Brevet FR2495785A1 — publié le 19820611

DISPOSITIF DE QUANTIFICATION DE SIGNAUX EN IfMPUJLSIONS POUR RM)AR SECONDAIRE. L'invention se rapporte aux systèmes radar de surveillance de l'espace aérien comprenant un radar primaire et un radar secondaire; elle con- cerne, plus-précisément, un dispositif électronique permettant, à la sortie du récepteur du radar secon- daire, la quantification des signaux en impulsions qui constituent les réponses transmises par les avions sous surveillance. Dans un système radar de surveillance de l'espace aérien, le radar secondaire, d'une part, interroge les avions en vol équipés d'un répondeur coopératif et, d'autre part, capte en retour les réponses transmises par ces avions. Les fondements des radars secondaires et les Conventions interna- tionales s'y rapportant sont donnés, notamment, dans l'ouvrage de M.I. SKOLNIK "Radar Handbook", Chapitre 38, (Me GRAW-HILL (1971). Le signal de réponse, ou plus brièvement la réponse générée par les répondeurs de radar secon- daire, est un train d'impulsions toutes identiques comprenant un nombre N d'impulsions qui forment un code numérique; ces impulsions de code sont parenthésées par deux impulsions d'encadrement qui permettent de reconnaître les réponses et d'identi- fier le début et la fin du mot de code. Les réponses transmises par les différents avions sont spécifi- ques de chaque appareil et Tournissent des informa- tions comulémentaires et/ou redondantes de celles données par les échos du radar primaire. Ces ré- ponses sont captées, au sol, par l'antenne du radar secondaire, puis amplifiées et démodulées par le ré- cepteur. Antérieurement aux opérations d'exploita- tion de ces réponses, les signaux en impulsions de sortie du récepteur doivent être remis en forme, c'est-à-dire séparés des signaux parasites puis quantifiés en niveau. L'opération de quantification des signaux de sortie du récepteur soulève plusieurs difficul- tés, résultant notamment: des réponses asynchrones issues de répondeurs interrogés par des radars secondaires adjacents; de la large dynamique d'am- plitude des réponses liée aux paramètres de gain de la liaison air-sol; de la superposition tout au moins partielle des réponses issues d'avions grou- pés; des interférences électromagnétiques parasites et du bruit propre au récepteur. Le problème qui se pose est de réaliser un dispositif de quantification dont le seuil de quan- tification soit asservi à l'amplitude instantanée des signaux et dont la position des flancs des si- gnaux de sortie est, en présence des signaux multi- ples, faiblement erronée. Plus brièvement, la fonc- tion du dispositif de quantification est de resti- tuer aussi précisément que possible la forme des impulsions de chacune des réponses transmises par les avions interrogés Des dispositifs de quantification ant déjà été réalisés, ils comprennent essentiellement: un comparateur de niveau comportant une première en- tréeou entrée d'un signal, reliée à la sortie vidéofréquence du récepteur et une seconde entrée# ou entrée de référence, reliée à une source de tension continue,fixe ou variable, et généralement asservie au niveau du bruit thermique du récepteur. Ces dispositifs de quantification de l'art anté- - rieur présentent plusieurs inconvénients: la durée des signaux quantifiés dépend de. l'amplitude abso- lue des signaux d'entrée, il en résulte que la po- sition des flancs des impulsions est erronée. Un réglage satisfaisant du niveau de référence ne peut jamais être réalisé, un niveau trop haut conduit à une perte de sensibilité en limite de portée; inversement, un niveau trop bas introduit un élar- gissement des impulsions des réponses dans le cas de réponse de forte amplitude. Afin de remédier aux inconvénients préci- tés, l'invention propose un dispositif de quanti- fication autoadaptatif en ce sens que le niveau de quantification des signaux en impulsions est conti- nuellement défini par rapport à l'amplitude instan- tanée des signaux. Le dispositif de quantification selon l'invention comprend: un comparateur de ni- veau à deux états de sortie, les entrées de ce com- parateur étant reliées à deux voies de formation de signaux dont l'entrée commune est reliée à la source des signaux d'entrée; la première voie de formation de signaux comDrenant un circuit de retard muni ae prises sensiblement équidistantes, lesquelles sont connectées aux entrées d'un opéra- teur linéaire du type "OU" et la seconde voie de formation de signaux comprenant essentiellement un circuit de retard dont la durée de retard est infé- rieure à celle du circuit de retard disposé dans la première voie. Le rapport des gains des première et seconde voiesde formation de signaux est réglée à une valeur prédéterminée et une tension de seuil superposée à l'une de ces voies définit le seuil de sensibilité du dispositif. D'autres caractéristiques et avantages fournis par l'invention apparaîtront dans la des- cription détaillée d'un mode deréalisation d'un dispositif de quantification, faite en regard des dessins annexés; sur ces dessins: - la Figure 1 représente la forme des impul- sions transmises par les répondeurs coopérant avec les radars secondaires, - la Figure 2 représente un mode de réalisa- tion d'un dispositif de quantification selon l'in- vention, - les Figures 3a, 3b et 3c représentent la forme des principaux signaux associés au dispositif de quantification représenté à la figure 2, - la figure 4 représente une variante de réa- lisation du dispositif de quantification de la figure 2. La réponse transmise par les répondeurs coopérant avec les radars secondaires est un train d'impulsions défini par quinze fentes de temps dont la durée nominale a été fixée à 1,45À,s; à l'in- térieur de ces fentes de temps sont positionnées quatorze impulsions, toutes identiques en durée et en amplitude, la durée nominale de ces impulsions ayant été fixée à 0,45/ s, la fente de temps centrale étant normalement toujours inoccupée. Le rang de ces impulsions est internationalement iden- tifié par les lettres majuscules indexées F1, C1.. D et F; les impulsions F1 et F positionnées 4 2 i 2 respectivement dans la première et la quinzième fentes de temps assurent le parenthésage des douze impulsions de code C1 à D4. De la combinaison de la présence ou de l'absence des impulsions de code, 4096 réponses différentes peuvent être formées. Eventuellement, une seizième fente de temps, dis- tante de 4,35As de l'impulsion F2 est affectée à la transmission d'une impulsion particulière, l'im- pulsion "SPI". La figure 1 représente la forme trapézoïdale des impulsions formant la réponse transmise par le répondeur. La durée nominale (td) de ces impulsions, définie au niveau 50 % du palier, est de 0,45 s; les durées maximales de montée (tr) et de descente (tf) des flancs de ces impulsions, définies entre les les niveaux 10 et 90 % sont respectivement de 0,1 et 0,2 s. En l'absence de distorsion dans la chaîne de transmission et de signaux parasites, les signaux de réponse peuvent être facilement reconnus, puis décodés. La formA des réponses fournies par le récep- teur du radar secondaire est notablement différente de celles transmises par le répondeur, d'une part, du fait de la présence de3 multiples signaux d'in- terférence déjà énumérés dans le préambule de la description et, d'autre part, des caractéristiques d'amplification de la chaîne de réception, notam- ment en raison de la largeur de bande des circuits d'amplification, la durée des impulsions est légè- rement accrue et les caractéristiques non linéai- res des différents circuits introduisent des défor- mations des flancs des impulsions. La figure 2 représente, sous la forme d'un schéma synoptique, un mode (e réalisation d'un dis- positif de quantification de signaux en impulsions, conforme à l'invention. Le signal d'entrée (Si) étant formé d'impulsions à vidéofréquence super- posées à des signaux de bruit et à des signaux d'interférence. Ce dispositif de quantification comprend les éléments suivants: - une première et une seconde voies de forma- tion de signaux ayant une entrée commune reliée au signal d'entrée (si) e-t des sor- ties reliées respectivement auix entrées d'un comparateur de niveau (1) à deux états de sortie (S 0), un premier état au niveau bas et un second état au niveau haut. La première voie de formation de signaux comprend un premier circuit de retard (2) muni d'une pluralité de prises (2a à 2n) sensiblement équidis- tantes, ces prises étant reliées respectivement à un opérateur linéaire (3) du type "OJ", l sortie de cet opérateur comportantt un réglage de gain (4) et étant reliée à une première entrée d'un circuit de sommation (5) dont la seconde entrée est reliée à une source de tension (V) continue, fixe ou variable, la sortie de ce circuit de sommation étant reliée à une première entrée du comparateur de niveau (1). La seconde voie de formation de signaux comprend essentiellement un second circuit de re- tard (6) relié à une seconde entrée du comparateur de niveau (1). Le comparateur de niveau (1) est un ampli- ficateur différentiel à gain élevé dont la vitesse de réponse est compatible avec la largeur de bande des signaux en impulsions; il peut, avantageusement, être réalisé selon une technologie intégrée. Les premier et second circuits de retard (2 et 6) sont des lignes à retard analogiques dont la largeur de bande est égale ou supérieure à la largeur de bande du signal d'entrée (Si). La durée de retard du pre- mier circuit de retard (2) est proportionnelle à la durée de montée et de descente des impulsions d'en- trée, la durée de retard du second circuit de retard (6) est proportionnelle à la durée de montée des impulsions d'entrée. Le nombre de prises du premier circuit de retard est proportionnelle à la largeur de bande effective du signal d'entrée (Si). L'opé- rateur linéaire du type "OUI peut être constitué par l'association de composants actifs unidirec- tionnels tels que des diodes, La fonction de la première voie de forma- tion de signaux est de générer une pluralité de répliques du signal d'entrée progressivement décalées dans le temps et de fournir un signal de sortie dont la valeur instantanée représente l'am- plitude maximale des répliques simultanément pré- sentes sur les prises du second circuit de retard. La fonction de la seconde voie de forma- tion de signaux est de fournir une réplique du signal d'entrée décalée d'une durée proportion- nelle à la durée de montée des impulsions d'entrée et dépendant du niveau de quantification choisi, ce niveau de quantification étant défini comme une fraction du niveau maximal, ou de palier, des im- pulsions d'entrée. On décrira maintenant le fonctionnement du dispositif de quantification> en regard des figures 3a, 3b et 3cqui représente la forme des signaux aux entrées et à la sortie du comparateur de niveau. La figure 3a se rapporte au cas d'une im- pulsion isolée superposée à un faible niveau de bruit thermique; le signal (SR) constitue un signal 2C de référence de l'amplitude de l'impulsion d'entrée (Si) et sa durée est supérieure à celle de l'impul- sion d'entrée correspondante d'une quantité égale à la durée de retard du second circuit de retard, ce signal (SR) est superposé à la tension (Vc) qui fixe le seuil de sensibilité du dispositif; le signal (Sd) est une réplique du signal d'entrée (Si) décalée dans le temps d'une quantité déterminée par le retard du second circuit de retard (6). Le ni- veau de quantification du dispositif est fixé par le rapport des amplitudes des paliers du signal (St) et du signal (), ce niveau de quantification il peut être modifié par le réglage de l'élément poten- tiométrique (4) disposé dans la première voie de formation de signaux. Les figures 3b et 3c se rapportent aux cas d'impulsions d'amplitudes inégales qui se chevau- chent dans le temps. Sur ces figures, on remarque que le niveau de quantification (SY) se règle sur le niveau et en avance du signal (Sd), ce qui per- met de séparer des impulsions qui se chevauchent à l'entrée, comme l'indique le signal de sortie (S). La figure 4 représente, sous la forme d'un schéma synoptique, une variante de réalisation du dispositif de quantification décrit à la figure 2. Selon cette variante de réalisation, les deux voies de formation de signaux sont combinées au niveau du premier circuit de retard (2); à cet effet, on munit un premier circuit de retard d'une prise sup- plémentaire (2 p) correspondant au retard de temps du second circuit de retard et l'on relie directe- ment cette prise supplémentaire à la seconde entrée du comparateur de niveau (1>. Il est aussi possible, dans le but de limiter le nombre des prises, d'uti- liser la prise intermédiaire dont le retard de temps est sensiblement égal à celui de la prise supplémen- taire. Lorsque les durées de montée et de descente des signaux en impulsions sont sensiblement égales, la prise supplémentaire est placée au milieu du circuit de retard. Le dispositif de quantification de signaux en impulsions,décrit aux figures 2 et 4, peut être disposé à la sortie vidéofréquence du récepteur d'un radar secondaire installé au sol, cette sor- tie vidéo comportant un moyen de restitution de la composante continue des signaux de sortie. A la sortie de ce dispositif de quantification peut être disposé un discriminateur de largeur d'impulsions qui éliminera les impulsions du signal quantifié (S) dont la durée sera inférieure à 0,3/ ron. La source de tension (V) peut être asservie au niveau du bruit thermique du récepteur et/ou à la distance radar des réponses. La durée de retard du premier circuit de retard (2) peut être de l'or- dre de 0,2 à 0,3/#s, et le nombre de prises (2a à 2n) incluant les prises d'entrée et de sortie peut être compris entre 6 et 8. La durée de retard du second circuit de retard (6) peut être égale sensi- blement à la moitié de la durée de retard du pre- mier circuit de retard. Comme représenté à la figure 4, le premier circuit de retard peut être combiné avec le second circuit de retard. Ce dispositif de quantification constitue un système autoadaptatif, le niveau de quantifica- tion étant constamment asservi à l'amplitude ins- tantanée des signaux en impulsions délivrés par le récepteur; cette caractéristique fournit plusieurs avantages: la sensibilité de détection du radar secondaire est accrue avec, par voie de conséquence; un nombre de réponses supérieur par largeur de faisceau d'antenne, en comparaison avec les dispo- sitifs de quantification de l'art antérieur, l'er- rear sur la position des flancs des impulsions est réduite et les réponses superposées de niveaux différents peuvent être séparées dans certaines limites. De par sa nature analogique, le dispositif de quantification se prête particulièrement à des réalisations mettant en oeuvre des composants ana- logiques, toutefois les circuits de retard, notam- ment, peuvent être réalisés selon des techniques numériques utilisant, de préférence, des registres à décalage à transfert de charge incrémentés par un signal d'horloge dont la fréquence est de l'ordre de grandeur de la largeur de bande du signal d'en- trée (Si). les modes de réalisation du dispositif de quantification selon l'invention ont été décrits à titre illustratif, mais non limitatif, notamment, le moyen de réglage des gains des première et se- conde voies de formation de signaux peut être incor- poré dans l'une ou l'autre de ces voies et la source de tension (Vc) peut être superposée à l'une de ces deux voies en prenant la précaution d'inverser la polarité de cette source. Le dispositif de quantification de signaux trouve son application dans les systèmes de trans- mission des données numériques et, notamment, dans la chaîne de transmission des signaux de réponse des répondeurs captés par les radars secondaires installés au sol. REVENDICATIONS 1. Dispositif de quantification de signaux en impulsions, caractérisé en ce qu'il comprend deux voies de formation de signaux, une première et une seconde voies ayant une entrée commune et deux sor- ties reliées aux entrées d'un comparateur de niveau (1) à deux états de sortie, le rapport des gains et la différence de niveau continu de ces première et seconde voies de formation étant prédéterminés; la première voie de formation comprenant un premier circuit de retard muni d'une pluralité de prises sensiblement équidistantes reliées respectivement aux entrées d'un opérateur linéaire du type "OU" et la seconde voie de formation comprenant essentiel- lement un second circuit de retard dont la durée de retard est inférieure à celle du premier circuit de retard. 2. Dispositif selon larevendication 1, carac- térisé en ce que la différence de niveau continu entre les première et seconde voies de formation de signaux est fournie par un circuit de sommation (5) disposé entre la sortie de l'opérateur (3) du type "OU", ce circuit de sommation étant relié à une source de tension continue (Vc) 3. Dispositif selon la revendication 2, carac- térisé en ce aue la source de tension continue a une valeur fixe prédéterminée. 4. Dispositif selon la revendication 2, carac- térisé en ce nue la source detension continue est variable en fonction lu Temps. 5. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le circuit de retard de la seconde voie de formation de signaux est constituée par une fraction du circuit de retard de la première voie de formation. 6. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les premier et second circuits de retard sont des registres à décalage du type à transfert de chargeincrémentés par un signal d'hor- loge dont la fréquence est de l'ordre de grandeur de la largeur de bande des signaux d'entrée. 7. Dispositif selon la revendication 6, carac- térisé en ce que le premier circuit de retard est confondu avec une fraction du second circuit de retard. 8. Radar secondaire comprenant une station sol et des répondeurs coopératifs disposés à bord des avions; cette station sol incluant un récepteur qui fournit en vidéofréquence les signaux de réponse transmis par les répondeurs, caractérisé en ce qu'il comprend, connecté à la sortie de ce récepteur, un dispositif de quantification selon l'une des revendi- cations 1 à 7 et un circuit de commande de la source de tension continue connectée au circuit de somma- tion. 9. Radar secondaire selon la revendication 8, caractérisé en ce que le circuit de commande de la source de tension continue est sensible à la dis- tance radar des signaux de réponse.