Brevet FR2529347A1 — publié le 19831230

Méthode de télédétection à faible consommation d'énergie L'invention concerne une méthode de télédé- tection à faible consommation d'énergie pouvant être utilisée pour améliorer le bilan énergétique des dispositifs de télédé- tection embarqués sur les satellitescomme pÈr exemple les dif- fusiomètres qui permettent de déterminer la vitesse et la direc- tion du vent à la surface de la mer A titre d'exemple non limi- tatif, l'invention sera décrite pour l'application aux diffusio- mètres Ces appareils utilisant un système radar sont basés sur la mesure du coefficient de rétrodiffusionde micro-ondes par la surface de la mer En effet, on a constaté que les vagues de gra- vité, c'est-à-dire les vagues proprement dites, dépendent très peu du vent alors que les vagues capillaires, c'est-à-dire les toutes petites vagues qui "frisent" la surface de la mer, dépen- dent étroitement du vent On voit, sur la Figure 1, une vague de gravité 1 qui est "modulée" par des vagues capillaires 2 Les vagues de gravité ont une longueur d'onde beaucoup plus élevée que celle des ondes radars, mais, par contre, les vagues capil- r - laires ont des longueurs d'onde voisines de celles des radars et il se produit une interaction entre les vagues capillaires et le signal radar Pour des angles d'incidence 9 supérieurs à 250, la condition de Bragg est réalisée et l'écho radar de l'océan est essentiellement fonction du spectre de fréquences de l'océan Le coefficient de retrodiffusion C Oest une fonction de la vitesse et de la direction du vent. On peut donc, à partir d'un satellite, déterminer la vitesse et la direction du vent à la surface de l'océan. C'est pourquoi on a réalisé des diffusiomètres montés sur les platesformes satellisées et destinés à mesurer la vitesse du vent De tels diffusiomètres sont décrits par exemple dans la revue "IEEE Journal of Océanic Engineering" Volume OE-S, no 2 (avril 1980) pages 138 à 154 Ils comportent une antenne "éventail" ayant un faisceau large en élévation-et un faisceau étroit en azimut A la réception, on utilise un filtre Doppler qui détermine des cellules de mesure correspondant à des zones quadrangulaires de la bande d'océan recevant le faisceau radar. Pour des raisons de rendement l'angle d'incidence est limité à 550 ce qui correspond à la cellule de mesure la plus distante -2- du satellite On voit sur la figure 2 un satellite 5 mesurant les caractéristiques du vent pour des angles d'incidence 6 avec la terre 6 allant de 250 (cellule de mesure la plus proche à 550 (cellule la plus éloignée) Ainsi, avec 8 cellules de mesure, on peut mesurer la vitesse et la direction du vent sur une largeur de 400 km, chaque cellule étant un carré de 50 km de côté Ceci est illustré figure 3 o l'on voit un satellite 10 comportant deux antennes, une avant 11 et une arrière 12 dont on voit la trace des faisceaux sur la bande d'océan 13 de 400 km ( 8 x 50 km) sur laquelle on effectue les mesures; le trait interrompu 14 désigne la trace du satellite et les antenes il et 12 font un angle d'azimut de 45 , respectivement 1350, avec la trace 14 du satellite sur la terre, c'est-à- dire que le faisceau de chaque antenne fait un angle de 45 avec la direction de déplacement du satellite. Les diffusiomètres embarqués pour la mesure du vent connus actuellement présentent un certain nombre d'incon- vénients. Les conditions d'émission sont calculées pour le cas le plus défavorable, c'est-à-dire pour obtenir une mesure correcte pour la cellule la plus éloignée, mais ces mais parce que le coefficient de rétrodiffusion est beaucoup plus grand pour les angles d'incidence plus petits qui correspondent aux cellules proches, le signal de retour est environ 100 fois plus grand que celui qui est nécessaire pour répondre aux exigen- ces de précision de mesure, (pour les cellules proches, il existe une situation d'abondance qui est un gaspillage d'énergie),ceci est particulièrement gênant sur un appareil embarqué o l'on re- cherche, par tous les moyens, à limiter la consommationdonc à augmenter l'autonomie. L'invention a pour objet une méthode pouvant être appliquée à un diffusiomètre du type précité permettant ainsi d'obtenir des conditions optimales pour toutes les cellules de mesure et de réduire très notablement la consommation d'énergie. Dans le diffusiamètremettant en oeuvre 1 ' inventio X le dispo - sitif d'émission précité est constitué par une antenne à faisceau filiforme à balayage de fréquence et, dans chaque bande d'émission, on envoie des signaux successivement à chaque cellule, une seule cellule étant éclairée à la fois et la fréquence des impulsions étant spécifique à chaque cellule. -3- Du fait que les cellules de mesure sont éclairées une par une, on peut régler à chaque fois les signaux envoyés de manière à obtenir les conditions optimales pour chaque cellule De plus, la consommation d'énergie est fortement réduite. Avantageusement, la puissance crête des impulsions envoyées vers chaque cellule est la même pour toutes les cellules et la durée des impulsions est différente pour chaque cellule et varie suivant les lois propres au radar On règle ainsi la durée des impulsions, l'énergie totale reçue pour chaque cellule. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, faite à titre illustratif et nullement limitatif en se référant aux dessins ciannexés sur lesquels: les figures 4 et 4 A illustrent un mode de réalisation de l'invention, la figure 5 est un tableau décrivant les trains d'impul 5 icns envoyés, la figure 6 est un tableau indiquant les caractéristiques des différentes impulsions; la figure 7 est un schéma bloc du diffusiomètre, et la figure 8 représente l'empreinte des faisceaux sur la surface de l'océan. Conformément à l'invention, on envoie des signaux consécutifs à chaque cellule de mesure au lieu d'envoyer un signal simultanément à l'ensemble des cellules de la bande azimutale couverte par l'antenne en "éventail" (fan antenna) comme cela était fait dans les diffusiomètres connus jusqu'à maintenant Selon l'invention, on utilise des antennes à faisceau filiforme en effectuant un balayge de fréquence. -4- Les figures 4 et 4 A représentent un mode de réalisation de l'invention On voit un satellite 16 en orbite au-dessus de la terre 17; la ligne 18 représente la trace de la trajectoire du satellite sur la terre Ce satellite porte trois antennes d'émission, une antenne avant 19, une antenne arrière 20 et une antenne à 90 , 21 Les antennes 19 et 20 sont, de manière classique, orientées avec un angle d'azimut de 45 o L est le nombre d'échantillons et Sn le rapport signal- bruit, ce facteur varie en particulier en fonction de l'angle d'incidence du faisceau. Selonl'invention, on peut agir sur le facteur Kp en choisissant pour chaque cellule, le nombre d'échantillons L, c'est-à-dire que le nombre des impulsions envoyées à chaque cellule est déterminé pour obtenir par exemple un facteur Ep iden- tique pour toutes les cellules et avoir ainsi une-mesure uniforme. La figure 5 donne un exemple d'une séquence de mesure possible dans le cas de 8 cellules, la cellule 1 étant la cellule la plus proche (angle d'incidence 9 égal à ) et 8 la plus éloignée (angle d'incidence 9 égal à 55 ). On voit qu'un cycle de mesure comporte 1 oo trains -5 - d'impulsions, les trains d'impulsions 1 à 17 éclairent toutes les cellules Les 8 trains d'impulsions suivants 18 à 25, n'éclairent que les cellules 2 à 8, les 25 trains suivants, les cellules 3 à 8 et ainsi de suite Il y a 100 trains d'impulsions dans un cycle de mesure. La figure 6 est un tableau indiquantpour chaque cellule, la fréquence, la durée et le nombre Lp des impulsions transmises, le nombre LR des échantillons par impulsion, la durée totale des impulsions reçues et le pourcentage de cette durée totale par rapport à la durée totale d'émission dans chaque cycle. On voit que les cellules les plus rapprochées reçoivent des impulsions plus courtes et moins nombreuses et, de ce fait, le pourcentage de durée totale de transmission pour la cellule 1 est beaucoup plus faible que celui de la cellule 8 On comprend que dans ces conditions on obtient de bonnes conditions de mesure pour toutes les cellules en n'envoyant à chacune que l'énergie strictement nécessaire. Le temps séparant deux trains d'impulsions doit être déterminé en tenant compte des facteurs suivants le temps de décorrélation, l'interdiction d'émettre lorsque l'on attend des signaux diffusés en retour, et la puissance moyenne disponible de l'émetteur. Un intervalle de 7,5 ms satisfait aux deux premières conditions On peut donc transmettre un cycle complet en environ 750 ms Pour une puissance crête de 2000 V, la puissance moyenne maximale exigée de l'émetteur est alors de 74 watts. A chaque fois que le satellite traverse approxi- mativement 50 km (c'est-à-dire toutes les 7,46 s), on envoie un cycle d'impulsions Il en résulte que la puissance moyenne en radiofréquence est d'environ 6,6 W par antenne En fait, l'antenne à 900 demande moins de puissance Si l'on utilise un dispositif à 6 antennes, c'est-à-dire 3 antennes de chaque 6 2529347 côté du satellite pour des azimuts de 45, 90, 135, 225, 270 et 3150, on peut couvrir une largeur de 1200 km avec une puissance moyenne totale de 39,6 W. Ce résultat est à comparer avec ceux obtenus avec les appareils connus jusque maintenant o l'énergie nécessaire pour obtenir la même précision de mesure est beaucoup plus élevée Ceci est particulièrement important pour des appareils embarqués sur une plate-forme de satellite. La dimension azimutale des antennes est choisie de manière à limiter la largeur du faisceau à celle nécessaire pour éclairer la cellule la plus éloignée. Du fait que l'appareil effectue une résolution cellule par cellule, il n'est pas nécessaire de limiter la hauteur du faisceau à celle de la cellule Cependant, pour limiter la consommation d'énergie, on utilise un faisceau filiforme (pencil beam) dont l'ouverture a une forme carrée ou proche-de celle d'un carré La section de ce faisceau est de préférence limitée de manière à ce que son empreinte soit inscrite dans chaque cellule de mesure comme cela est repré- senté figure 8 o l'on voit les empreintes du faisceau sur les différentes cellules de mesure Il-n'y a de ce fait aucune perte & énergie puisqu'aucune partie du faisceau ne tombe sur une cellule voisine. La fréquence des impulsions pour chaque cellule est comprise dans la bande des 14 G Hz ou bande P. La fréquence pour chaque cellule est une fonc- tion, par exemple, linéaire de l'angle de balayage du faisceau. Sur le tableau de la figure 6, on voit que cette fréquence va- rie de 14 G Hz pour la cellule l à 13,4 G Hz pour la cellule 8. Les caractéristiques principales de l'appareil décrit sont les suivantes: hauteur sur orbite 675 km zone de mesure sur 400 km, le bord le plus 7 proche étant décalé de 200 km de la trace du satellite sur le sol. cellule de mesure: carré de 50 km de côté dimensions azimutale et élévationale de l'antenne:58 cm angle de balayage: 23 polarisation verticale puissance crête de sortie en radiofréquence 2000 W facteur de bruit du récepteur 4 d B pertes totales 12,7 db (y compris 3 d B de marge) facteur Kp 15 % pour chaque cellule coefficient de diffusion o correspondant à un vent de travers de 4 m/s. Conumme on peut le voir sur le tableau de la figure 6, on obtient plusieurs échantillons par impulsions de 12 pour la cellule 1 à 2 pour la cellule 8 Le nombre des observations indépendantes est égal au produit du nombre d'impulsions Lp par le nombre d'échantillons L R Dans l'exemple représenté, la longueur d'intégration pour chaque échantillon - a été limitée à 12,5 km de part et d'autre du centre de chaque cellule, comme on peut le voir figure 8. La Figure 7 est une schéma bloc de l'appareil selon l'invention Il comporte essentiellement un synthétiseur de fréquences 24 qui fournit une forme d'onde approprie avec des sauts de fréquence au cours du train d'impulsions Le si- gnal Ft obtenu est envoyé dans un émetteur modulateur 25 puis dans une:unité 26 de duplexage et de calibrage des micro-ondes et enfin à une matrice de commutation d'antenne 27 qui dirige le signal sur l'antenne à balayage de fréquences concernée o A la réception, le signal est mélangé dans un récepteur avec un signal local F Lo fourni par le synthé- Lo L tiseur de fréquence 24 la fréquenc de ce signal F Lo est incrémentée au cours de la phase de réception. 8 2529347 Le signal de sortie du récepteur 29 est envoyé dans un détecteur cohérent 30 qui reçoit également du synthéti- seur 24 un signal F Lo dont la fréquence est incrémentée en syn- chronisme avec la fréquence locale F Lo afin de compenser l'effet Doppler Le signal obtenu est envoyé sur un banc de filtres numé- riques 31 commandé par un programateur de filtres 32, lui-même piloté par une unité de commande et de synchronisation 33 qui commande également le synthétiseur 24. Le signal traité par les filtres est envoyé sur des intégrateurs et des mémoires schématisés en 34 En l'absence de signal, le bruit est traité comme décrit précédemment afin d'enlever le bruit du signal bruité Les données obtenues sont ensuite traitées par des calculateurs de manière à obtenir les valeurs de coefficients de rétrodiffusion puis les paramètres du vent à la surface de chaque cellule On a vu que l'invention permet d'obtenir une mesu- re homogène tout en utilisant l'énergie strictement nécessaire. Elle offre en outre une très grande souplesse, ce qui permet, par exemple, de s'adapter de manière optimale à la valeur désirée du coefficient de rétrodiffusion et cela même en orbite. Par ailleurs, l'invention permet de s'adapter à des sites de mesures pouvant être par exemple partiellement ou totalement couverts de terre, de clace ou d'eau ou iine combinai- son des deux ou des trois Dans les appareils connus, l'ensemble du site est toujours éclairé en même temps et dans le cas préci- té de terre, glace ou eau, la réponse du radar est très difficile à analyser Pour extraire les signaux utiles, il faut faire appel à un système de filtrage complexe. Un autre possibilité offerte par l'invention est de S 'adapter V au coefficient de rétrodiffusion a qui a été mesuré ou un coefficient espéré Actuellement-, on éclaire tout le site avec un signal pouvant mesurer le vent dans les conditions les plus favorables (vent de 4 m/s); mais ce vent est rare et il y a donc une perte d'énergie Dans le diffusiomètre selon l'invention, on 3 D peut établir le profil du o après un premier groupe de trains d'impulsions et on adapte ensuite les trains suivants à ce pro- fil. _ 9 2529347 Le mode de réalisation ci-dessus n'a été fourni qu'à titre d'exemple nullement limitatif et il est évident que l'on peut y apporter des modifications ou variantes sans sortir pour autant-du cadre de la présente invention En particulier, l'invention peut également être mise en oeuvre dans un système radar à synthèse d'ouverture (SAR) qui soit capable de donner de manière sélective une image des parties d'une trace importan- te La suppression du lobe bilatéral (qui est d'environ 50 d B) du faisceau filiforme supprime les ambiguïtés de gamme et permet ainsi d'obtenir une bonne résolution en azimut Le spectre asso- cié à l'antenne à balayage de fréquence fournit une pondération qui réduit de manière automatique leslobes latéraux de gamme associés au procédé de compression d'impulsion Ce système per- mettant de positionner une trace relativement étroite parmi une gaire élevée d'angles d'incidence On pourrait de cette manière contenter tou- tes les demandes des utilisateurs intéressés par la lecture à distance On pourrait ajouter des traces supplémentaires en au- gmentant la bande de fréquence balayée pourvu, évidemment, que l'on dispose d'une puissance d'émission suffisante Le système permet également de faire des vues octhogonales. Par ailleurs, le signal écho reçu peut être traité au moyen d'une batterie de filtres récepteurs munis d'in- tégrateurs et de mémoires individuels. 2529347 REVENDICATIONS 1 ) Méthode de télédétection à faible consom- mation d'énergie comportant au soins un dispositif d'émission dans une ou plusieurs bandes étroites selon un ou plusieurs an- gles d'azimut déterminés par rapport au déplacement des satelli- tes, caractérisée en ce que le d ispositif d'émission précité est constitué par au moins une antenne à faisceau filiforme à balaya- ge de fréquence et en ce que, dans chaque bande d'émission, on envoie des signaux successivement à chaque cellule, une seule cellule étant éclairée à la fois et la fréquence des impulsions étant spécifique à chaque cellule. ) Méthode selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que la puissance crête des impulsions envoyées vers chaque cellule est la même pour toutes les cellules, et en ce que la durée des impulsions est différente pour chaque cellule et varie en suivant les équations du radar. ) Méthode selon l'une quelconque des revendi- cations 1 et 2, caractérisée en ce que, dans un cycle de mesurer les différentes cellules reçoivent des nombres d'impulsions dif- férents, les cellules les plus éloignées recevant le plus d'im- pulsions et inversement. ) Méthode selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisée en ce que chaque cycle de mesure com- porte plusieurs trains d'impulsions dont les séquences sont dif- 2 ' férertes. ) Méthode selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisée en ce que la fréquence des impulsions envoyées à chaque cellule varie en fonction de l'angle de balaya- ge de la bande azimutable. 60) Méthode selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que le faisceau filiforme a une section dont la forme couvre la presque totalité de la cellule.