Brevet FR2595144A1 — publié le 19870904

PROCEDE DE TRAITEMENT DES SIGNAUX SOMME ET DIFFERENCE D'UN RADAR DU TYPE MONOPULSE, EN VUE D'ESTIMER LA PHASE PARASITE INTRODUITE ENTRE CES SIGNAUX PAR LES CIRCUITS HYPERFREQUENCE DE FORMATION DES VOIES SOMME ET DIFFERENCE La présente invention se rapporte d'une manière générale au domaine du radar et concerne plus particulièrement un procédé de traitement des signaux d'un radar du type monopulse, en vue d'estimer la phase parasite introduite entre ces signaux par les circuits hyperfréquence de formation des voies somme et diffé- rence. Il est connu qu'un radar du type monopulse permet la locali- sation angulaire de cibles par traitement de différents signaux reçus simultanément de ces cibles et correspondant à différentes directi- vités de faisceaux. Ainsi, comme représenté très schématiquement sur la figure 1, en prévoyant deux sources respectivement dans le plan azimut (la, 2a) et dans le plan élévation (le, 2e), on dispose en réception, pour chacun de ces plans, de deux signaux dont on peut former, par des moyens hyperfréquence (3, 4), la somme E et la différence A, ce qui revient à disposer d'une antenne avec un faisceau correspondant à la voie E et un autre faisceau correspondant à la voie A, et permet ainsi une localisation angulaire des cibles de façon simple. Il est également connu que, le rerayonnement d'une cible étant la somme des ondes réfléchies par chacun des éléments réflecteurs ^.. qui la composent, les signaux S et D reçus respectivement sur les voies somme et différence, en azimut ou en élévation, ont pour représentation complexe: 2d S= Es (0i) ai eJ(i - w c) i 2d. D = e-j Y E d (i) ai eJ(6iw c) i avec: s(Oi): gain de la voie somme à l'angle 0i; d(Oi): gain de la voie différence à l'angle 0i; éme ai: amplitude relative au ime réflecteur; : déphasage introduit par le ieme réflecteur; éme di: distance entre le radar et le ime réflecteur; i f: phase parasite introduite entre les voies. et a par les circuits hyperfréquence de formation des voies somme et différence. Il est également connu que, dans le cas particulier du plan élévation, la phase parasite Y entre les voies somme et différence peut être évaluée de la façon suivante. Soit P = S x D ej [Ei s(.i) d (i)a + Z ai aj s(.i)d(.j) =e 1 1 ilj, iJ i J ioj - ej [ ilj w c Ci] li j ou Dt désigne la quantité complexe conjuguée de D, et o: l 6j =,l- Ta dij = di - dj Si l'on effectue le calcul de la valeur moyenne de P sur 2d.. différentes cases distance du radar, la phase j - w 2d pouvant 'j c être considérée comme aléatoire, on a: E (P) = ej Y E [. s (Oi) d (Oi) ai] = eJ E (a) i 1 i i o E désigne l'opérateur espérance mathématique. Le terme "a" est réel, mais est a priori de signe inconnu à cause des facteurs d ( 2595 1 44 et est, de part et d'autre de cette direction, soit en phase (A +) soit en opposition de phase (A -) avec E. Le moyennage de P ne permet alors a priori d'estimer la phase Y qu'au signe près. Or il se trouve que dans le plan élévation, cette ambiguïté de signe peut être levée de façon relativement simple car le signe de d (0i) est alors lié au rang de la case distance considérée, étant négatif pour les cases distance les plus proches et positif pour les cases distance les plus éloignées. En effectuant le moyennage de P sur les différentes cases distance, on obtient alors, après correction du signe en fonction de la case distance considérée, une estimation de la phase Y sans ambiguïté de signe. La présente invention telle que définie dans les revendications a pour objet un procédé d'estimation de la phase parasite Y permettant de lever ces ambiguïtés de signe également dans le plan azimut, et dont le principe est également applicable à l'estimation de la phase parasite y dans le plan élévation, ainsi qu'à l'estimation de la phase différentielle 6d entre les plans azimut et élévation, cette dernière possibilité constituant par ailleurs, comme on le verra par la suite, la base d'une autre méthode d'estimation de la phase parasite dans le plan azimut. D'autres 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 1 montre schématiquement la formation des voies somme et différence en azimut et en élévation dans un radar de type monopulse; - la figure 2 montre la forme des diagrammes somme et différence d'un radar monopulse dans le plan azimut ou dans le plan élévation; - la figure 3 illustre le balayage de l'antenne radar, suivant l'invention; la figure 4 est un schéma synoptique du traitement effectué suivant l'invention; - la figure 5 est un schéma du détecteur de produit utilisé dans le traitement suivant l'invention. L'invention est utilisée sur un système radar à émission cohérente ou non cohérente, polarisée circulairement, capable de recevoir et de discriminer polarisation circulaire droite et polari- sation circulaire gauche. Pour fixer les idées dans ce qui suit, les voies azimut recevront la polarisation droite tandis que les voies élévation reçoivent la polarisation gauche; l'inverse serait éga- lement possible. Ainsi en se référant à une phase absolue hypothétique les signaux somme a et Ee' et les signaux différence élévation, s'écrivent: = e-j 1 = e-j 72 = e-j 73 = e-jt4 respectivement en azimut et en élévation, Aa et Aes respectivement en azimut et en ú sa (4Di) aDie E. Se (OGj) aGje J E. da (ODi) aDie E de (OGi) aGje j 2dDi j(Di- 21r f c + Pt) 2d Gi j( o les indices D et G désignent les voies de réception des polari- sations droite et gauche, et les indices a et e les dimensions angulaires, azimut et élévation, et o phase non cohérente qui change d'impulsion à impulsion. A partir des signaux somme et différence Ya, E e' haa Ae, les expressions suivantes sont calculées: S=ú. EI a e D=A à.E D = a. e Une unité de temps étant fixée suffisamment petite pour que le déphasage entre voies puisse être considéré comme constant, on a Za E e Aa A e 2595 1 44 à un instant k: S(k) = e'j( y''- I2) E s a("D1) Se(eGm) aDl aGm. l,m D Gm e i K(DIGm-21rf 2 D c) D(k) = ej(?3 - ?2) Z da(ODi) se(Gj) aDi aGj ij e i (^Di Dj e2Gf 2cD) e J(4Di-sGj'21Tf2 (dDj dGi)) On notera que le calcul des expressions S et D permet, entre autres, de s'affranchir de la composante de phase non cohérente qt. On calcule alors l'expression: [S(k+l) - S(k-l)]D* (k) o k-1, k et k+l désignent trois instants successifs. On a: [S(k+l)-S(k-l)] Dt(k) = e-J') 1 | [ sa(k+l) ("Di) - sa(k-_l) (Di)] da(k) ("Di) 2,2 s2e(OGj)a2Di a2Gj + [Sa(k+l) ( 2595 1 44 avec: a ['a(k+l) (Di) - Sa(k-l) (eDi)] da(k) (eDi) se (OGj) aDi a2Gj Dans l'expression E bn e3j n, les facteurs bn sont affectés d'un n terme de phase in qui, pouvant être considéré comme aléatoire, disparaîtra par moyennage de l'expression: [S(k+l) - S(k-l)] D(k) sur plusieurs mesures successives de.a, ha, Ze' Ae effectuées par le radar et correspondant à plusieurs instants k successifs. La notion de mesures effectuées par le radar se rapporte à la notion de cases distance et d'impulsions. Pour une case distance donnée, le moyennage est effectué sur plusieurs impulsions succes- sives, et le moyennage est ensuite effectué sur plusieurs cases distance. Grâce à la double polarisation les facteurs non affectés d'un tel terme de phase sont limités à l'expression "a" pour laquelle on a l'égalité i = I et j = m. Tous les autres cas (tels que i = j ou m = 1) sont en effet exclus car ils correspondraient à des réflecteurs individuels qui renverraient les deux types de polarisation: droite et gauche, c'est-àdire qui seraient à la fois du type dièdre (nombre pair de réflexions successives, et du type tièdre (nombre impair de réflexions successives). L'invention permet donc de conserver toute l'information angulaire comprise dans les signaux reçus, tout en éliminant la non cohérence de l'émission, en les référençant à la réponse à la même impulsion de réflecteurs différents. Ceci est réalisé grâce à la combinaison du calcul des expressions S et D et de la double polarisation. Au cours du développement précédent il a été fait l'hypothèse importante qu'entre les instants k-I et k+l les angles d'élévation -e (en l'occurrence {G puisque l'on considère dans cet exemple le cas o les voies azimut reçoivent la polarisation droite tandis que les voies élévation reçoivent la polarisation gauche) sont invariants, ce qui permet leur mise en facteur commun dans l'expression "a". Cette 2595 1 44 hypothèse est raisonnable dans le cas d'un radar fixe ou d'un radar embarqué si l'unité de temps est suffisamment petite pour que l'avancement de la plate-forme ne change pas la géométrie du système. L'invention est par ailleurs utilisée dans un système radar à balayage en azimut, la vitesse de rotation de Pl'antenne (en azimut) étant fixée à une valeur telle que les lobes A - et A + à l'instant k coincident respectivement avec le lobe Z à l'instant k - 1 et avec le lobe Z à l'instant k + 1, comme représenté sur la figure 3. Dans ces conditions le produit [ Sa(k+l) (eDi) - Sa(k-l) (eDi)] da(k) (eDi) est positif pour tout réflecteur élémentaire "i". En effet, si on considère par exemple un réflecteur élémentaire qui se trouve à l'instant k sur le lobe A +, on a alors da(k) qui est positif, sa(k+l) qui est également positif et sa(kl) qui est très faible. Le produit est donc positif; il en serait de même pour un réflecteur élémentaire qui serait à l'instant k sur le lobe A-. La vitesse de rotation de l'antenne en azimut n'est pas critique et pourrait être choisie différemment. Le choix proposé semble cependant optimal en ce qu'il donne les plus grandes valeurs de la différence (Sa(k+l) - Sa(k-l)). Le facteur "a" s'écrit donc comme la somme d'un grand nombre de réels positifs. Au contraire, les facteurs bn sont affectés d'un terme de phase 1n qui peut être considéré comme aléatoire. L'examen de plusieurs mesures successives de [S(k+l) - S(k-l)] D(k) permet par moyennage d'estimer la cor- rection de phase 1- '3 dont la variance variera inversement au nombre de mesures effectuées, ce nombre de mesures étant fixé a priori ou adapté à la précision désirée par software. L'adaptation de la période de répétition des mesures effec- tuées par le radar (correspondant à la notion de cases distances et d'impulsions) et de la période de répétition des instants k, c'est-à- dire de la vitesse de balayage de l'antenne, peut être faite de diverses façons, par exemple en choisissant convenablement la 2595 1 44 période de répétition des impulsions, ou bien en réalisant un post- intégration sur plusieurs impulsions. On a représenté sur la figure 5 un schéma du détecteur de produit utilisé dans le traitement effectué suivant l'invention pour estimer la phase parasite entre les voies somme et différence en azimut. Les signaux la, Aa et Ze sont appliqués à l'entrée de ce détecteur de produit qui calcule les expressions: S = Ea.x D=:A.1e a e au moyen de deux mélangeurs 5 et 6 dont l'un reçoit d'une part le signal Me et d'autre part, soit le signal 'a' soit le signal ta et dont l'autre reçoit d'une part le signal Ea déphasé de 90 au moyen d'un déphaseur 7, et d'autre part soit le signal Ea, soit le signal Aa. Les signaux a',a et Me sont par ailleurs transformés en signaux à a a e moyenne fréquence au moyen d'étages de changement de fréquence 8 et 9. Il est à noter que l'on n'utilise pas S et D aux mêmes instants, puisque seul le produit [S(k+l) - S(k-1)] DC(k) importe. Il est donc possible de n'utiliser qu'un seul détecteur de produit, adressé succes- sivement, grâce à un commutateur 10 par les voies Z et c puis a a Cu a et le. Les grandeurs S et D sont des grandeurs complexes qui peuvent s'écrire sous la forme: I + j Q o I et Q désignent respectivement leur partie réelle et leur partie imaginaire; les grandeurs I et Q sont obtenues sur deux sorties du détecteur de produit. Les autres étapes du procédé peuvent être réalisées grâce à un logiciel adapté. Dans ce qui précède, l'invention a été décrite pour l'estimation de la phase parasite entre les voies somme et différence en azimut. Le principe de l'invention est néanmoins applicable à l'estimation de la phase parasite entre les voies somme et différence en élévation. 2 5 9 5 1 4 4 Dans ce cas on calculerait les expressions: S = e.Za e a D=Ae i: D =e.:a La contrainte sur le balayage deviendrait alors une contrainte sur le balayage en élévation, et l'hypothèse qu'entre les instants k-l, k et k+l les angles d'azimut sont invariants devrait également être faite. Comme on va le voir maintenant, le principe de l'invention est également applicable à l'estimation de la phase parasite différen- tielle Y - Ye, o Y et Y désignent respectivement la phase a e a e parasite en azimut et en élévation. L'estimation de cette phase parasite différentielle peut présenter un intérêt pour les raisons suivantes. Dans le cas notamment d'un radar porté par un missile dont la vitesse supersonique décroît en cours de vol jusqu'à des valeurs subsoniques, les écarts importants de température entre le début et la fin de la mission entraînent une variation des phases parasites en azimut et en élévation. Or, les contraintes de balayage d'antenne exposées précé- demment font que l'estimation d'un facteur correctif de phase n'est pas réalisable durant toute la période d'utilisation et de traitement du radar. Partant de la constatation que les quatre récepteurs (deux en azimut, et deux en élévation) sont physiquement proches les uns des autres et thermiquement solidaires, donc que les variations de Ta et Ye seront similaires, il suffit alors d'évaluer Y et Y lors d'une e a e phase dite de calibration (préalable à tout fonctionnement en mode recherche ou poursuite) et de calculer la différence Ya Ye qui a e restera constante pendant toute la durée du vol. En phase poursuite il est toujours possible comme rappelé dans lintroduction de cal- culer Ye par un mode d'évaluation qui n'offre aucune contrainte de e position d'antenne ou de fréquence. Il est alors possible d'en déduire Y.Ca' Cependant une évaluation successive de Ya et e au cours de la phase de calibration risque d'induire une erreur sur %a - Se dans la mesure o la température peut avoir changé entre les deux éva- luations. De plus, la phase de calibration a une durée importante par rapport à la durée totale de la mission d'un missile courte portée. Le procédé d'estimation de phase parasite suivant l'invention permet de calculer directement la phase différentielle Ya - Ye sans passer par les calculs successifs de Ia et 'e' ce qui permet de s'affranchir du risque d'erreur précédemment cité. On décrit maintenant ce procédé, appliqué à l'estimation de la phase différentielle aY - ye. Comme précédemment, les signaux a e reçus par les quatre voies d'écartométrie s'écrivent: 2dDi Sa = eT 1 ú sa(ODi) aDi eJ(Di - 2 f -c + pt) ae 3 da(Di)aDi e D àe Z 3 4de(Gj)aGj eJ(G- 27r f cG t) A e3 2dDGi a E da(OGja-i e W c + c t) I là ee 4E d e(G Ja G e(Gj f'+ o les indices D et G désignent les voies de réception des polari- sations droite et gauche (en supposant toujours que les voies azimut reçoivent la polarisation droite, et les voies élévation la polarisaton gauche) et les indices a et e les dimensions angulaires, azimut et élévation. ai est l'amplitude du ième réflecteur individuel; gS est le déphasage introduit par le iême réflecteur; diest la distance radar-iéme réflecteur; Ut est la composante de phase non cohérente qui change d'impulsion à impulsion; y1, Y2' Y sont les phases parasites introduites sur les quatre voies de réception. 2595 1 44 Suivant la même méthode que précédemment, un détecteur de produit calcule: S = ar.e D=A D = Aa e Alors S(k+l) - S(k-1)] D (k) = e' J(2 ' 1 + Y3 4)[a + bn e jn] n o les phases g n peuvent être considérées comme des phases aléatoires et o a = y [Sa(k + 1) ( Di)- Sa(k - 1) (eDi)]da(k) (ODi) Se(G)de(OG)a2Di a2Gj ij i e j e GjDi Gj Or la vitesse de rotation en azimut du radar a été choisie de telle façon que le produit: [ Sa(k + 1) ("Di) - Sa(k - l)(eDi)] da(k) (GDi) soit positif pour tous les réflecteurs élémentaires. Depue(Gj)Da es Gjitf a De plus s (QG) est positif, a2Di a2Gj est positif, et d (OGj) est négatif pour les cases distances les plus proches, et est positif pour les cases distances les plus éloignées. L'ambiguTté de signe peut donc être levée et corrigée de telle façon que le facteur "a" soit la somme d'un grand nombre de réels positifs. L'examen de plusieurs mesures successives de [ S(k + 1) - S(k - 1) D3 (k) permet par moyennage d'estimer la correction de phase Y - ' 2 - Y3 + Y4 c'est-à-dire ?a - e' La moyenne est calculée sur plusieurs cases distances et plusieurs impulsions de façon à obtenir la précision désirée. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement des signaux somme ú et différence A, en azimut: Za, Aa, et en élévation: Ze, he, d'un radar du type monopulse, en vue d'estimer la phase parasite Y introduite entre ces signaux par les circuits hyperfréquence (3, 4) de formation des voies somme et différence, caractérisé en ce qu'il consiste à: - calculer pour chaque mesure effectuée par le radar les expressions S et D, avec D = Ae. Ea ou S E. E3 e a D e *a ou S= l. E I a À te (o le symbole 3 désigne la quantité complexe conjuguée), suivant que l'on désire estimer la phase parasite a en azimut dans le premier cas, ou la phase parasite 'e en élévation dans le deuxième cas ou la phase parasite différentielle 6 'Y = 'Ya- e dans le troisième cas, étant entendu que l'onde radar émise est polarisée circulairement et que les récepteurs monopulse azimut (la, 2a) et élévation (le, 2e) ne reçoivent respectivement que l'un des types de polarisation circulaire: droite ou gauche, - calculer l'expression [S(k+l) - S(k-l)] Dn(k) étant entendu que l'antenne radar balaye au cours du temps en azimut dans le premier et dans le troisième cas, en élévation dans le deuxième et que k-l, k, k+l désignent trois instants successifs tels que la différence s(k+l (G) - s(kl) (9) soit de même signe que d(k) (0), o S(k+l) (0) et S(k_) (0) désignent respectivement le gain de la voie somme à l'angle 4, en azimut dans le premier et dans le troisième cas, en élévation dans le deuxième cas, respectivement aux instants k+l et k-l, et o d(k) (9) désigne le gain de la voie différence à Pl'angle O et à l'instant k, en azimut dans le premier et dans le troisième cas, en élévation dans le deuxième cas; - calculer la valeur moyenne du résultat de l'expression précédente pour plusieurs instants successifs correspondant à plusieurs mesures effectuées successivement par le radar, ce qui permet d'obtenir une expression de la forme ej Y. a, o y est la phase parasite recherchée et "a" un nombre réel de valeur absolue et signe déterminés. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase parasite différentielle 67 est estimée dans une phase de calibration préalable à la phase d'utilisation du radar, et mettant en oeuvre un balayage d'antenne, la phase parasite ?a en azimut étant ensuite déduite, au cours de la phase d'utilisation du radar, de la phase parasite différentielle 6 y ainsi estimée au cours de la phase de calibration, et de la phase parasite en élévation Ye estimée au cours de la phase d'utilisation du radar, sans qu'il soit nécessaire de mettre en oeuvre un balayage d'antenne, par moyennage de l'expression 'a. A X sur plusieurs mesures successives effectuées aa par le radar. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, seul le produit [ S(k+l) - S(k-l)] DC(k) important, les expressions S et D sont calculées au moyen d'un dispositif unique utilisé successivement pour le calcul de S et D.