Brevet FR2522161A1 — publié le 19830826

PROCEDE DE MESURE DU SITE D'UNE CIBLE A BASSE ALTITUDE DANS UN RADAR MONOPULSE, DISPOSITIF METTANT EN OEUVRE UN TEL PROCEDE ET RADAR COMPRENANT UN TEL DISPOSITIF La présente invention concerne un procédé de mesure du site d'une cible à basse altitude dans un radar monopulse, un dispositif mettant en oeuvre un tel procédé et un radar comprenant un tel dispositif. La mesure du site d'une cible à basse altitude est rendue difficile par les perturbations engendrées par la réflexion des échos de cible sur le sol ou la surface de la mer Les échos reçus par l'antenne radar semblent alors venir de deux sources distinctes, la cible et son "image" par rapport à la surface du sol ou de la mer Or ces deux sources sont pratiquement cohérentes, leur phase relative variant lentement De plus les trajets parcourus par l'écho de cible et l'écho issu de l'image de la cible sont à peu près égaux. Plusieurs solutions ont été envisagées pour tenter de s'affran- chir de l'effet d'image, la plupart de ces solutions étant analysées dans l'article de D K BARTON "Low-Angle Radar Tracking" paru dans "Proceedings of the IEEE", vol 62, N O 6, June 1974, pages 687- 704 Ces solutions ont une efficacité plus ou moins contestable et en tout cas une difficulté certaine de mise en oeuvre En plus des solutions faisant appel à la résolution en distance et en vitesse ou à la diversité de fréquence, on peut mentionner les possibilités sui- vantes: augmentation du pouvoir séparateur par étrécissement du faisceau radar Mais cette solution est limitée par l'augmentation correspondante du diamètre de l'antenne à une fréquence donnée ou de la fréquence à diamètre d'antenne donné. atténuation du signal parasite image par dépointage du faisceau vers le ciel d'environ 0,8 largeur à 3 d B. utilisation de diagrammes spéciaux: la principale difficulté des procédés correspondants résidant dans la réalisation des dia- grammes De plus, dans la technique dite de la "voie écart", décrite 252216 1 dans le brevet français de Serge DRABOWITCH N O 1 366 828, il est indispensable de disposer de récepteurs aussi identiques que possible sur chacune des voies "somme", "différence" et "écart". méthode de "I'angle complexe" o l'on compare la mesure du rapport complexe "différence site/somme" A/I à un ensemble de valeurs prédéterminées dans le plan complexe Outre des problèmes d'ambiguité délicats, cette méthode présente l'inconvénient de nécessiter des courbes de calibration dépendant fortement de l'en- vironnement. procédés d'estimation des cibles multiples fondés sur le principe de la vraisemblance maximale Ce type de procédé essen- tiellement théorique, ne semble pas avoir donné lieu à des réalisa- tions pratiques intéressantes. Une autre technique a été décrite dans l'article de MM D. GIULI et R TIBERIO "A Modified Monopulse Technique for Radar Tracking with Low-Angle Multipath" paru dans IEEE trans on AES, vol 11, N' 5, Sept 75, pages 741748 Ce procédé exploite les, informations obtenues simultanément par deux antennes à des hauteurs différentes, en supposant égaux les coefficients de ré- flexion des deux antennes Cette technique présente donc l'incon- vénient d'un système d'antenne complexe. Le procédé, selon l'invention, pour la mesure du site d'une cible évoluant à basse altitude ne présente pas les inconvénients précités puisqu'il n'utilise qu'une antenne monopulse et n'exige aucune courbe de calibration liée à l'environnement. La présente invention a pour objet un procédé de mesure qui utilise les diagrammes somme et différence site d'un radar d'écar- tométrie monopulse classique. Le procédé selon l'invention pour la mesure du site d'une cible à basse altitude par un radar monopulse est caractérisé en ce qu'il comprend successivement: une première étape d'élaboration par le récepteur radar des signaux sur la voie somme et sur la voie différence site reçus par l'antenne radar pointée dans une première direction; une deuxième étape de calcul du rapport complexe mi du signal voie différence site au signal voie somme; une troisième étape dans laquelle l'axe de l'antenne radar est dépointée dans une deuxième direction faisant un angle O avec la première direction; une quatrième étape d'élaboration des signaux sur la voie somme et sur la voie différence site reçus par l'antenne radar pointée dans la deuxième direction; une cinquième étape de calcul du rapport complexe m 2 du signal voie différence site au signal voie somme; et une sixième étape de calcul des sites o C de la cible et c X' de son image exprimés en fonction de la largeur du faisceau d'antenne radar à 3 d B, par rapport à la première direction de pointage de l'antenne radar, et solutions de l'équation complexe: A( O (o o) E(OD, c') = D(OK) D(z' + r) D(O( + 0) D(o V,). La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée faite ci-après avec référence aux figures ci- annexées qui représentent: la figure 1, un schéma synoptique du dispositif de mesure mettant en oeuvre le procédé selon l'invention; la figure 2, un schéma montrant la définition des angles de site; et la figure 3, un mode de réalisation détaillé d'une partie du dispositif de mesure selon l'invention. Dans la suite de la description on suppose que les diagrammes voies somme et différence site de l'antenne monopulse utilisée sont parfaitement connus et que le récepteur fournit de façon parfaite les composantes en phase et en quadrature du rapport AI/S du signal différence site/signal somme. Ces deux hypothèses sont valables pour deux pointages suc- cessifs en site de l'antenne monopule. Le problème à résoudre est le suivant: On désire, à partir de deux pointages successifs en site de l'antenne monopulse dépointés en site d'un angle O et fournissant deux mesures successives ml et m 2 du rapport complexe t/ E du signal différence site/signal somme, calculer le site oc de la cible et le site oc' de son image, de même gisement par rapport à une référence telle que l'axe de l'antenne en supposant les diagrammes d'antenne parfaitement connus. Dans un premier temps, l'étude est faite en l'absence de bruit afin d'aboutir à une formulation générale et est ensuite complétée par l'étude de l'influence du bruit thermique et de la réflexion diffuse, ainsi que de l'effet des variations, de phase essentiellement, du coefficient de réflexion spéculaire et des défauts de l'antenne et du récepteur sur la solution obtenue avec les simplifications men- tionnées ci-dessus. Dans l'étude ci-après, on désigne par (X et (' le site de la cible et de son image respectivement exprimés en largeur à 3 d B par rapport à l'axe de l'antenne au premier pointage, le gisement commun étant supposé connu Z et Z' les amplitudes complexes des signaux "cible" et image que recevrait une antenne de référence, par exemple isotrope, et z leur rapport Z ' S(c)O, S(er'), le rayonnement de l'antenne pour le diagramme somme dans une direction définie par un site ", respectivement 00 '; D( c) , D(cl') le rayonnement de l'antenne pour le diagramme différence site dans la direction définie par un site O (, respecti- vement c Xr; S(O( + Q), S(OC' + O) le rayonnement de l'antenne pour le diagramme somme dans une direction définie par un site c, respecti vement o C', par rapport à la deuxième direction de pointage de l'axe de l'antenne faisant un angle O ( O positif ou négatif) avec la première direction de pointage; D(O( + 0), D(o C' + 0) le rayonnement de l'antenne pour le diagramme différence site dans une direction définie par un site c voie somme et la voie différence site pour la première, respec- tivement deuxième, direction de pointage de l'antenne monopulse; m et m 2 les rapports Y et Y 4 respectivement du 12 YI y 3 signal reçu sur la voie différence site au signal reçu sur la voie somme pour les deux directions de pointage. z' On suppose dans la suite de la description que le rapport z Z est invariant d'une mesure à l'autre Dans l'hypothèse o le champs rerayonné par la cible est le même dans la direction du radar et dans la direction de son image, ce rapport représente le coefficient de réflexion speculaire complexe de la mer Les variations de ce coefficient de reflexion résultent essentiellement de celles de la différence de marche entre les rayons direct et réfléchi La vitesse de variation de cette différence de marche est liée à la trajectoire et à la vitesse de la cible ainsi qu'à la hauteur de l'antenne du radar au dessus de la mer L'étude de ces variations ne fait pas l'objet de l'invention et n'est pas décrite ici. Les signaux reçus yi (i = 1 4) s'écrivent, en fonction des diagrammes de l'antenne, fonctions des sites > et o"' de la cible et de son image par rapport à la première direction de pointage de l'axe de l'antenne: Y 1 = ZS( 0) + Z'S(oc,) = zlS(t) + z S(')l ( 1) Y 2 = ZD( l C) + Z'D( ') = ZlD(DC) + z D(o O') ( 2) Y 3 = ZS(+ Q)+ Z'S'(Oc, o) zlS( + o)+ z S(oo+ ( 3) y 4 = ZD(c + 0) + Z'D( ' = 0) = Z l'antenne monopulse. On peut constater que W(c W', o) = 6 k(oc, cox) Par conséquent on peut mettre (o( -D') en facteur dans (o L (N, O (,) = ( ô,) A (c Y, c',). Il en est de même pour (c, o C'), (c, O(') et S(o, o C') Si bien qu'en éliminant le facteur commun (o( "') l'équation à résoudre s'écrit: g(", C', m 1, m 2) = A( somme S = o( + o, et du produit p = Oc O( '. Le couple (OX, oc'), solution de la relation homographique complexe ( 10) ci-dessus, est solution du système des deux équations correspondant respectivement à l'annulation de la partie réelle Re(g) et de partie imaginaire Im(g) de cette relation ( 10). Re (g) = U(O, o C(', ml, m 2) = O ( 8) Im (g) = V(D(, O', ml m 2) = O ( 9) en l'absence de perturbations (bruit thermique, réflexion diffuse, 252216 1 défauts d'antenne et de récepteur). L'une des hypothèses posées à la base de l'étude théorique ci- dessus concerne la connaissance des diagrammes d'antenne qui en réalité ne peut être qu'imparfaite. Les diagrammes somme et différence site peuvent être appro- ximés de façon grossière par des polynômes. On peut montrer que dans ce cas l'expression du diagramme somme S(O) doit comporter en plus du terme constant un terme quadratique afin que la relation homographique ( 10) puisse fournir une indication sur O ( et O diagramme différence site n'est valable que dans un domaine angu- laire réduit On est donc amené à introduire un terme cubique dans le diagramme différence site D (O{) et à envisager les approxi- mations suivantes o K, Pl et P 2 sont des paramètres réels: S(Q= 1-K Cc D (a) = p 1 " +p 2 site C O (. Le calcul des deux équations ( 8) et ( 9) mentionnées ci-dessus: Re(g) = O ( 8) Im(g) = O ( 9) conduit à l'annulation d'un polynôme du second degré en p et s (p étant le produit et S la somme des deux inconnues c et mc') dont les coefficients sont des fonctions compliquées des paramètres K, P 1, P 2, O et des mesures complexes ml et m 2 Les inconnues auxiliaires p et S peuvent s'interpréter comme les coordonnées dans le plan C x C d'un point réel sur une conique Ce point est défini dans le plan réel R x IR comme faisant partie de l'intersection de deux coniques Il y a donc a priori quatre couples de solutions possibles Compte tenu de la complexité des expressions en jeu, il est nécessaire d'utiliser un ordinateur pour effectuer tous les calculs Dans ce cas, on peut envisager sans inconvénient toute modélisation des diagrammes d'antenne, utilisant ou non un poly- nôme et suffisamment proche des diagrammes réels. L'approximation des diagrammes d'antenne par un polynôme ne peut s'appliquer que dans le cas d'une cible dont le site, par rapport à l'horizon, est notablement inférieur à la limite étroite de validité de l'approximation linéaire du diagramme différence site Le domaine d'application est donc limité au voisinage de l'horizon, c'est-à-dire à une région o l'estimation du site est très perturbée. Si par conséquent on veut disposer pour le dépointage O d'une plage de variation suffisante pour réduire l'effet du bruit thermique il faut étendre la zone de validité des modèles de diagrammes d'antenne et abandonner l'approximation par un polynôme. On peut, selon un exemple non limitatif, représenter le dia- gramme différence site D(ot), sur un domaine angulaire relati- vement large, par une fonction de Rayleigh: i 5 _d 2 D (c o est mesuré en largeur à 3 d B par rapport à l'axe d'antenne. Les paramètres k et qui définissent le modèle différence site sont liés de façon simple au rayonnement maximum absolu M du diagramme différence correspondant à un site Y: M = D( Y') k M e avec e = 2,71828 Reconsidérons la relation homographique ( 10) en l'absence de perturbations (bruit thermique, réflexion diffuse, défauts d'antenne et de récepteur) AO,")m Bc W n A(O(, o(') mlm 2 + B(, ' m 1 + C(, ') m 2 + E (l C, OC') = O ( 10) avec: ( O ( _ -() A(D(, 0 (,) = S( 0) S(C' + O) S(oc + O) S( O ') ( 11) (o( C') B( O (, "')= D(U + 0) S( O O') S (o() D(o'C + 0) ( 12) ( O et t'. Comme on l'a déjà mentionné, en annulant la partie réelle Re(g) et la partie imaginaire Im(g) de la relation homographique g( 10), on obtient un système de deux équations transcendantes pour o et OC': Re (g) = U ( , o', ml, m 2) = O ( 8) Im (g) = V (OC, o, ml, m 2) = O ( 9) L'ensemble des solutions de ce système peut s'interpréter dans le plan (X x x' comme l'ensemble des points d'intersection des deux courbes d'équation U = O et V = 0 Cet ensemble n'est pas vide car le couple (o toutes par le point fixe (Di, o'). Le calcul du site ", et éventuellement de C%', peut être réalisé par un calculateur spécialisé ou par un calculateur existant préala- blement. L'antenne monopulse utilisée peut être à balayage mécanique (telle qu'antenne du type à réflecteur, Cassegrain ou lentille), à balayage électronique ou bien à balayage mixte Le faisceau mono- pulse site dé cette antenne peut prendre deux positions prédéter- minées dépointées l'une de l'autre de O Dans le cas d'une antenne à balayage électronique, la commande des deux pointages successifs est du ressort du calculateur-pointeur usuel Dans le cas du balayage mécanique, les deux positions du faisceau peuvent être obtenues commodément par commutation électronique entre deux sources primaires monopulse étagées en site dans le plan de l'antenne et correspondant chacune à un pointage du faisceau. D'après l'étude théorique du principe de l'invention exposée ci- dessus, le procédé de mesure du site d'une cible à basse altitude dans un radar monopulse se compose des phases successives suivantes: élaboration des signaux hyperfréquence sur la voie somme et 252216 1 sur la voie différence site reçus par l'antenne monopulse dont l'axe est pointé dans une première direction prédéterminée; changements de fréquence et amplification des signaux somme et différence site reçus; calcul de la partie réelle Re(ml) et de la partie imaginaire Im(ml) du rapport complexe ml du signal "différence site" au signal "somme" pour la première position de pointage d'antenne, données fournies ensuite au calculateur de site; dépointage de l'antenne monopulse d'un angle O depuis la première position; élaboration des signaux hyperfréquence sur la voie somme et sur la voie différence site reçus par l'antenne monopulse pointée dans la deuxième direction prédéterminée; changement de fréquence et amplification des signaux som- me et différence site reçus; calcul de la partie réelle Re (m 2) et de la partie imaginaire Im (m 2) du rapport complexe m 2 du signal "différence site" au signal "somme" pour la deuxième position de pointage d'antenne données fournies ensuite au calculateur de site; calcul par le calculateur de site du couple (o", o X') de sites cible et image par résolution du système des deux équations ( 8) et ( 9) à deux inconnues. Le calculateur de site reçoit en effet non seulement les mesures complexes ml et m 2 constituées par leur partie réelle et leur partie imaginaire mais également les modèles S (OC) et D (X en voie différence site. La figure 1 représente le schéma synoptique d'un dispositif de mesure de site d'une cible à basse altitude conforme à l'invention. L'axe de l'antenne monopulse 1 à balayage électronique ou mécanique prend Successivement deux directions AI puis A 2 dépoin- tées de O, la commutation entre ces deux pointages étant com- mandée par un circuit de commutation 3 Les signaux hyperfré- quence reçus par l'antenne 1 sont traités dans le récepteur 2 qui 252216 1 il délivre un signal sur la voie somme et un signal sur la voie différence site A Ces deux signaux alimentent un circuit 4 de calcul délivant en sortie les données numériques Ri et Il correspondant respectivement à la partie réelle et à la partie imaginaire du rapport complexe ml du signal reçu sur la voie différence site au signal reçu sur la voie somme E Un mode de réalisation détaillé du circuit de calcul 4 est représenté à titre d'exemple non limitatif sur la figure 3. Les données numériques R 1 et 1,, élaborées par le premier circuit de calcul 4 sont introduites dans un deuxième circuit de calcul 5 qui peut être spécialisé ou utiliser un calculateur déjà existant. Le commutateur 3 pointe alors l'axe d'antenne dans la deu- xième direction de pointage A 2 Le même processus se répète et aboutit à l'élaboration de deux données numérique R 2 et 12 corres- pondant également à la partie réelle et à la partie imaginaire respectivement du rapport complexe m 2 du signal reçu sur la voie différence site t au signal reçu sur la voie somme Z pour la deuxième direction de pointage A 2 de l'antenne monopulse 1. Ces deux nouvelles données R 2, 12 sont également introduites dans le deuxième circuit de calcul 5 qui reçoit également les diagrammes somme S (oc) et différence site D (oc) de l'antenne monopulse 1, l'angle O étant repéré par rapport à l'axe de l'antenne. Le deuxième circuit de calcul 5 effectue le calcul exposé dans l'étude théorique ci-dessus, à savoir la résolution de l'équation complexe ( 10): A(r X y"') mi m 2 + B ( C(,C) ml +C (a C comme partie imaginaire Il et 12 respectivement. A, B, C, E des fonctions connues, réelles et symétriques en cy et O(', sites de la cible et de son image par rapport à la même référence, choisie dans le mode-de réalisation des figures l et 2 comme l'axe de l'antenne pointée dans la première direction AI, telles que: (o( _ ml) A (OC, o,') S( O pointage de l'antenne par rapport à la référence absolue choisie Ax. Cette référence absolue peut être l'horizon par exemple On appelle oe le site de l'axe de l'antenne 1 pointée dans la première direction AI Cette direction A 1 connue sert de référence relative pour les sites c de la cible C et o(' de son image CI calculés par le deuxième circuit de calcul 5 de la figure 1, ainsi que pour l'angle Q dont est dépointé l'axe d'antenne lorsqu'il est commuté dans la direction A 2 La cible a donc un site o racines de l'équation. La figure 3 représente un mode de réalisation détaillé non limitatif du premier circuit de calcul 4 de la figure 1, correspondant à un récepteur à traitement linéaire Le récepteur 2 de la figure 1, non représenté sur la figure 3, comprend alors un premier sous- ensemble et un deuxième sous-ensemble de circuits conventionnels effectuant les changements de fréquence et l'amplification qui permettent de transposer le signal hyperfréquence reçu sur la voie somme _ et différence site A respectivement en un signal à fréquence intermédiaire. Les deux signaux voie somme Z et voie différence site L à fréquence intermédiaire ainsi obtenus sont ensuite appliqués à l'entrée du démodulateur d'amplitude 43 qui élabore la partie réelle du rapport des deux signaux Le signal somme et le signal différence site, déphasé de r par le circuit 40, alimentent le démodulateur d'amplitude 44 qui élabore la partie imaginaire, du rapport des deux signaux somme et différence site. Un convertisseur analogique/numérique 45, respectivement 46, transforme la partie réelle, respectivement imaginaire, en une donnée numérique RI ou R 2, Il ou 12 respectivement, selon le pointage AI ou A 2 de l'axe d'antenne Selon un autre mode de réalisation (non représenté) on peut également utiliser un circuit de calcul 4 correspondant à un récepteur à traitement monopulse classique dit de phase qui présente toutefois l'inconvénient d'intro- duire un bruit supplémentaire et de détériorer les performances du procédé décrit. On a ainsi décrit un procédé de mesure du site d'une cible à basse altitude dans un radar monopulse et un mode de réalisation préférentiel non limitatif du dispositif mettant en oeuvre un tel procédé. REVENDICATIONS 1 Procédé de mesure du site d'une cible à basse altitude par un radar monopulse, caractérisé en ce qu'il comprend succes- sivement: une première étape d'élaboration par le récepteur radar des signaux sur la voie somme et sur la voie différence site reçus par l'antenne radar pointée dans une première direction; une deuxième étape de calcul du rapport complexe m 1 du signal voie différence site au signal voie somme; une troisième étape dans laquelle l'axe de l'antenne radar est dépointée dans une deuxième direction faisant un angle O avec la première direction; une quatrième étape d'élaboration des signaux sur la voie somme et sur la voie différence site reçus par l'antenne radar pointée dans la deuxième direction; une cinquième étape de calcul du rapport complexe m 2 du signal voie différence site au signal voie somme; et une sixième étape de calcul des sites oc de la cible et A Ci de son image exprimés en fonction de la largeur du faisceau d'antenne radar à 3 d B par rapport à la première direction de pointage de l'antenne radar, et solutions de l'équation complexe: A(OC, o(,) ml m 2 + B (o C, o(') m 1 + C (o(, o C') m 2 + E (c, o(') = O o A, B, C, E sont des fonctions connues, réelles, symétriques en D et OC(' du rayonnement de l'antenne radar sur la voie somme S (ôC) et la voie différence site D (c) dans la direction de site (OC) par rapport à l'axe de l'antenne, telles que: ( ( _ o O (') A(OC, cx,) = S(O) S(O + 0) S(oi + 0) S(o') (L ') B(OC, C') = D(o C + 0) S(D(') S(O") D(O"' + 0) ( oc _) C(k, c') = S(OC + 0) D( '() D() S( O ' + 0) (o o"') E(X(, o Q) = D(") D(O(' + 0) D( 2 Dispositif de mesure du site d'une cible à basse altitude associé à un radar monopulse comportant une antenne et un récep- teur radar élaborant à partir du signal hyperfréquence reçu par l'antenne les signaux voie somme et voie différence site, caractérisé en ce qu'il comprend: un moyen ( 3) de dépointage de l'antenne radar ( 1) pour pointer successivement l'axe de ladite antenne ( 1) dans une première direction (AI) puis dans une deuxième direction (A 2) dépointée de la première (Ai) d'un angle O; un premier moyen ( 4) de calcul de la partie réelle et de la partie imaginaire du rapport complexe ml puis m 2 du signal voie différence site au signal voie somme pour la première (A 1) puis pour la deuxième (A 2) direction de pointage de l'axe de l'antenne radar ( 1); et un deuxième moyen ( 5) de calcul du site (c K) de la cible et (o C') de son image à partir des premier et deuxième rapports complexes ml et m 2 correspondant aux première et deuxième directions de pointage (AI et A 2 respectivement) de l'axe de l'an- tenne, et des diagrammes de rayonnement somme et différence site de l'antenne radar. 3 Dispositif de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce que le récepteur radar ( 2) étant à traitement linéaire et délivrant des signaux voie somme et voie différence site transposés à fré- quence intermédiaire et amplifiés, le premier moyen de calcul comprend: un premier démodulateur d'amplitude ( 43) recevant sur ses première et deuxième entrées les signaux voie somme et voie différence site à fréquence intermédiaire en sortie du récepteur radar ( 2); un deuxième modulateur d'amplitude ( 44) recevant sur une première entrée le signal voie somme à fréquence intermédiaire délivré par le récepteur radar ( 2) et sur une deuxième entrée le signal voie différence site à fréquence intermédiaire délivré par le récepteur radar ( 2) et déphasé de 11/2 par un circuit ( 40); et un premier et un deuxième convertisseur analogique-numé- rique ( 45, 46) codant le signal de sortie des premier et deuxième démodulateurs d'amplitude ( 43, 44) respectivement. 4 Dispositif de mesure selon la revendication 2 ou 3, caracté- risé en ce que, l'antenne radar ( 1) étant une antenne monopulse à balayage mécanique comprenant une première source primaire, une deuxième source primaire est disposée étagée en site avec la première source primaire dans le plan de ladite antenne ( 1), le moyen de dépointage ( 3) étant constitué par un circuit de commu- tation de la première source primaire à la deuxième. Dispositif de mesure selon la revendication 2 ou 3, caracté- risé en ce que l'antenne radar ( 1) étant une antenne monopulse à balayage électronique, le moyen de dépointage ( 3) est constitué par le calculateur-pointeur de l'antenne radar. 6 Radar monopulse caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de mesure du site d'une cible à basse altitude selon l'une quelconque des revendications 2 à 5 et fonctionnant selon le procédé de la revendication 1.