Brevet FR2489965A1 — publié le 19820312

La présente invention concerne un appareil radar. Elle a trait plus particulièrement à un appareil radar pour obtenir des mesures de dépolarisation de signaux d'écho ou de rétrodiffusion. Dans certaines applications de radar, il est nécessaire de détecter une cible en présence d'une ambiance parasite, par exemple un véhicule fait par l'homme en terrain libre. Les caractéristiques de polarisation d'objets faits par l'homme sont souvent différentes de celles de l'ambiance parasite. L'invention a pour but de fournir un appareil pour déterminer les caractéristiques de dépolarisation de signaux d'écho radar reçus sélectionnés de manière que l'information puisse être utilisée comme auxiliaire pour la caractérisation d'une cible. L'invention a également pour but de fournir un appareil radar non cohérent, modifié de façon à permettre la détermination des caractéristiques de dépolarisation. Conformément à la présente invention, il est prévu un appareil radar pour produire des signaux de mesure et dériver de ceux-ci des mesures quantitatives de l'ellipticité due à une dépolarisation d'un signal polarisé émis, caractérisé en ce qu'il comprend une entrée pour recevoir un signal radio fréquence polarisé elliptiquement, un dispositif relié à l'entrée pour produire à des sorties respectives les deux composantes hautefréquence polarisées linéairement et orthogonalement et formant ledit signal polarisé elliptiquement, les amplitudes et phase relatives des composantes étant essentiellement conservées, un moyen de combinaison pour former des première et seconde combinaisons à haute-fréquence différentes des composantes, un moyen pour traiter lesdites combinaisons en vue de produire lesdits signaux de mesure, et un moyen pour dériver desdits signaux de mesure un paramètre qui est lié à ladite ellipticité par une fonction trigonométrique. Un mode de réalisation de l'appareil selon l'inventiôn comprend en outre des moyens pour émettre un signal d'une polarisation linéaire prédéterminée. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un schéma synoptique d'un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est un schéma synoptique d'un second-mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est un schéma synoptique d'un détail des figures 1 ou 2, - les figures 4A et 4B représentent une variante des premier et second modes de réalisation, - la figure 5 représente une ellipse servant à expliquer le principe de l'invention, - la figure 6 représente une jonction T hybride, et - les figures 7 et 8 représentent des détails des systèmes de traitement des figures 1 et 2. Dans cette description, on utilisera les symboles, H, W, VH, HV et HH. V désigne une première polarisation linéaire qui sera appelée dans la suite "verticale", seulement à titre d'exemple ; H désigne une polarisation linéaire orthogonale à la première polarisation et rappelée dans la suite "horizontale", uniquement à titre d'exemple. Dans des combinaisons des symboles, le premier symbole définit la polarisation du signal émis tandis que le second symbole définit la polarisation du retour sélectionné. Ainsi VII définit la composante polarisée horizontalement d'un signal de retour dt à l'émission d'un signal polarisé verticalement. Sur les figures 1 et 2, on a représenté des symboles de référence A\7v' H' S1^ S2 x, y, S3 et z dans des cercles. Ces symboles indiqués dans des cercles ne représentent pas des éléments de circuits,mais au contraire ils indiquent des équations mentionnées dans cette description et ils définissent les signaux apparaissant aux points indiqués par les lignes joignant les cercles aux circuits. En considérant d'abord la figure 5, si par exemple un signal polarisé verticalement A est émis et v est rétrodiffusé par une cible faite par l'homme, les signaux de retour comprennent des composantes polarisées verticalement A VV et des composantes polarisées horizontalement AVH. En général, il existe une différence de phase entre les composantes A et AVH et ainsi le signal de retour est polarisé elliptiquement. (Dans le cas particulier où # = w/2 et où les amplitudes des composantes sont égales, le signal de retour est polarisé circulairement). En conséquence la résultante des deux composantes décrit dans l'espace une ellipse dont le grand axe est incliné d'un angle # par rapport à une direction de référence et dont le rapport des valeurs de son grand axe et de son petit axe est égal à tg T, où T désigne l'ellipticité et a une valeur comprise dans la gamme #/4 # # # + #/4. Les angles # et # son fonction des grandeurs relatives des deux composantes et de la différence de phase entre les deux composantes. La conversion par une cible d'un signal émis par une certaine polarisation (par exemple V) en un signal de retour d'une polarisation différente (par exemple elliptique) est appelée dépolarisation. Les modes de réalisation de l'invention qui vont être décrits dans la suite permettent d'effectuer des mesures des différents paramètres de l'ellipse, en vue d'obtenir une information quantitative concernant les caractéristiques de dépolarisation. Cette information peut étre utilisée comme auxiliaire dans la caractérisation de la cible. La figure 1 représente, à titre d'exemple, un système radar non-cohérent comportant des antennes d'émission et de réception séparées. Un émetteur 1 comprenant un magnétron émet un signal radar pulsatoire AV de fréquence microonde, par exemple de 10GHz, le signal présentant une polarisation linéaire verticale. Une antenne réceptrice 2 reçoit des composantes de rétrodiffusion AVV et présentant respectivement une polarisation verticale et une polarisation horizontale et elle les transmet à un transformateur orthomode 3. Le transformateur 3 sépare les composantes polarisées verticalement et horizontalement et il les transmet à des-sorties séparées. Les si- gnaux apparalsant aux sorties sont des signaux HF qui peuvent être représentés de la façon suivante AVV = a1 exp (j &gamma;) exp (j#t) EQUATION (1) AHV = a2 exp [j(&gamma; + #)] exp (j#t) où a1 et a2 désignent des amplitudes, &gamma; est une phase qui est totalement aléatoire du fait de l'incohérence du magnétron, d'une impulsion à l'autre, désigne la différence de phase entre les deux signaux, # désigne la fréquence radar, et t désigne le temps. L'influence du temps exp(j#t) sera négligée dans le reste de cette description. Les deux signaux sont appliqués à un coupleur 4 de 3dB qui produit à des sorties respectives des signaux en relation avec S1 et S2, qui sont définis comme suit : S1 = { a1 + a2 exp [j (# + #/2)]} exp (j &gamma;) S2 = a1 + a2 exp [j ( - #/2)]} exp (j &gamma;) Du fait que les amplitudes a1, a2 et la phase # sont des paramètres importants, il est essentiel que, jusqu'à ce que les signaux AVv et AVH soient combinés pour former S1 et S2, ils soient conservés avec précision. Les signaux sont appliqués à des mélangeurs respectifs 5 et 6 où il sont mélangés avec un signal d'oscillateur local L0 produit par un oscillateur local 7, de façon à être converti en signaux FI de la même valeur réelle que S7 et S2. Des circuits FI 8, 9 transmettent les signaux FI désignés par S1 et S2 à des détecteurs quadrati ques 10 et Il qui produisent des signaux de valeurs x et y définies par les relations suivantes x = S1.S2* = |S1| = a1 + a2 + 2a1a2cos(# + #/2) Equation (2 y = S2.S2* = |S1| = a1 + a2 + 2a1a2cos(# - #/2) Equation (3 où S* désigne le conjugué complexe de S. Le dispositif de traitement 14 opère sur les signaux qui lui sont appliqués de façon à produire un signal qui représente un paramètre k définit par la relation suivente : Equation (4) et in dérive de k l'ellipticité # (mentionné ci-desses en relation à la figure 5), où # = 1 arcsinus (k), comme indiqué dans la suite. Comme le montre cette équation, l'invention utilise une relation trigonométrique (sinus dans ce cas) entre le paramètre k et I'ellipticite'. On a indiqué sur la figure 7 un exemple du dispositif de traitement 14 de la figure 1. Ce dispositif est constitué par un processeur analogique. Il comprend des entrées 70 et 71 destinées à recevoir les signaux x et y, un amplificateur d'addition 72 qui produit un signal de sortie de valeur -(x+y), un amplificateur de soustraction 73 qui produit un signal de sortie de valeur -(y-x) et une unité d'établissement de rapport 74 qui produit un signal de valeur k. Le processeur comprend, en outre, un générateur de fonction analogique qui pro duit un signal de valeur t à partir du signal de valeur k. En variante, les signaux x et y sont appliqués par l'intermédiaire de circuits basse fréquence (B.F.) à un dispositif de traitement numérique 14 qui peut se présenter sous la forme d'un micro-ordinateur. Chacun des circuits (B.F.) a la forme indiquée sur la figure 3 et il comprend des circuits amplificateurs 30, 31, un circuit d'échantillonnage et de mémorisation 32 et un convertisseur analogique numérique 33 qui transmet les signaux convertis numériquement x et y au dispositif de traitement 14. On va maintenant décrire comment on obtient = 2 arcsinus (k). Un signal pulsatoirereçu à polarisation elliptique arbitraire peut être représenté sous la forme suivante où A désigne l'amplitude du signal, t désigne l'orientation du grand axe de l'ellipse par rapport à une direction de référence (-90 # # # 90 ), et # désigne l'ellipticité (-45 # # # 45 ). La fonction tg # est le rapport des valeurs du petit axe et du grand axe de l'ellipse. Les deux composantes du vecteur E sont les composantes polarisées verticalement et horizontalement du signal pulsatoire reçu. c'est-à-dire que : où # 1 = arc tg (tg # tg #) on obtient maintenant : = t w +2 P arc tg (2-) Donc, sin n sin (1 - cosZ2 t Cosz2t )2 égalemeit : a1a2 n sin 2+ j cos 2 wsin 2I =n (1 - cos22cos22)-21 = (1 - cos-2 # cos-2 @) 2 2 En consequence : 2a1a2 sin # = A sin 2#; on obtient également a1 + s2 = A et à partir de l'équation 4, on obtient : Equation (5) En conséquence, on obtient l'ellipticité # = = 1/2 arcsinus (k). Il est à noter que, puisque t est compris dans la gamme -45 # # # + 45 , l'ambiguité concernant la valeur de arcsinus est résolue et également qu'il n'est pas nécessaire de connaître a1 et a2 séparément pour déterminer t. Pour une polarisation elliptique à gauche, # 0. L'orientation des axes de l'ellipse (et par conséquent la différence de phase des deux composantes) est définie par : # 1/2 arcsinus (###) Equation (6). Du fait que, dans le système décrit ci-dessus, a1, a2, et par conséquent sinus # ne sont pas tous connus séparément, # est indéterminé. La figure 2 met en évidence une extension qui peut être envisagée pour le système de la figure 2 pour résoudre et par conséquent pour déterminer #. Un troisième signal S3 est obtenu, en correspondance à la relation suivante S3 = ta1 + a2 exp (j)3 exp (j &gamma;), où a1, a2, # et &gamma; ont la même signification que dans l'équation (1) indiquée ci-dessus. En référence aux figures 2 et 6, le signal S3 est dérivé de la manière suivante à partir des signaux de sortie du transformateur orthomode 3. Des coupleurs 20 et 21 de 3dB transmettent les signaux de sortie du transformateur 3 à des branches colinéaires respectives 61 et 62 d'une jonction T hybride 60. La branche E 63 de la jonction est reliée à une terminaison 22, tandis que la branche H 64 fournit le signal de sortie S3. Le signal S3 apparatssant à la sortie 64 de la jonction est un signal HF. Il est appliqué à un mélangeur 23 où il est mélangé avec le signal d'oscillateur local L0 provenant de l'oscillateur 7 en vue de le convertir en un signal FI. Des signaux FI 24 appliquent le signal S3 à un détecteur quadratique 25 pour produire un signal z z = S3.S3* = |S3| = a1 + a2 + 2a1 a2 cos # Equation Le signal z est appliqué à un processeur analogique 14, qui produit un signal représentant tg par résolution de l'équation :: tg = ###### Equation (8) Egalement d'après l'équation 5, on a tg 2# = k/(1-k2) La substitution de tg et##2#dans l'équation 6 permet d'obtenir # sans abiquité, puisque -90 ###90 . Un exemple du dispositif de traitement 14 de la figure 2 a été représenté sur les figures 7 et 8. Ce dispositif de traitement est un processeur analogique. Il comprend des entrées 80, 81 et 82 destinées à recevoir respectivement les signaux y, x et z. L'entrée 82 alimente un amplificateur 83 qui produit à partir de z un signal -2z. Les entrées 80 et 81 alimentent un amplificateur de soustraction 85 servant à former un signal de valeur -(x-y) ainsi qu'un amplificateur d'addition 84 qui reçoit également le signal de sortie de l'amplificateur 83 pour former un signal de valeur -(-2z + x + y). Le processeur comprend en outre une unité d'établissement de rapport 86 qui reçoit les signaux de sortie des amplificateurs 84 et 85 conformés à un signal de valeur tg . Le processeur de la figure 2 comprend également un processeur tel que celui indiqué sur la figure 7 pour produire le signal de valeur#et en outre un autre générateur de fonction analogique 76 servant à produire un signal de valeur tg 2-ff. Le processeur de la figure 8 comprend en outre une unité d'établissement de rapport 87 qui reçoit les signaux tg 2# et tg et il est prévu à la suite un gdné- rateur de fonction analogique 88 qui produit un signal de valeur t . En variante, le signal z peut être appliqué à un processeur numérique 14, se présentant sous la forme d'un micro-ordinateur, par leintermédiaire d'un autre circuit basse fréquence comme indiqué sur la figure 3. On va maintenant décrire une variante du système des figures 1 et 2 en référence à la figure 4. La figure 4 représente une partie d'un système radar non cohérent comportant une antenne commune d'émission et de réception. Ce système permet séquentiellement une émission, ainsi qu'une réception et un traitement de signaux polarisés verticalement et horizontalement. La partie représentée sur la figure 4A remplace l'émetteur 1, l'antenne réceptrice 2 des figures 1 ou 2 et le transformateur 3 des figures 1 ou 2. Une source émettrice 40 (par exemple un magnétron) fournit de l'énergie haute fréquence à un polarisateur commutable 42. Le polarisateur commutable est commandé par une source d'impulsions 41 qui produit des impulsions de commutation en vue de la commande du polarisateur, de façon à donner à des impulsions émises alternativement une polarisation verticale V et une polarisation horizontale H. Les signaux sont appliqués à une antenne 45 par l'intermédiaire d'un duplexeur 44 qui transmet les signaux de retour au transformateur orthomode 43. Les signaux de sortie du transformateur 43 sont appliqués, par l'intermédiaire du coupleur 4 de la figure 1, aux deux canaux de génération des signaux x et y ou bien, par l'intermédiaire des coupleurs 20, 21 et 4 de la figure 2 aux trois canaux pour produire les signaux x, y et z. Cependant avant dgêtre appliqués au dispositif de traitement 14, les signaux x, y et z qui correspondent à des impulsions émises ayant une polarisation verticale doivent Étre séparés de ceux qui correspondent à des im pulsions émises ayant une polarisation horizontale. En conséquence, un démultiplexeur est interposé entre le dispositif de traitement 14 et chacun des détecteurs quadratiques 10, Il et 25. Un exemple d'un tel démultiplexeur a été mis en évidence sur la figure 4B, en relation seulement avec le canal associé au signal x. Le démultiplexeur comprend une paire d'interrupteurs électroniques 47 et 48 qui sont reliés en commun à la sortie du détecteur 11. Les interrupteurs sont commandés par les impulsions de commutation fournies par la source 41 (figure 4A), l'interrupteur 47 étant connecté directement à la source 41 tandis que l'interrupteur 48 11 est par l'intermédiaire d'un inverseur 46. Les interrupteurs se ferment alternativement et en synchronisme avec l'émission et la réception des impulsions HF de polarisation verticale et horizontale en vue de l'application des signaux de retour correspondants XV et XH au dispositif de traitement 14 (si nécessaire par l'intermédiaire des circuits basse fréquence 49 comme indiqué sur la figure 3). Le dispositif de traitement comprend des nombre suffisants dd processeurs analogiques par exemple, comme indiqué sur les figures 7 et 8, pour produire des signaux de valeurs et et V à partir des signaux XV, yV et zV et des signaux de valeurs tu et WH à partir des signaux xH, yH et zH. Lorsque le système de la figure 4 est utilisé avec le système de la figure 2, il permet d'obtenir une information concernant le mode de rétrodiffusion d'une cible dont la diffusion ne varie pas dans une période interimpulsions. Comme indiqué ci-dessus, les signaux de polarisation linéaire verticale et horizontale sont émis séquentiellement. Il n'est pas esentiel que les deux séries de signaux émis soient polarisées verticalement ou hori- zontalement, la seule condition étant qu'elles soient polarisées orthogonalement. Cependant, pour simplifier, on a décrit ci-dessus et on analyse cn-dessous un système émettant séquentiellement des signaux polarisés verticalement et horizontalement. On va désigner par HV la valeur de # est évoluée quand l'onde transmise est polarisée verticalement et par H la valeur correspondante pour une polarisation HV horizontale. On va désigner la valeur correspondante de ai respectivement par aiV et H La matrice de dispersion de cible pour un système radar comportant une antenne d'émission et de réception commune est alors définie par : où désigne une phase indéterminée (lorsqu'un radar non cohérent est utilisé). Les valeurs de #HVV et #HVH sont évaluées comme décrit ci-dessus en utilisant l'équation 8. Les valeurs de a1V et a2V également a1H et a2H sont obtenues par une résolution de 2 des (deux combinaisons des) trois équations 2, 3 et 7 pour a1 et a2 pour chacune des deux polarisations. La résolution de ces équations peut être effectuée d'une manière connue en utilisant des techniques analogiques ou bien des techniques numériques. La condition que a2V = a1H permet une corrélation croisée des donées correspondant à des impulsions successives. Pour mesurer avec précision la dépolarisation, il est nécessaire que les amplitudes relatives et les phases relatives des deux composentes reçues AVV et AVH qui sont polarisées linéairement et orthogonalement ne soient pas perturbées. Dans les exemples précités d'application de l'invention les deux composantes AVV et AVH sont séparées (mais non autrement traitées) et elles sont ensuite combinées par des moyens prédéterminés avant d'être soumises à des opérations telle qu'une conversion en F.I., une amplification et une détection. Cela permet de conserver l'information se rapportant aux mesures d'ellipticité et {pendant le traitement. En conséquence, on peut obtenir une information quantitative concernant les caractéristiques de dépolarisation et l'utiliser comme un auxiliaire pour la caractérisation d'une cible en faisant intervenir un système radar non cohérent modifié comme décrit ci-dessus. REVENDICATIONS 1. Appareil radar pour produire des signaux de mesure et pour dériver de ceux-ci des mesures quantitatives de l'ellipticité due à une dépolarisation d'un signal polarisé émis, caractérisé en ce qu'il comprend - une entrée (2) pour recevoir un signalr O fréquence polarisé elliptiquement (HF), - un dispositif (3) relié à l'entrée pour produire à des sorties respectives, les deux composantes (HF) polarisées linéairement et orthogonalement (AWt AVH), formant ledit signal polarisé elliptiquement, les amplitudes et phases relatives des composantes étant essentiellement conservées, - un moyen de combinaison (4) pour former des première et seconde combinaison (HF) différentes des composantes, - des moyens (8, 9, 10, 1i) pourtraiter lesdites combinaisons de manière à produire lesdits signaux de mesure, - un moyen (14) pour dériver desdits signaux de mesure un paramètre (k) qui est lié à ladite ellipticité (^C) par une fonction trigonométrique. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite fonction trigonométrique est une fonction sinusoidale. 3. Appareil selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un moyen pour dériver la valeur de I'ellipticité à partir dudit paramètre. 4. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le système radar est non cohérent. 5. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit moyen de combinaison forme une troisième combinaison (HF) des composantes et en ce que ledit moyen de traitement comprend, en outre, un moyen pour dériver desdits signaux de mesure, l'orien- tation de la polarisation elliptique du signal reçu. 6. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un moyen pour émettre un signal d'une polarisation linéaire prédéterminée. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un moyen pour émettre alternativement un signal présentant une première polarisation linéaire et un signal présentant une polarisation linéaire orthogonale à la première polarisation linéaire. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen de traitement (14) comprend, en outre, un moyen pour dériver desdits signaux de mesure les amplitudes relatives et les différences de phases des composantes de la matrice de dispersion de cibles relative. 9. Appareil selon l'une quelconque des revendications I à 8, caractérisé en ce qu'on utilise soit une antenne commune (45) pour l'émission et la réception, soit deux antennes suffisamment rapprochées l'une de l'autre pour éviter des différences de phase importantes. 10. Appareil selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le moyen de traitement (14) comprend des éléments (8,9 ;23,24) pour convertir lesdites combinaisons de haute fréquence en une fréquence intermé diaire. 11. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ledit moyen de traitement comprend des amplificateurs (83, 84, 85) pour amplifier les combinaisons. 12. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que lesdites composantes ont des valeurs définies par les relations suivantes : A1= a1 exp ( g ) A2 = a2 exp [j (&gamma; + #)], et en ce que lesdits moyens de combinaison forment des combinaisons ayant des valeurs définies par les relations juivantes-: où A1 désigne la composante reçue qui a la même polarisation linéaire que le signal émis, A2 désigne la composante reçue qui a une polarisation orthogonale à celle du signal émis, a1 et a2 désignent des amplitudes, &gamma; désigne une phase qui est aléatoire, 4 désigne la différence de phase entre lesdites composantes. 13. Appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit moyen de traitement (14) comprend, en outre, des moyens pour obtenir comme signaux de mesure, des signaux de valeurs x et y, lesdites valeurs x et y étant les carrés des amplitudes |S1|, |S2| desdites combinaisons S1 et S2. 14. Appareil selon l'une des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que lesdits moyens de combinaison forment une autre combinaison s3 ayant une valeur définie par la relation suivante : S3 = {a1 + a2 exp (j #)} exp (j &gamma;). 15. Appareil selon la revendication 14, caractérisé en ce que le moyen de traitement (14) comprend, en outre, un moyen pour obtenir comme autre signal de mesure un signal de valeur z, cette valeur étant le carré de l'amplitude |S3| de ladite combinaison S3. 16. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que le moyen de traitement comprend un détecteur quadratique (10 ; 11 ; 25). 17. Appareil selon l'une des revendications 13 ou 15, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un moyen pour obtenir, à partir des signaux de mesure, le paramètre k défini par la relation suivante : k = (y-x) / (lynx) I sin 2#, et désignant la valeur de l'ellipticité. 18. Appareil selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour obtenir à partir du paramètre k la valeur de l'ellipticité,cette ellipticité est définie par la relation suivante : # = 1/2 arcsinus k. 19. Appareil selon la revendication 18, caractérisé en ce que lendit moyen de traitement est également agencé pour produire une mesure de l'orientation de l'ellipse, en correspondance à la relation suivante : # = 1/2 arcsinus [tg 2# (2z - x - y)/(y-x)].