Brevet FR2557306A1 — publié le 19850628

ELM. BOU. DISPOSITIF DE DISCRIMINATION D'ECHOS RADAR La présente invention concerne un dispositif de discrimination d'échos radar en fonction de leur nature: écho de sol, écho de pluie, écho de rmer, écho de cibles mobiles, etc. Elle s'applique plus particulièrement aux radars météorologiques à poste fixe pour lesquels les échos dûs à la pluie doivent être distingués des échos dûs au sol, ces derniers devant être éliminés. Pour séparer les échos de pluie ou de nuages denses, des échos fixes ou de cibles, il est connu de faire appel soit à la technique dite de polarisation circulaire, soit à la technique dite "MTI" (abvréviation de l'appellation anglo-saxonne "Moving Target Indicator") à mesure de phase, soit à l'utili- lo sation d'hypothèses sur la longueur ou sur l'uniformité des échos de nuage ou de pluie. Parmi toutes ces techniques, seule la première est efficace, la seconde donnant des résultats variables et imparfaits sur les précipitations, et la troisième n'ayant jamais satisfait pleinement les utilisateurs. La présente invention a pour objet un dispositif de discrimination d'échos radar qui s'appuie sur un principe totalement différent des principes existants et qui présente par ailleurs une efficacité comparable aux plus performantes des techniques antérieures. Le principe de la présente invention est basé sur le fait que les paramètres définissant les variations d'échos radar, traitées comme des phénomènes aléatoires, à savoir la répartition d'amplitude et la fonction d'auto-corrélation, ont des valeurs très différentes selon la nature des échos, et plus particulièrement sur le fait que la puissance reçue d'un écho fixe évolue en moyenne moins, et plus lentement, que celle reçue d'un écho de pluie. Suivant l'invention, le dispositif de discrimination d'échos radar, pour séparer les échos de pluie des échos dûs au sol, dans le signal vidéo d'un radar météorologique du type à impulsions, comporte des moyens de calcul de fluctuation pour retrancher l'amplitude du signal vidéo incident, corres- pondant à une impulsion donnée émise par le radar, et l'amplitude du signal vidéo mémorisé, correspondant à une impulsion émise précédemment par le radar, le signal obtenu à l'issue de ce traitement étant représentatif des seuls échos de pluie, les échos de sol étant très atténués. Les objets et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, faite en relation avec les dessins ci-annexés dans lesquels: - la figure I représente un schéma de principe du dispositif suivant l'invention; - la figure 2 représente, sur les figures 2d et 2e, les signaux obtenus en différents points du dispositif représenté à la figure 1, pour un signal vidéo radar représenté sur la figure 2c, obtenu en réponse à un signal émis représenté sur la figure 2b, et pour un exemple d'environnement géogra- phique du radar montré sur la figure 2a; - la figure 3 représente un premier exemple de réalisation de l'inven- tion, correspondant à une vidéo linéaire et à un traitement analogique du signal; t5 - la figure 4 représente 'un deuxième exemple de réalisation de l'invention, correspondant à une yidéo linéaire et à un traitement numérique du signal; - la figure 5 représente un troisième exemple de réalisation de l'invention, correspondant à une vidéo logarithmique et à un traitement numérique du signal. Sur ces différentes figures, des éléments identiques ont été repré- sentés avec les mêmes références. Le dispositif de discrimination représenté sur la figure 1 comporte des moyens de calcul de fluctuation 1 pour retrancher l'amplitude B du signal vidéo incident v(t), correspondant à une impulsion donnée émise par le radar, à l'amplitude A du signal vidéo mémorisé, correspondant à une impulsion émise précédemment par le radar. Ces moyens de calcul de fluctuation comportent un soustracteur 2 qui reçoit d'une part le signal vidéo incident v(t), d'autre part le signal vidéo v(t) retardé au moyen d'un organe de retard 3. Le retard T1 apporté par l'organe de retard 3 peut être égal à la période de répétition T du radar à impulsions ou à un multiple de celle-ci. On précise que la vitesse de rotation de l'antenne d'émission d'un radar météorologique étant très faible (de l'ordre de 2 /s), on peut considérer que les amplitudes A et B se rapportent à une même direction de l'antenne d'émission. Par ailleurs, pour une direction donnée de l'antenne d'émission, les amplitudes A et B se rapportent à un même point élémentaire situé dans cette direction (le pouvoir de discrimination en distance du radar entre deux points élémentaires étant égal à la durée d'impulsion Tr). - La différence d'amplitude A-B obtenue à l'issue du calcul de fluc- tuation représente la partie fluctuante du signal vidéo, et est d'autant plus grande que la fluctuation du signal vidéo est rapide par rapport au temps séparant les échos successifs traités relativement à un même point élémentaire. Comme la puissance reçue d'un écho fixe évolue en moyenne moins, et plus lentement, que celle d'un écho de pluie, les échos dûs au sol se trouvent fortement atténués dans le signal différence A-B. La discrimination entre échos de pluie et échos dûs au sol peut alors découler soit d'une simple observation de ce signal différence, soit d'un traitement ultérieur plus complexe de ce signal. Il est possible d'ajoindre aux moyens de calcul de fluctuation 1 des moyens d'intégration 4 permettant d'effectuer un calcul de moyenne sur un temps T2 du signal différence A-B. Le temps T2 d'intégration permet une estimation de l'amplitude efficace de fluctuation du signal. Cette estimation est d'autant plus précise que le temps T2 est grand. Le temps T2 est alors un compromis entre cette condition et le temps de passage maximum du faisceau de l'antenne sur un point élémentaire. Des moyens 5 pour calculer le module de la différence A-B sont disposés en sortie des moyens de calcul de fluctuation 1. On se réfère maintenant à la figure 2 pour illustrer de manière plus concrète le fonctionnement du dispositif représenté sur la figure 2. Sur la figure 2a on a représenté le faisceau émis par une antenne d'émission 6 d'un radar météorologique, et, dans la direction de ce faisceau, des éléments constitutifs du paysage qui sont à titre d'exemple une cible fixe 7 et un nuage 8. Sur la figure 2b, on a représenté la forme du signal en impulsions e(t) émis par l'antenne 6, et plus particulièrement deux impulsions successives de ce signal de durée r, espacées de la période de répétition T. Sur la figure 2c, on a représenté l'allure du signal vidéo v(t) obtenu en réponse à ces deux impulsions successives au cours du passage du faisceau d'émission dans la direction considérée, les signaux vidéo dûs à la cible fixe 7 et au nuage 8 étant respectivement repérés par v1(t) et v2(t). Cette figure fait apparaître que le signal v2(t) varie d'une récurrence à l'autre dans des proportions beaucoup plus importantes que le signal vl(t). Sur les figures 2d et 2e, on a représenté les signaux s(t) et 5(t) obtenus respectivement en sortie des moyens de calcul de fluctuation 1 et des moyens d'intégration 4, les fluctuations les plus importantes de ces signaux étant représentatives de l'écho dû au nuage 8, et l'écho dû à la cible fixe 7 étant très fortement atténué. L'exemple de réalisation représenté sur la figure 3 correspond à une vidéo linéaire et à un traitement analogique. L'organe de retard 3 faisant partie des moyens de calcul de fluctuation est réalisé au moyen d'un registre à transfert de charges 10 particulièrement apte à réaliser une ligne à retard. Le nombre de celluies élémentaires de ce registre à transfert de charges est au moins égal au nombre de points élémentaires possibles pendant la durée T i. La fréquence des points élémentaires étant égale à 1/l., le registre à transfert de charges est activé par un signal d'horloge H de fréquence égale à 2/ -r. Le signal d'horloge H est 2u fourni par un oscillateur Il qui est commandé par un signal SY de synchronisation radar définissant la distance zéro. Les moyens d'intégration 4 sont par exemple réalisés au moyen d'un filtre numérique récursif comportant un premier additionneur 12 qui reçoit d'une part le signal de sortie des moyens de calcul de fluctuation, d'autre part le signal fourni par un multiplieur 13 par un coefficient 1/n. Le multiplieur 13 a son entrée reliée à la sortie d'un registre à transfert de charges 14 dont l'entrée est à son tour reliée à la sortie d'un additionneur 15. L'additionneur 15 reçoit d'une part le signal de sortie d'un registre à transfert de charges 16 qui a lui-même son entrée reliée à la sortie de l'additionneur 12, d'autre part le signal de sortie d'un multiplieur 17 par un coefficient 1/n2 qui a lui-même son entrée reliée à la sortie du registre à transfert de charges 14. Les registres à transfert de charges 14 et 16 reçoivent le même signal d'horloge H que le registre à transfert de charges et leur nombre de cellules élémentaires répond aux mêmes conditions. Il est possible de réaliser suivant le même principe un traitement numérique appliqué à une vidéo linéaire. Cette solution est décrite en relation avec la figure 4. Le signal vidéo v(t) est alors codé dans un codeur analogique- numérique 20 dont la fréquence d'échantillonnage est égale à 2/t au moins. Les mots binaires successifs issus du codeur 20, qui représentent l'amplitude des échantillons, sont ensuite traités soit par une logique séquentielle, soit par une machine microprogrammée, l'organigramme de traitement étant le suivant: - codage, au moyen du codeur analogiquenumérique 20, de l'échantillon prélevé à l'instant t sur le signal vidéo v(t), - lecture, à une certaine adresse A d'une mémoire vive 21, de l'échantillon prélevé à l'instant t- T1 sur le signal vidéo, codé, et mémorisé dans cette mémoire, - écriture, à cette même adresse A de la mémoire 21, de l'échantillon codé prélevé à l'instant t (la mémoire 21 étant adressée séquentiellement par un compteur 22 qui est incrémenté par le signal H défini précédemment, fourni par un oscillateur 23, et qui est remis à zéro par le signal SY de synchronisation radar défini précédemment), - calcul au moyen d'une unité arithmétique et logique 24 de la valeur absolue de la différence entre les amplitudes des échantillons codés prélevés aux instants t et t- T1, ces amplitudes étant redressées au moyen de redresseurs 23' et 24', - introduction de cette différence dans l'algorithme de calcul de moyenne sur T2, ce calcul étant par exemple effectué au moyen d'un additionneur 25 associé à une mémoire vive 26 qui est adressée par le compteur 22 et dans laquelle sont écrits les résultats fournis par l'additonneur 25, ce dernier recevant d'une part les données fournies par l'unité arithmétique et logique 24, d'autre part les données fournies par un soustracteur 27, le soustracteur 27 recevant d'une part le signal de sortie de l'additionneur 25, d'autre part ce même signal multiplié par un coefficient 1/ a, - obtention de la valeur numérique de la moyenne au point considéré, après multiplication de la valeur obtenue en sortie de la mémoire 26 par le coefficient 1/a au moyen d'un multiplieur 27', - conversion numérique-analogique de cette valeur au moyen d'un codeur numérique-analogique 28. La taille des mémoires 21 et 26 obéit aux mêmes conditions que celles exposées précédemment pour les registres à transfert de charges de la figure 3. La figure 5 représente un exemple de réalisation numérique associé à une vidéo logarithmique. On expose tout d'abord les modifications à apporter par rapport aux cas précédents correspondant à une vidéo linéaire. Dans le cas d'une vidéo logarithmique, le signal d'entrée du dispositif de discrimination s'exprime sous la forme K log v(t), ce signal étant obtenu à partir du signal vidéo linéaire v(t) au moyen d'un amplificateur logari- thmique d'entrée 30. Un écho étant défini par sa valeur moyenne m et son écart type a, on suppose à l'entrée de l'amplificateur logarithmique d'entrée 30 un écho fixe de valeur moyenne mF et d'écart-type oF superposé à un écho de pluie de valeur moyenne mp et d'écart-type aOp. A l'entrée de l'amplificateur logarithmique d'entrée on obtient respec- tivement comme valeur moyenne et comme écart type: m1 = mF + mp et o2 F2 2 + et en sortie de l'amplificateur logarithmique d'entrée, en assimilant autour de la valeur moyenne du signal la fonction logarithmique à sa dérivée: m2 = K log (mF + mp) et 2 2 (aF + p2)2 (mF + mp) (avec k = K/2, 3). En sortie d'un dispositif de discrimination 31 identique à celui décrit jusqu'à présent en relation avec une vidéo linéaire, on obtient: m3= 0 et /2k a. 3 m +m F p en négligeant le terme résiduel d'écho fixe. Si l'on fait suivre ce dispositif 31 par un amplificateur logarithmique 32 identique à l'amplificateur logarithmique d'entrée 30, on obtient alors: K log cr3, soit K log /2 + K log k + K log a p - K log (mF + mp) On observe que dans cette expression la valeur K log /2 + K log k est une valeur constante, la valeur K log Op caractéristique de l'écho de pluie correspond au signal utile que l'on souhaite obtenir en sortie du dispositif de discrimination, (le rapport entre la valeur moyenne mp et la variance ap étant en effet pratiquement constant pour un écho de pluie quelle que soit la densité du nuage), et la valeur K log (mF + mp) correspond à la valeur moyenne m2 disponible en sortie de l'amplificateur logarithmique d'entrée 30. Un dispositif de discrimination d'échos radar associé à une vidéo logarithmique peut donc être obtenu à partir du dispositif de discrimination d'échos radar 31 associé à une vidéo linéaire en faisant simplement suivre celui-ci d'un amplificateur logarithmique 32, et en faisant suivre ce dernier d'un additionneur 33. L'additionneur 33 permet d'ajouter à la valeur obtenue en sortie de l'amplificateur logarithmique 32 le signal disponible à la sortie de l'amplificateur logarithmique d'entrée 30 (qui peut être assimilé à sa valeur moyenne étant entendu que le dispositif de discrimination est suivi de moyens de traitement permettant de ne retenir que la valeur moyenne des signaux) et retardé, au moyen d'une ligne à retard 34, d'un temps égal au temps de traitement à travers l'ensemble formé par le dispositif de discrimination d'échos radar 31 associé à une vidéo linéaire et l'amplifi- cateur logarithmique 32. Cette solution est celle qui conduit à une réalisation pratique présen- tant un moindre co t, d'autres formes de réalisation étant bien entendu possibles. g D'autres applications de l'invention peuvent être envisagées, notam- ment l'application aux échos de mer et aux échos mobiles. 2557306: REVENDICATIONS 1. Dispositif de discrimination d'échos radar, pour séparer les échos de pluie des échos dûs au sol, dans le signal vidéo d'un radar météorologique du type à impulsions, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (1) de calcul de fluctuation pour retrancher l'amplitude du signal vidéo incident, corres- pondant à une impulsion donnée émise par le radar, et l'amplitude du signal vidéo mémorisé, correspondant à une impulsion émise précédemment par le radar, le signal obtenu à l'issue de ce traitement étant représentatif des seuls échos de pluie, les échos de sol étant très atténués. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens d'intégration (4) pour effectuer un calcul de moyenne des différents résultats obtenus à l'issue du calcul de fluctuation pour plusieurs impulsions émises par le radar, le signal obtenu à Pissue de ce traitement étant alors représentatif des échos de pluie. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (5) pour calculer le module du signal obtenu en sortie des moyens de calcul de fluctuation. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, pour radar du type à vidéo logarithmique, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de conversion (32) pour convertir en signal logarithmique le signal linéaire obtenu soit en sortie des moyens de calcul de fluctuation, soit en sortie des moyens d'intégration, suivant que les moyens de calcul de fluctuation sont utilisés seuls ou en association avec les moyens d'intégration, et des moyens d'addition (33) pour additionner au signal ainsi obtenu le signal vidéo logari- thmique d'entrée du dispositif de discrimination d'échos radar, retardé d'un temps égal au temps de traitement égal soit au temps de traitement à travers les moyens de calcul de fluctuation et à travers les moyens de conversion, soit à travers les moyens de calcul de fluctuation, d'intégration et de conversion, suivant que les moyens de calcul de fluctuation sont utilisés seuls ou en association avec les moyens d'intégration, le signal obtenu en sortie des moyens d'addition étant alors représentatif des échos de pluie.