Brevet FR2428873A1 — publié le 19800111

La présente invention concerne le post-traitement d'un spectre Doppler fourni par un radar cohérent à impulsions et s'applique notamment à la météorologie. L'étude de la convection nuageuse demande de connaître notamment la réflectivité des nuages, la vitesse des particules à l'intérieur des nuages ainsi que la répartition des vitesses de ces particules. Ces paramètres peuvent etre déterminés à partir des spectres Doppler fournis par deux radars cohérents à impulsions. Chaque radar délivre en temps réel, au moyen d'un calculateur de transformée de Fourier3 le spectre Doppler des signaux réfléchis par les nuages, cette opération étant effectuée pour chaque tranche de distance. Les informations sont ensuite analysées en temps différé par des moyens informatiques. L'analyse en temps différé nécessite l'enregistrement sur bande magnétique des informations obtenues en temps réel.Or la densité des informations en sortie du calculateur de transformée de Fourier est beaucoup trop élevée pour permettre leur enregistrement sur la bande. Un post-processeur est alors placé derrière le calculateur de transformée de Fourier afin de condenser les informations. I1 calcule à partir du spectre Doppler, pour chaque tranche de distance, trois valeurs intermédiaires Mo, M1 et M2 qui permettront d'obtenir ultérieurement les trois premiers moments m0, m1 et m2 du spectre où : i représente le numéro d'ordre des raies spectrales fournies par le calculateur de transformée de Fourier, f. représente la fréquence de la raie d'ordre i, 1, E. représente lténergie de la raie d'ordre i, n est un entier positif caractérisant le nombre de raies. Le moment m d'ordre zéro mesure l'énergie moyenne reçue et permet donc de connaltre la réflectivité. Le moment ml d'ordre un donne la vitesse moyenne des particules. Le moment m2 d'ordre deux caractérise la dispersion des vitesses. Les trois valeurs intermédiaires M , M1 et M2 calculées par le postprocesseur sont les suivantes Il est clair que ces trois valeurs intermédiaires permettent de calculer les trois premiers moments mo, ml et m2 du spectral, compte tenu de l'existence d'une correspondance directe entre i et f.. L'enregistrement sur la bande magnétique se ramène donc à trois valeurs Mo, Ml et M2 par porte en distance > au lieu d'un nombre de valeurs égal au nombre de raies du spectre. En supposant que le calculateur de transformée de Fourier fournisse soixante-quatre raies, la quantité d'informations à enregistrer est diminuée dans un rapport de l'ordre de vingt. Le problème qui se pose alors réside dans la validité du calcul des valeurs M1 et M2. Tant que le spectre n'est pas replié, c'est-à-dire lorsqu'il ne chevauche pas les bords du domaine spectral analysé, les trois valeurs calculées M , M1 et M2 sont exactes. En revanche, lorsque le spectre est replié, ce qui se produit lorsqu'il chevauche les bords du domaine spectral analysé, le calcul des valeurs M1 et M2 est erroné et l'erreur est importante meme pour de faibles repliements. I1 s'ensuit une erreur sur les moments ml et m2. La solution utilisée jusqu'à présent consistait seulement à identifier en temps différé les moments ml et m2 erronés afin de ne pas les prendre en considération dans l'exploitation des résultats. I1 n'y avait cependant pas de moyens pour les corriger. L'identification des moments erronés était obtenue par détection de la discontinuité des valeurs de vitesse moyenne lorsque l'antenne tourne. En effet, le radar mesure la vitesse radiale, et celle-ci varie de façon continue selon une sinusolde lorsque l'antenne tourne. Ainsi, une rupture de la sinusoide des vitesses correspond à une valeur erronée des moments ml et m2 due au repliement du spectre. L'objet de la présente invention est précisément un postprocesseur de spectre Doppler éliminant les erreurs dues au repliement du spectre. Selon une caractéristique de l'invention, le post-traitement consiste à - reconnaitre la présence du spectre Doppler en bordure du domaine spectral principal analysé par le calculateur de transformée de Fourier - fournir les valeurs M , M1 = M1,1 et M2 -= M 1 caractéristiques du 2,1 spectre Doppler contenu dans le domaine spectral principal si le spectre n'est pas reconnu en bordure du domaine spectral principal ; - fournir les valeurs M , M1 = M1,2 et M2 = M2,2 caractéristiques du spectre Doppler contenu dans un-domaine spectral auxiliaire si le spectre est reconnu en bordure du domaine spectral principal, le domaine spectral auxiliaire étant obtenu par translation du domaine spectral principal. D'autres caractéristiques de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante faite en relation avec les dessins joints dans lesquels - la figure 1 représente une chaîne classique de traitement du signal radar ; - la figure 2 représente le domaine spectral analysé par le calculateur de transformée de Fourier ; - les figures 3 à 6 représentent des spectres Doppler - la figure 7 représente un premier exemple de réalisation du post-processeur selon l'invention ; - les figures 8.a et 8.b représentent l'organigramme de fonctionnement du post-processeur de la figure 7 ; - la figure 9 représente un second exemple de réalisation du post-processeur selon l'invention - les figures l0.a et l0.b représentent l'organigramme de fonctionnement du post-processeur de la figure 9. Afin de mieux comprendre le fonctionnement du post-processeur selon l'invention, on va tout d'abord mettre en évidence le phénomene de repliement du spectre. La figure 1 représente de façon très simplifiée une chaine classique de traitement du signal radar. Un démodulateur de phase 1 délivre sur deux voies en quadrature la phase du signal reçu par rapport a celle du signal émis. La ddmodulation est effectuée en fréquence intermédiaire. Un filtre passe-haut 2 élimine les échos de sol indésirables. Un calculateur de transformée de Fourier 3 effectue l'analyse spectrale des échos filtrés. Le post-processeur 4 condense les informations fournies par le calculateur de transformée de Fourier 3 en délivrant les trois valeurs M03 M1 et M2. Le domaine spectral analysé par le calculateur de transformée de Fourier est représenté à la figure 2. I1 comporte 2n raies regulierement espacées et couvrant un domaine de fréquence pratiquement égal (a un intervalle de raie près) à la fréquence de répétition du radar5 que l'on appellera FR. Comme le calculateur de transformée de Fourier 3 reçoit l'information Doppler sur deux voies en quadrature, il peut déterminer des fréquences Doppler positives et négatives (éloignement ou rapprochement des particules). La figure 3 représente un spectre Doppler qui ne chevauche pas les bords du domaine spectral. Comme la largeur du domaine spectral est égale à F R et que le spectre du signal reçu par le radar se répète tous les intervalles de fréquence FR, aucune raie provenant dlun autre intervalle de fréquence ne sera contenue dans le domaine spectral analysé. Les valeurs calculées M, Ml et M2 sont donc exactes (au modulo 2n près). I1 nen est plus de même pour un spectre Doppler qui chevauche les bords du domaine spectral, comme il est représenté à la figure 4. Le spectre qui chevauche le bord gauche du domaine spectral se répète tous les intervalles de fréquence FR et va donc chevaucher également le bord droit, et vice versa. Le domaine spectral analysé comporte alors deux parties séparées du spectre. L'une de ces parties est située à des emplacements totalement erronés résultant du repliement. On constate que ce repliement, n'est pas gênant pour le calcul de M puisque seules les énergies sont considérées. En revanche, le o calcul de M1 et M2 est erroné puisqu'il tient compte également du numéro d'ordre i des raies.Ainsi, à titre d'exemple, pour un spectre de raies dont l'énergie répond à une distribution gaussienne, dont la largeur à 0,5 Neper est de l'ordre de trois raies et dont le repliement ne représente que quinze pour cent de énergie, l'erreur sur M1 correspond à une erreur de l'ordre de sept raies sur la position de la raie centrale. Le principe, selon l'invention, d'élimination de l'erreur sur le calcul de M1 et M2 va être expliqué à l'aide des figures 5 et 6. Le domaine spectral analysé par le transformateur de Fourier sera appelé domaine spectral principal, comme il est indiqué sur la figure 5. Les valeurs M1 et M2 déterminées ci-dessus par les expressions (2) et (3) seront désignées respecti vement par Ml,l et et H2 > 1. Le principe selon l'invention est fondé sur une translation du domaine spectral lorsque le spectre Doppler est situé en bordure du domaine spectral principal. I1 consiste à délivrer alors, non plus les valeurs h 1 et M2 1 calculées à partir du spectre contenu dans le domaine spectral principal, mais des valeurs homologues Ml > 2 e 2 et M2 2 calculées à partir du spectre contenu dans un domaine spectral auxiliaire de largeur identique au domaine spectral principal mais décalé de n raies vers les i positifs, comme il est indiqué à la figure 6.Ainsi, le spectre Doppler ne chevauche pas les bords du domaine spectral auxiliaire et l'erreur précédente due au repliement du spectre disparaît. L'ambîguité modulo 2n est levée en utilisant le critère de continuité des valeurs de vitesse moyenne lorsque l'antenne tourne. Le domaine spectral analysé par le calculateur de transformée de Fourier reste le meme : c'est le domaine spectral principal. Les valeurs Mut 2 et M2,2 sont obtenues en effectuant les opérations suivantes : En résumé, le post-traitement du spectre Doppler selon l'invention consiste à - reconnaltre la présence du spectre Doppler en bordure du domaine spectral principal - fournir les valeurs Mo, M1 > 1 et M2 > 1 Si le spectre n'est pas reconnu en bordure du domaine spectral principal - fournir les valeurs M0, M1,2 et M2,2 si le spectre est reconnu en bordure du domaine spectral principal. Le résultat de la reconnaissance du spectre Doppler en bordure du domaine spectral principal est également enregistré sur la bande magnétique de façon à connaître, lors du dépouillement des enregistrements en temps différé, la catégorie des paramètres enregistrés. Un premier mode de reconnaissance de la présence du spectre Doppler en bordure du domaine spectral principal repose sur le rapport de l'énergie contenue dans les raies extrêmes a l'énergie totale. On appellera A lténergie contenue dans un nombre p de raies extremes situées du côté négatif du domaine spectral principal, comme il est indiqué à la figure 5 On appellera B l'énergie contenue dans les p raies extrêmes situées du côté positif du domaine spectral principal, comme il est indiqué à la figure 5 Le nombre p de raies extremes considérées est fonction du type de spectre Doppler rencontré. A titre d'exemple, on peut prendre : p = 4. Le spectre Doppler est reconnu en bordure du domaine spectral principal si H A+B > On notera que cette inégalité est satisfaite non seulement lorsque le spectre chevauche les bords du domaine spectral principal, mais aussi lorsqu'il est proche des bords. Un second mode de reconnaissance de la présence du spectre Doppler en bordure du domaine spectral principal est fondé sur la largeur des spectres Doppler contenus respectivement dans le domaine spectral principal et dans le domaine spectral auxiliaire. Comme il a été mentionné précédemment, la largeur du spectre Doppler est caractérisée par le moment d'ordre deux. Le. spectre Doppler est reconnu en bordure du domaine spectral principal si M2 1 > M2 > 2 Cette inégalité n'est satisfaite que lorsque le spectre chevauche les bords du domaine spectral principal. La figure 7 représente un exemple de réalisation du post-processeur selon l'invention, utilisant le premier mode de reconnaissance de la présence du spectre Doppler en bordure du domaine spectral principal. On supposera n = 32 p = 4. Le dispositif selon l'invention, entièrement numérique, comporte un multiplicateur 5 effectuant les quatre produits suivants i.Ei (i+64)E 1.E (i+64)2E Ces produits sont respectivement stockés dans quatre registres 6, 7, 8 et 9. Afin d'effectuer ces produites, le multiplicateur 5 reçoit sur une entrée E1 la valeur i ou la valeur i+64, le choix étant fait au moyen d'un sélecteur S1. I1 reçoit sur une autre entrée E2 la valeur E. fournie par le calculateur de transformée de Fourrier, ou la valeur i.Ei, ou encore la valeur (i+64)Ei, le choix étant fait par un sélecteur S2. Un additionneur 10 effectue les additions nécessaires au calcul des sept valeurs suivantes Les ; M1,2 ; M2,1 ; M2,2 ; A ; B ; M0. Les résultats sont respectivement stockés dans sept registres 11, 12, 13, 14, 15, 16 et 17. Afin d'effectuer ces addictions, l'-additionneur 10 reçoit sur une entrée E3 l'une des sept valeurs venant d'être mentionnées, le choix étant fait par un sélecteur 53 L'additionneur 10 reçoit sur une autre entrée E4 l'un des quatre produits calculés par le multiplicateur 5, ou la valeur Ri le choix étant fait par un sélecteur S4. La reconnaissance du spectre en bordure du domaine spectral principal est effectuée au moyen d'un additionneur 18 effectuant la somme A+3 et M M d'un comparateur 19 recevant les valeurs A+B et 2 La valeur 2 est immédia 2 2 tement obtenue à partir de la valeur M en supprimant le bit le moins signi o ficatif. Le comparateur 19 délivre un bit de décision commandant un sélecteur S5 de façon que ce dernier fournisse,sur sur deux sorties, respectivement les valeurs M1,1 et M2,1 lorsque le spectre n'est pas replié, et les valeurs et M2,2 lorsque le spectre risque d'être replié. Une unité séquentielle 20 gère le fonctionnement des circuits selon l'organigramme représenté aux figures 8.a et 8.b. L'exécution de cet organdi gramme se répète pour chaque porte en distance. La figure 9 représente un autre exemple de réalisation du postprocesseur selon l'invention, utilisant le second mode de reconnaissance de la présence du spectre en bordure du domaine spectral principal. Les circuits nécessaires au calcul de l'énergie A+B sont supprimés. Un comparateur 21 reçoit les valeurs M2,1 et M2,2 issues des registres 13 et 14 et délivre un bit de décision qui commande le sélecteur 55 de façon que ce dernier délivre les valeurs Ml,î et M2,1 lorsque H2 > 1 est plus petit ou égal à M2 2 ,c'est- à-dire lorsque le spectre n'est pas replié, et les valeurs M1 2 et M2 2 lorsque M2,1 est plus grand que M2,2 , c'est-à-dire lorsque le spectre est replié. L'organigramme de traitement est représenté aux figures lO.a et lO.b. I1 n'a pas été tenu compte, dans le dernier exemple de réalisation représenté à la figure 9, de l'erreur sur le calcul des valeurs M2 1 et M2 2 due notamment aux erreurs engendrées par le calculateur de transformée de Fourier. Dans la pratique, il peut alors être nécessaire de modifier le critère de reconnaissance de la présence du spectre en bordure du domaine spectral principal de la façon suivante M2 1 +,M2,2 où C est une faible valeur déterminée par l'expérience. Bien que la présente invention ait été décrite avec des exemples particuliers de réalisation, il est clair qu'elle n'est pas limitée à ces exemples et qu'elle est susceptible de variantes ou modifications sans toutefois sortir de son cadre. En particulier, les sélecteurs peuvent être remplacés par des bus et l'agencement de l'organigramme de traitement peut être modifié. REVENDICATIONS 1. Procédé de post-traitement d'un spectre Doppler fourni par le calculateur de transformée de Fourier d'un radar cohérent à impulsions, destiné à obtenir, pour chaque porte en distance, trois valeurs M , M1, M2 caractéristiques du spectre Doppler fourni par le calculateur de transformée de Fourier et permettant la détermination ultérieure des trois premiers moments dudit spectre, caractérisé en ce qu'il consiste à - reconnaître la présence du spectre Doppler en bordure du domaine spectral principal analysé par le calculateur de transformée de Fourier - fournir les valeurs M0, M1 = M1,1 et M2 M2,1 caractéristiques du spectre Doppler contenu dans le domaine spectral principal si le spectre ntest pas reconnu en bordure du domaine spectral principal - fournir les valeurs M0, M1 = M1,2 et M2 = M2,2 caractéristiques du spectre Dpppler contenu dans un domaine spectral auxiliaire si le spectre est reconnu en bordure du domaine spectral principal, le domaine spectral auxi liaire étant obtenu par translation du domaine spectral principal. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les valeurs Mo, M1,1 et M2 > 1 sont les suivantes où : i représente le numéro d'ordre des raies spectrales fournies par le calculateur de transformée de Fourrier, E. représente l'énergie de la raie d'ordre i, n est un entier positif déterminant le nombre de raies, caractérisé en ce que les valeurs M1,2 et M2,2 du spectre Doppler contenu dans le domaine spectral auxiliaire sont calculées à partir du spectre Doppler contenu dans le domaine spectral principal au moyen des relations suivantes 3.Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le spectre Doppler est reconnu en bordure du domaine spectral principal si la condition suivante est obtenue M A+B > 2 où A et B représentent lténergie contenue dans un nombre p de raies extrêmes situées respectivement aux deux extrémités du domaine spectral principal. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le spectre Doppler est reconnu en bordure du domaine spectral principal si la condition suivante est obtenue M2,1 > M2,2 . 5. Post-processeur de spectre Doppler mettant en oeuvre le procédé selon l'ensemble des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce qu'il comprend - un multiplicateur effectuant les produits i.Ei (i+2n)E i.Ei (i+2n)Ȇi , - des registres nécessaires au stockage de ces produits, - un additionneur effectuant les additions nécessaires au calcul des valeurs Mo ; Mî,î ; M2,1 ; H1,2 ; M2 2 ; A ;B - des registres nécessaires au stockage de ces valeurs, - un additionneur effectuant le calcul de A+B, - un comparateur recevant d'une part la valeur A+B et d'autre part la M valeur M0, dont la sortie commande un sélecteur de façon telle que ce 2 dernier délivre les valeurs M1,1 et M2,1 lorsque ltinégalité A+B > M0 n'est pas vérifiée et les valeurs M1 > 2 et M2 2 dans le cas contraire, - une unité séquentielle gérant l'ensemble des circuits. 6. Post-processeur de spectre Doppler mettant en oeuvre le procédé selon l'ensemble des revendications 1, 2 et 4, caractérisé en ce qu'il comprend - un multiplicateur effectuant les produits i.Ei (i+2n)E i,2 .Ei (i+2n)2Ei , Ei 5 - des registres nécessaires au stockage de ces produits, - un additionneur effectuant les additions nécessaires au calcul des valeurs M0 ; M1,1 ; M2,1 ; M1,2 ; M2,2 , - des registres nécessaires au stockage de ces valeurs, - un comparateur recevant d'une part la valeur M2,1 et d'autre part la valeur H2,25 dont la sortie commande un sélecteur de façon que ce dernier délivre les valeurs M1,1 et M2,1 lorsque l'inégalité M2 1 > M2 2 n'est pas vérifiée et les valeurs M1,2 et M2 2 dans le cas contraire, - une unité séquentielle gérant l'ensemble des circuits