement est différé d'un temps T par le moyen bien connu de deux mémoires (non représentées) placées à l'entrée et fonctionnant en alternat. L'analyseur de spectre dispose ainsi d'un temps T pour délivrer le spectre en fréquence d'un signal de largeur de bande Afo avec une résolution égale à la résolution en fréquence df du radar, cette résolution en fréquence #f correspondant à la résolution en distance AD. L'analyseur de spectre doit donc délivrer, en un M temps T, N = raies correspondant à N distance espacées de #D à #f l'intérieur d'une tranche de distance #D . La figure 5 représente un exemple de o spectre en fréquence pour une tranche de distance donnée. On distingue des raies de faible amplitude qui correspondent à du "clutter", et des raies d'amplitude supérieure indiquant un objectif, la discrimination étant faite à partir d'un seuil d'amplitude S. Un circuit à seuil 12, placé en sortie de l'analyseur de spectre 11, permet d'éliminer le signal de "clutter". I1 délivre vers un oscilloscope 13 un signal d'allumage lorsque l'amplitude du signal délivré par l'analyseur de spectre est supérieure au seuil 5. La déviation du faisceau électronique de l'oscilloscope 13 est commandée en gisement par un circuit de balayage 14 ~contrôlé par un circuit 15 de détermination de la position de l'antenne 4, et en distance par un circuit de balayage 16 contrôlé par l'horloge 2, Des signaux de blocage sont envoyés de l'horloge 2 vers l'oscilloscope 13 pendant le retour du faisceau.D'autres signaux de blocage, représentés à la figure 4.b, sont envoyés de l'horloge 2 vers l'amplificateur 8 lors du changement de sens de l'excursion de fréquence de l'oscillateur 1, de façon à éviter les signaux parasites présents à ce moment. Le radar selon 11 invention fonctionne suivant deux modes différents 1) surveillance de la zone totale de détection ; 2) analyse fine d'une tranche de distance AD sélectionnée. o Chacun de ces deux modes de fonctionnement va être expliqué cidessous 1) Surveillance de la zone totale de détection En mode de surveillance, l'antenne 4 tourne et l'oscilloscope 13 représente la totalité de la zone surveillée, en gisement et en distance. La détection d'un objectif dans une tranche de distance LD donnée a pour effet d'allumer un point unique sur l'oscilloscope 13, dans la direction donnée par la position de l'antenne 4, et à une distance correspondant à la tranche de distance AD analysée Pour cela, le synthétiseur 10 délivre des o fréquences modifiées par Sauts, comme il a été expliqué précédemment et comme il est représenté à la figure 4.c. Le circuit de balayage en distance 16 délivre des tensions en marche d'escalier, comme il est repré senté à la figure 4.d. Les sauts de fréquence du synthétiseur 10 et les sauts de tension du circuit de balayage 16 sont synchronisés.Toute raie reçue par le circuit à seuil 12 et dépassant le seuil S a pour effet d'allumer I'oscilloscope. Toutes ces raies appartenant a une même tranche due distance AD allumeront donc l'écran de l'oscilloscope à une distance o unique déterminée par le palier de tension qui est délivré par le circuit de balayage 16 ce qui résulte en l'illumination d'un point unique sur l'écran. La résolution en distance est alors de AD o 2) Analyse fine d'une tranche de distance AD sélectionnée o L'analyse fine d'une tranche de distance AD peut donner des o indications sur le nombre et la nature des objectifs contenus dans cette tranche. Ce mode de fonctionnement nécessite une modification de certains signaux d'horloge. L'antenne est immobilisée dans la direction choisie par l'opérateur et la tranche de distance AD sélectionnee est étalée sur tout o l'oscilloscope. La fréquence délivrée par le synthétiseur 10 est fixe et correspond à la tranche de distance considérée. L'analyseur de spectre 11 analyse donc toujours cette même tranche de distance. Le circuit de balayage en distance 16 délivre une tension en dents de scie correspondant au balayage de tout l'oscilloscope. Ainsi, chaque raie délivrée par l'analyseur de spectre 11 et supérieure au seuil S allumera un point sur l'oscilloscope, à la distance correspondante. La résolution en distance est alors égale à AD. Bien que la présente invention ait été décrite à l'aide d'un exemple particulier de réalisation, il est clair qu'elle n'est pas limitée audit exemple et qu'elle est susceptible de variantes ou modifications sans toutefois sortir de son cadre. Ainsi, par exemple, le balayage classique de l'oscilloscope peut être remplacé par un balayage du type télévision, avec utilisation d'une memoire tampon. REVENDICATIONS 1. Radar de détection d'objectifs fixes dans le "clutter", caractérisé en ce qu il est du type à émission continue et à modulation de fréquence possédant une grande résolution en distance AD, de l'ordre de grandeur de la distance minimum entre points brillants d'un objectif (diffuseurs de grande surface équivalente radar), et en ce qu'il comporte un arrangement pour effectuer la discrimination entre les objectifs et le "clutter" à partir de la différence constatée entre les puissances radioélectriques reçues d'une cellule de résolution contenant un point brillant d'un objectif et -d'une cellule de résolution située à même distance mais ne contenant que du "c lutter". 2. Radar selon la revendication 1, caractérise en ce que ledit arrangement comporte : - des premiers moyens pour analyser la zone totale de détection par tranches de distance successives de longueur AD ; o des seconds moyens pour afficher sur l'écran d'un oscilloscope un point lumineux unique lorsqu'un objectif au moins a été détecté dans une tranche de distance #D0, , la position de ce point unique sur l'oscilloscope -corres- pondant à la position en gisement et en distance de ladite tranche de distance AD o 3.Radar selon la revendication 2, produisant à l'émission un signal dont la fréquence est modulée en dents de scie avec une excursion AF pendant une durée T, et fournissant après réception des signaux à la fréquence apparente f des objectifs, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens d'analyse comportent - un synthétiseur de fréquence dont la fréquence varie par pas tf corres pondant à la variation de la fréquence apparente des objectifs sur la longueur d'une tranche de distance AD , les sauts étant espacés d'une durée T et ayant lieu lors de chaque changement de sens de l'excursion de fréquence AF du signal émis ;; - un mélangeur à bande latérale unique recevant d'une part le signal de sortie du synthétiseur de fréquence et d'autre part les signaux de fréquence apparente f des objectifs, et conçu pour délivrer un signal de largeur de bande tfo i o - un analyseur de spectre recevant le signal de sortie dudit mélangeur et délivrant, en une durée T, le spectre en fréquence dudit signal de sortie de largeur de bande AfO, au moyen de N raies espacées en fréquence de Af, cette valeur #f étant la résolution en fréquence du radar et correspondant à la résolution en distance AD. 4. Radar selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits seconds moyens d'affichage comportent - un circuit à seuil pour l'élimination du "clutter", placé en sortie de l'analyseur de spectre et délivrant à i'oscilIoscope un signal d'allumage lorsque l'amplitude des raies reçues est supérieure à un seuil S - un circuit de balayage en gisement commandé par la position de l'antenne du radar - un circuit de balayage en distance délivrant des tensions en marche d'escalier, les sauts de tension étant espacés d'une durée T et s'effectuant en synchronisme avec les sauts de fréquence du synthétiseur de fréquence. 5. Radar selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte : - des troisièmes moyens pour analyser de façon répétitive une seule tranche de distance AD o - des quatrièmes moyens pour etendre sur toute la largeur de l'oscilloscope ladite tranche de distance BD analysée, un point lumineux étant alors o affiché pour chaque cellule de résolution AD contenant un point brillant d'un objectif dans ladite tranche de distance #D0.