Brevet FR2669117A1 — publié le 19920515

Procédé pour la résolution d'une ambiguïté lors de la détermination de l'angle de visée de l'antenne et de la fréquence Doppler dans un radar à synthèse d'ouverture. L'invention concerne un procédé pour la détermination de l'angle de visée d'antenne et de la fréquence Doppler d'un radar à synthèse d'ouverture. Le radar à synthèse d'ouverture (SAR) est un procédé de formation d'image actif à micro-ondes Un dispositif radar émetteur- récepteur transporté habituellement par avion ou satellite représente de façon cohérente les échos de signaux haute fréquence envoyés à la fréquence de répétition des impulsions (PRF) L'axe médian de l'antenne est alors habituellement orienté approximativement perpendiculaire à la trajectoire. Les échos radar sont démodulés de façon cohérente, numérisés et mis en mémoire sous forme d'une matrice de valeurs complexes u(i,k) dont la dimension i désigne l'éloignement ou la "distance" et k la direction du vol ou "azimut" Ces données dites "brutes" peuvent être transformées à l'aide d'un corrélation bidimensionnelle en une image à haute résolution de la surface éclairée, ce que l'on désigne également par "focalisation" ou "compression". On utilise dans ce cas dans la direction de l'éloignement ou de la distance le principe radar, c'est-à-dire la détermination de la durée de parcours de l'écho Dans la direction azimutale, on effectue une corrélation avec une fonction qui comprend l'histoire des phases d'un rétrodiffuseur ponctuel Ceci constitue une fonction dite de compression des impulsions, c'est-à-dire une fonction à fréquence instantanée qui monte linéairement, avec le diagramme d'antenne azimutal émission-réception en tant qu'enveloppante Cette fonction de compression des impulsions peut être suffisamment décrite par les paramètres "taux de modulation de fréquence ("FM rate") et "centroïde Doppler" Le centroïde Doppler f DC est la fréquence instantanée au maximum de l'enveloppante Dans un SAR d'avion et quand l'axe médian de l'antenne est orientée exactement perpendiculairement à la trajectoire du vol, le centroïde Doppler f DC est égal à zéro Mais si la direction du rayonnement est différente d'un angle dit bigle @ par rapport à cette direction, on a f DC = 2 V/ Z sin capteurs relativement instables telles que des navettes spatiales. Dans de tels cas, il faut que le paramètre f DC soit déterminé lui- même à partir des échos radar. Pour déterminer l'angle de visée de l'antenne, on utilise l'effet selon lequel le diagramme d'antenne se reflète dans le spectre de puissance azimutal De ce fait, tous les dispositifs d'estimation f Dc reposent sur l'analyse spectrale azimutale des données radar. Mais comme le signal SAR est exploré dans l'azimut à la fréquence de répétition des impulsions (PRF) en raison du procédé de formation d'image spécial, on constate une répétition périodique du spectre azimutal Avec ce procédé, il en résulte fondamentalement une ambiguïté concernant la position absolue du centroïde Doppler f DC 5 qui peut être exprimée de la façon suivante: f DC = f DC + P PFR ( 2) o f DC représente un centroïde Doppler estimé dans la bande de base l-PRF/2 + PRF/2 l, et p une ambiguïté en tant que nombre entier de la bande PRF Pour des raisons techniques, on choisit le plus souvent la fréquence de répétition des impulsions (PRF) de façon suffisamment basse pour que le paramètre f DC puisse être situé en fait dans diverses bandes PRF. On connaît deux procédés pour effectuer la résolution des ambiguïtés de fréquence Doppler Dans la technique dite de recherche de corrélations telle qu'elle est écrite par F R Li et W T K Johnson dans l'article "Ambiguities in Spaceborn Synthetic Aperture Radar Systems", IEEE Trans on Aerospace and Electronic Systems, vol AES- 19 ( 3), pages 389 397, 1983, on émet diverses fréquences de répétition d'impulsions les unes à la suite des autres au début et à la fin de la réception des données Ceci conduit, en fonction de la position absolue du centroïde Doppler f DC' à diverses valeurs f DC au moyen desquelles on peut déterminer la bande PRF correcte Un inconvénient de ce procédé consiste entre autres dans le fait qu'il doit être déjà prévu lors de la réception des données et que les fréquences de répétition des impulsions doivent être réalisées dans une large plage En outre, l'ambiguïté PRF ne peut être résolue avec ce procédé que dans la plage des données brutes, dans laquelle une séquence PRF multiple a été incorporée. Un second procédé qui ne repose exclusivement que sur une analyse des données brutes est constitué par la technique dite d'examen de corrélations tel qu'il a été décrit par exemple par A P. Luscombe dans l'article "Auxiliary Data Networks for Satellite Synthetic Aperture Radar" dans la revue Marconi, vol XLV, No 225, 1982 ou encore par F G Cumming, P F Kavanagh et M R Ito dans un article "Resolving The Doppler Ambiguity For Spaceborne Synthetic Aperture Radar", dans les Comptes-rendus de IGARSS '86, pages 1639 - 1643, Zurich, ref ESA SP-254, 1986 La précision de ce procédé diminue selon le carré de la fréquence radar et ne convient que dans une faible mesure à un radar SAR haute fréquence La durée de calcul est considérable car une focalisation totale des données est nécessaire; en outre, ce procédé ne fonctionne pas quand il s'agit de scènes o le contraste entre les images est faible. L'invention a donc pour but de proposer un procédé de résolution d'une ambiguïté par la détermination de l'angle de visée de l'antenne et de la fréquence Doppler dans un radar à synthèse d'ouverture, dans lequel sont évités les inconvénients qui apparaissent dans les procédés utilisés jusqu'ici Selon l'invention, ce but est atteint au moyen d'un procédé qui se caractérise par le fait que grâce à l'estimation de la dépendance de la fréquence Doppler par rapport à la fréquence d'émission, on mesure une subdivision du spectre de puissance bidimensionnel de Fourier ou la fonction d'autocorrélation bidimensionnelle de données radar, et les données radar sont soumises à une transformation de Fourier de la distance dans une unité FFT - distance et une détermination du centroïde Doppler dans l'azimut est réalisée dans les fréquences de distance individuelles dans un estimateur de centroïde Doppler monté à la suite. Pour l'évaluation du centroïde Doppler dans un accumulateur pour réaliser le spectre en croix, les spectres de distance voisins ou situés à l'intérieur de la durée de la corrélation sont multiplexés de façon complexe en étant conjugués les uns aux autres, les produits sont accumulés et leur phase est ensuite évaluée. Le résultat de l'accumulation qui est obtenu au moyen de l'accumulateur est retransformé dans la plage de temps et la position du maximum de cette fonction de temps est déterminé par interpolation. Le spectre de puissance bidimensionnel de Fourier des données SAR est calculé de façon explicite et on effectue ensuite sa subdivision. Finalement, la fonction d'autocorrélation bidimensionnelle est calculée de façon explicite et sa subdivision est ensuite effectuée. Quand on utilise le procédé de l'invention, on élimine les ambiguïtés de fréquence Doppler sans que soient imposées des exigences à la réception des données, ou un contraste élevé des images Le procédé de l'invention peut donc être utilisé dans chaque position de la matrice de données brutes Dans le procédé de l'invention, la précision est en outre proportionnelle à la première puissance de la longueur d'onde Par ailleurs, aucune compression azimutale n'est nécessaire; le procédé de l'invention peut être également réalisé facilement et utilisé en dehors d'un radar à synthèse d'ouverture (SAR) d'une façon analogue dans un procédé sonar, à ultrasons, lidar ou analogue. L'invention va maintenant être expliquée en détail au moyen d'un mode de réalisation préféré et en référence aux dessins annexés Sur les dessins: la figure 1 est un graphique montrant la relation entre des évaluations du centroïde Doppler daans la bande de base (f DC) et le centroïde Doppler effectif (f D Co); la figure 2 est un schéma par blocs d'un mode de réalisation de la mise en oeuvre de la présente invention; et la figure 3 est un graphique obtenu au moyen du procédé de l'invention. Comme déjà indiqué dans le préambule, il n'est pas possible en principe de résoudre une ambiguïté de fréquence Doppler quand l'analyse des signaux n'est effectuée qu'en direction azimutale Il convient plutôt d'utiliser la nature bidimensionnelle des signaux SAR. Selon l'invention, on utilise les phénomènes suivants Par transformation de l'équation ( 1), on voit comment la valeur du centroïde Doppler f DC dépend de la fréquence du radar: f DC = 2 * v/c f sin 1 ( 3) o c représente la vitesse de la lumière et f la fréquence émise par le radar. Dans le procédé de l'invention, on utilise le fait que lorsqu'il s'agit d'un SAR, on n'émet qu'une fréquence f; l'impulsion haute fréquence émise (le plus souvent une impulsion comprimée) contient plutôt des fréquences dans la bande indiquée ci-dessous: f O B/2 tant que centroïde Doppler pour la fréquence fo. Bien que la valeur évaluée f DC du centroïde Doppler selon l'équation ( 2) soit limitée à la bande de base, sa dépendance vis-à- vis de la fréquence de distance fr n'est pas soumise à l'ambiguïté de fréquence Doppler; on a en fait: N df Dc/dfr = df D Cdfr = A ( 7) o on suppose préalablement que l'angle bigle 4 ne se modifie pas avec la fréquence de distance fr' Selon l'invention, on utilise donc des valeurs d'évaluation de bande de base f DC pour diverses fréquences de distance fr pour déterminer la pente A Le centroïde Doppler f DCO est alors déterminé pour la fréquence fo par: f DC O = A fo ( 8) A la figure 1 sur laquelle sont portées en abscisse la fréquence f ou fr et en ordonnée la valeur f DC du centroïde Doppler ou les valeurs d'estimation f DC du centroïde Doppler, les équations ( 7) et ( 8) deviennent claires Les valeurs d'estimation individuelles f DC doivent être très précises car la pente A à déterminer est extrêmement faible cette exigence de précision rend donc nécessaire une compression de la distance et une segmentation de la distance des données SAR avant la transformation de Fourier proprement dite de la distance Par ailleurs, des modifications éventuelles du centroïde Doppler par rapport à l'éloignement (distance) provoqueraient une "maculation" des valeurs f DC et les rendraient donc imprécises. En principe, les estimations individuelles f DC peuvent être obtenues par un procédé tel que celui qui est décrit par F K Li, D N. Held, J Curtlander et par C WU dans "Doppler Parameter Estimation for Synthetic Aperture Radars", dans les Comptes-rendus IEEE "On Geoscience and Remote Sensing", vol GE-23 ( 1), pages 47 à 56, 1985. Comme le spectre de puissance azimutale est analysé dans ce procédé, on peut voir qu'avec le procédé de l'invention on mesure une subdivision du spectre de puissance bidimensionnel et de ce fait la fonction d'autocorrélation bidimensionnelle des données SAR. Le procédé de l'invention peut être réalisé facilement quand on utilise pour estimer les valeurs f DC individuelles ce que l'on appelle un "Correlation Doppler Centroid Estimator-" décrit par exemple par S N Madsen dans "Estimating The Doppler Centroid of SAR Data" dans les Comptes-rendus IEEE, vol AES-25 ( 2), pages 134 à 140, 1989 Grâce à ce "Correlation Doppler Centroid Estimator", on peut déterminer la valeur f DC de la façon suivante: f DC = Tf/27 r PFR ( 9) o f représente la phase de la fonction d'autocorrélation dans l'azimut pour une différence de temps de 1/PFR et de ce fait la phase des coefficients de corrélation croisés entre valeurs d'exploration azimutales voisines. Comme on peut le voir par le schéma par blocs représenté à la figure 2 en vue de la mise en oeuvre du procédé de l'invention, il faut passer par les étapes suivantes Les données de distance SAR comprimées u(i, k) sont segmentées en direction de la distance en courts éléments dans une unité de segmentation 1 On choisit l'importance des segments individuels de manière que le centroïde Doppler ne varie par exemple pas de plus de 0,1 PRF à l'intérieur d'un segment L'importance des segments typiques est située dans la gamme de 32 à 512 valeurs d'exploration de distance. Chaque segment obtenu par l'unité de segmentation 1 est transformé en direction de la distance dans une unité de transformation de Fournier rapide de distance (distance FFT) 2 de manière à obtenir à sa sortie: U(n,k) = FF Ti {u(i,k)} ( 10) o N représente l'indice de fréquence de distance Le spectre dit "en croix" C(n) = 7 U(n k) U*(n,k-1) ( 11) X est calculé dans un accumulateur 3 destiné à produire le spectre en croix sous forme d'une accumulation des produits de spectres de distance voisins. Dans une unité 4 destinée à la formation de phases et à un suivi continu, une phase P du spectre en croix C(n) est calculée par: T (n) = argf C(n)} ( 12) Pour le cas o le parcours de la phase 7 ' (n) croise une limite de bande PRF, c'est-à-dire quitte l'intervalle l An, + irl, la phase y (n) se poursuit continuellement jusqu'à la limite, ce qui est appelé dans la littérature spécialisée un dépaquetage ("unwrapping"). Dans une unité 5 montée à la suite et destinée à la formation d'une régression linéaire, on forme la constante de proportionnalité A recherchée par une telle régression linéaire à partir de la phase O (n) de l'équation ( 7), à savoir: A = df DC/dfr = PRF/27 r d y /dfr ( 13) et on obtient une valeur d'estimation du centroide Doppler de la bande de base f D Co pour la fréquence f = f O Pour le centroïde Doppler absolu estimé f DC,O O on a f DC,o = A fo Au cours de l'analyse de régression on ne tient compte dans ce cas que des valeurs de phases situées à l'intérieur de la largeur de bande de distance utilisée. Pour améliorer la précision de l'estimation du centroïde Doppler f D Co on détermine de préférence dans une unité de soustraction 6 montée à la suite les différences f DCO f DCO déterminées dans les divers segments de distance On soustrait de la valeur d'estimation déterminée pour le centroïde Doppler f DCO une valeur de décalage f DC, offset à déterminer une seule fois Cette valeur de décalage f DC, offset peut être réalisée du fait que la supposition faite à l'équation ( 7) d /df O_ n'est pas toujours remplie de façon suffisamment précise avec des antennes SAR réelles. A la place d'une analyse de la phase Y (n), le spectre en croix C(n) peut être transformé par une transformation de Fourier inverse dans la plage de temps Partant de la position r O du maximum de cette fonction de temps, on peut déterminer la valeur f DC o du centroïde Doppler de la manière suivante: f DC,o = fo PRF r ( 14) pour déterminer r O et on a cependant besoin ici d'avoir recours à une interpolation de la fonction de temps susmentionnée. Le procédé de l'invention peut être réalisé aussi bien par du matériel que par des logiciels Mais le procédé est particulièrement approprié à des processeurs SAR en matériel à temps réel car il ne permet aucun traitement multiple et coûteux de données Le procédé de l'invention n'intervient pas non plus dans la focalisation proprement dite des données Il peut être ajouté à un processeur SAR présent et simplement "être entraîné" pendant le fonctionnement On augmente la précision du procédé de l'invention par le nombre de valeurs d'exploration utilisées Une valeur d'estimation grossière de début du centroïde Doppler devient de plus en plus précise à mesure que le traitement se poursuit. Selon le schéma par blocs de la figure 2, on a réalisé un prototype de contrôle et d'essai du procédé de l'invention On a utilisé dans ce cas en tant que données brutes des données SAR-seasat avec un contenu d'image différent A la figure 3 dans laquelle sont portés en abscisse l'indice de fréquence de distance N et en ordonnée la phase Y (n) en radians, on a représenté l'une des formes des phases obtenues Y (n) La longueur FFT est dans cet exemple de 256. En outre, on a donné dans un Tableau la liste des résultats de sept mesures On a chaque fois traité dans ce cas une matrice de données de dimensions 1024 (distance) x 4096 (azimut) Comme dans le Seasat la fréquence de répétition des impulsions PRF est égale à 1647 Hz, les précisions indiquées dans le Tableau suffisent toujours pour obtenir la bande PRF correcte avec une précision de 2 a, c'est-à- dire une précision de 95 %, la déviation standard de la valeur d'estimation f DC O o étant indiquée par un î Les résultats obtenus peuvent être extrapolés sur d'autres systèmes SAR La précision est alors proportionnelle à la longueur d'onde du radar, et le nombre de données nécessaires augmente selon la loi d'origine de la statistique selon le carré de la fréquence radar Tableau Scène des données Contenu des images Centroïde Doppler Déviation brutes Mer du Nord Surface de la mer 973 Hz 81 Hz avec des navires Atlantique Surface de la mer 728 Hz 100 Hz avec des vagues Mer Méditerranée Surface homogène 1339 Hz 108 Hz de la mer Féroé Iles montagneuses 852 Hz 279 Hz Polders Flevolanc Champs, lacs, serres 825 Hz 308 Hz très réfléchissantes Groenland Montagnes, glaciers, -450 Hz 416 Hz côtes Isère Montagnes -1115 Hz 460 Hz il REVENDICATIONS 1 Procédé pour la résolution d'une ambiguïté lors de la détermination de l'angle de visée de l'antenne et de la fréquence Doppler dans un radar à synthèse d'ouverture (SAR), caractérisé en ce que l'évaluation grâce à l'estimation de la dépendance de la fréquence Doppler par rapport à la fréquence d'émission, on mesure une subdivision du spectre de puissance bidimensionnel de Fourier ou la fonction d'autocorrélation bidimensionnelle de données radar, et en ce que les données radar sont soumises à une transformation de Fourier de la distance dans une unité FFT distance ( 2) et une détermination du centroïde Doppler dans l'azimut est réalisée dans les fréquences de distance individuelles dans un estimateur de centroïde Doppler monté à la suite. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour l'évaluation du centroïde Doppler dans un accumulateur ( 3) pour réaliser un spectre en croix, les spectres de distance voisins ou situés à l'intérieur de la durée de la corrélation sont multiplexés de façon complexe en étant conjugués les uns aux autres, les produits sont accumulés et leur phase est ensuite évaluée. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le résultat de l'accumulation qui est obtenu au moyen de l'accumulateur ( 3) est retransformé dans la plage de temps et la position (-T-0) du maximum de cette fonction de temps est déterminé par interpolation. 4 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le spectre de puissance bidimensionnel de Fourier des données SAR est calculé de façon explicite et on effectue ensuite sa subdivision. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fonction d'autocorrélation bidimensionnelle est calculée de façon explicite et sa subdivision est ensuite effectuée.