Brevet FR2682773A1 — publié le 19930423

i PROCEDE ET DISPOSITIF D'EXTRACTION D'ERREURS DE PHASE OCCASIONNEES PAR L'ATMOSPHERE DANS LE SIGNAL DE RETRODIFFUSION D'UN SYSTEME D'IMAGERIE RADAR COHERENT La présente invention concerne un procédé pour extraire de données radar brutes des erreurs de phase qui sont occasionnées par l'atmosphère, dans le signal de rétrodiffusion d'un système d'imagerie radar cohérent qui est transporté par un véhicule, et elle concerne également un dispositif prévu pour mettre en oeuvre ce procédé. En employant des systèmes d'imagerie radar cohérents, qui peuvent être transportés par un aéronef ou un véhicule spatial, dans le but de déterminer la phase de signal instantanée, il est possible de déterminer de manière exacte la trajectoire de vol, par exemple à l'aide de capteurs de mouvement Cependant, du fait que l'atmos- phère n'est pas homogène aussi bien dans la région infé- rieure, ou troposphère, que dans la région supérieure, ou ionosphère, le signal radar qui est reçu présente des fluctuations de phase supplémentaires Par conséquent, des systèmes d'imagerie radar qui sont transportés par un aéronef ou un véhicule spatial, et en particulier ceux comportant une antenne synthétique, ont une résolution restreinte dans la direction de vol, même lorsqu'ils se déplacent sur des trajectoires de vol non perturbées ou connues de manière exacte, ceci étant dû aux erreurs ou fluctuations de phase qui sont produites par l'atmosphère. Dans des systèmes d'imagerie radar fonctionnant de manière cohérente, ces erreurs de phase conduisent à des distorsions et des erreurs; ceci dégrade considérable- ment la qualité d'images de radar; dans certaines circons- tances, il devient même complètement impossible de former des images La résolution dans la direction du déplacement dépend donc de la largeur de bande du système et elle n'est pas influencée par l'atmosphère A titre d'exemple, la résolution que l'on peut obtenir à l'heure actuelle à partir d'un véhicule spatial, sans correction d'erreur de phase, est d'environ 10 m dans la direction du vol. Des caractéristiques concernant la qualité d'une image obtenue découlent de la résolution, du contraste de l'image et de la distorsion géométrique Cependant, toutes ces caractéristiques sont dégradées par des erreurs de phase. Pour obtenir une résolution élevée, un contraste élevé et une faible distorsion géométrique de l'image qui est formée, les données brutes qui sont reçues doivent donc être corrigées avant le traitement ou la génération d'une image Cette correction peut être effectuée en temps réel ou en temps différé Une correction en temps réel pendant la réception du signal de rétrodiffusion est accomplie par des éléments de commande de type numérique ou analogique, tandis qu'une correction en temps différé est accomplie au sol, après l'enregistrement des données brutes, à l'aide de programmes d'ordinateur. L'invention vise à procurer un procédé pour extraire de données radar brutes des erreurs de phase qui sont occasionnées par l'atmosphère dans le signal de rétrodiffusion d'un système radar cohérent qui est trans- porté par un véhicule, ainsi qu'un dispositif pour mettre en oeuvre ce procédé, dans lesquels les erreurs de phase qui sont occasionnées par l'atmosphère, en particulier la troposphère, l'ionosphère, etc, peuvent être déterminées de façon très exacte, les données brutes sont corrigées au moyen des erreurs de phase qui sont extraites, et on obtient ensuite des images qui contiennent aussi peu d'erreurs que possible et qui ont une qualité élevée. L'invention propose donc le perfectionnement exposé ci-après, dans un procédé pour extraire de données radar brutes des erreurs de phase qui sont occasionnées par l'atmosphère dans le signal de rétrodiffusion d'un système d'imagerie radar cohérent qui est transporté par un véhicule, dans lequel, pour former des images de zones ayant des rapports de rétrodiffusion différents, sur une durée prédéterminée, on forme continuellement des spectres en azimut successifs, et on obtient un décalage de fré- quence (t F(t)) de la composante de rapport de rétrodif- fusion en déterminant la position du maximum de la corré- lation entre deux spectres en azimut respectifs qui sont formés en succession immédiate Le perfectionnement que procure l'invention consiste en ce qu'on accomplit une double intégration de la différence entre le décalage de fréquence ( A F(t)) et une valeur désirée ( F soll) du décalage de fréquence, la valeur désirée du décalage de fréquence (A Fsoll) étant déterminée soit à partir de la vitesse du véhicule vers l'avant (Vv), soit à partir d'un filtrage passe-bas du décalage de fréquence (,ô F(t)), après quoi, dans un but de normalisation, le résultat de la double intégration est multiplié par une constante ( 2 ir/A t) pour obtenir l'erreur de phase t Pe(t)) L'invention propose également le perfectionne- ment exposé ci-après, dans un dispositif destiné à mettre en oeuvre le procédé précité, et comprenant des moyens destinés à détecter un spectre en azimut pour former con- tinuellement des spectres en azimut successifs, des moyens destinés à calculer la corrélation entre deux spectres en azimut respectifs formés en succession directe, et des moyens destinés à calculer le maximum de la corrélation et à déterminer le décalage de fréquence ( tionnement conforme à l'invention comprend des moyens qui sont destinés à calculer une différence entre le décalage de fréquence ( 4 F(t)) et une valeur désirée ( F soll) du décalage de fréquence, le décalage de fréquence désiré ( à Fsoll) pouvant être déterminé à partir de la vitesse du véhicule vers l'avant (V v), ou par un filtrage du décalage de fréquence (A F(t)) au moyen d'un filtre passe-bas, deux unités d'intégration connectées en série et placées à la suite des moyens de calcul de différence, et une unité de normalisation qui fait suite à la seconde unité d'intégra- tion et à la sortie de laquelle on obtient l'erreur de phase ("Pe(t)) qui est occasionnée par l'atmosphère. De façon générale, conformément à l'invention, on évalue le spectre en azimut des données radar brutes. Pour évaluer le spectre en azimut, on peut employer deux procédés, à savoir le procédé qui est connu d'après le document DE 39 22 428 C 2, pour déterminer un décalage de fréquence de ce que l'on appelle une composante de rapport de rétrodiffusion du spectre en azimut, et le procédé conforme à l'invention pour déterminer l'erreur de phase à partir du décalage de fréquence déterminé Conformément à l'invention, on effectue dans ce but une double intégra- tion de la différence entre le décalage de fréquence et une valeur désirée du décalage de fréquence. On obtient la valeur désirée du décalage de fréquence soit à partir de la vitesse du véhicule vers l'avant, soit par un filtrage passe-bas du décalage de fréquence qui est calculé Ensuite, pour la normalisation, on multiplie par une constante le résultat qui est obtenu par la double intégration, ce qui donne l'erreur de phase occasionnée par l'atmosphère, en particulier la tropo- sphère et l'ionosphère. Les deux procédés pour la détermination du déca- lage de fréquence de la composante de rapport de rétro- diffusion du spectre en azimut, et pour la détermination de l'erreur de phase à partir du décalage de fréquence déterminé, peuvent être mis en oeuvre en temps réel, par exemple à l'aide d'un processeur matriciel ou d'un ordina- teur parallèle, ou bien ils peuvent être mis en oeuvre en temps différé par un système informatique classique. Une correction, que l'on appellera ci-après une correction d'erreur de phase, peut ensuite être effectuée dans l'opération de traitement ou de génération d'une image La génération de l'image consiste ici en une corré- lation entre les données brutes et l'historique de phase théorique qui est attendu Après la corrélation, on obtient une image bidimensionnelle à résolution élevée, et à l'aide de la correction d'erreur de phase conforme à l'invention, il est possible d'obtenir une résolution dans la direction du vol descendant jusqu'à environ 1 m, et éventuellement encore moins, tandis que, comme on l'a déjà expliqué ci- dessus, la résolution qu'il était possible d'obtenir jusqu'à présent à partir d'un véhicule spatial sans une telle correction d'erreur de phase était d'envi- ron 10 m. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mieux compris à la lecture de la descrip- tion détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif La suite de la description se réfère aux dessins annexés dans les- quels: La figure 1 représente schématiquement une illustration générale des signaux échangés entre un véhi- cule transportant un radar et le sol; La figure 2 est un schéma synoptique d'un dispo- sitif destiné à la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention; Les figures 3 a à 3 c sont des illustrations schématiques de diagrammes qui forment ensemble le spectre en azimut; La figure 3 a représente schématiquement le spectre en azimut d'une porte de sélection de distance; La figure 3 b représente le profil schématique de la composante de diagramme d'antenne du spectre qui est représenté sur la figure 3 a; La figure 3 c représente le profil schématique de la composante de rapport de rétrodiffusion du spectre qui est représenté sur la figure 3 a; et La figure 4 montre le profil schématique d'un spectre en azimut pour deux instants différents (t = i 1 et t = i) et la corrélation du décalage dans le temps des spectres en azimut. La figure 3 a représente schématiquement un spectre en azimut d'une porte de sélection de distance, avec la fréquence f portée le long de l'axe vertical et la puissance S portée le long de l'axe horizontal Les figu- res 3 b et 3 c illustrent par des courbes schématiques supplémentaires la composition du spectre en azimut de la figure 3 a; ici encore, la fréquence f est portée dans chaque cas sur l'axe vertical et la puissance S est portée sur l'axe horizontal. Comme il ressort des figures 3 b et 3 c, le spectre en azimut d'une porte de sélection de distance qui est représenté schématiquement sur la figure 3 a, est cons- titué essentiellement par le produit de la composante de diagramme d'antenne dans la direction d'azimut, qui est représentée sur la figure 3 b, et de la composante de rapport de rétrodiffusion qui est représentée sur la figure 3 c; pour la détermination de l'erreur de phase ( te(t)) qui est occasionnée par l'atmosphère, on n'utili- sera ci-dessous que la composante de rapport de rétrodif- fusion. Dans le procédé dit de décalage qui est décrit dans le document DE 39 22 428 C 2, on évalue le décalage entre deux spectres en azimut consécutifs dans le temps. La figure 4 représente deux de ces spectres en azimut, dans la partie supérieure pour l'instant t = i 1 et dans la partie inférieure pour l'instant t = i, en désignant par i un entier supérieur à 1 Dans les deux spectres en azimut, les puissances S sont portées dans ce cas sur les axes verticaux, en fonction de la fréquence f sur les axes horizontaux En outre, le diagramme inférieur montre un décalage j F(i) ou A F(t) de valeur maximale, en comparai- son avec le spectre en azimut dans la partie supérieure de la figure 4 La relation entre le temps t et le nombre i est donnée par: t = At i à t étant l'intervalle de temps entre les enregistrements du spectre. Les deux spectres relevés consécutivement sont donc très similaires l'un à l'autre, et on obtient un déplacement de fréquence correspondant avec un décalage de fréquence t F (en Hz) 2.V 2 (t) A t t F ldécalage de fréquence (Hz)l - v l 2.Vb(t) t + A ( 1) Les notations sont les suivantes: R désigne la distance de la porte de sélection de distance à partir d'une anten- ne montée sur le véhicule, A t désigne l'intervalle de temps des enregistrements des spectres, Vb désigne l'erreur de vitesse dans la direction de visée de l'anten- ne et A désigne la longueur d'onde du signal émis Des erreurs de mouvement du véhicule seront corrigées et/ou absentes, et par conséquent V v(t) = V ou est constante, et l'erreur de vitesse Vb ou l'erreur d'accélération Vb dans la direction de visée sont égales à zéro. Le décalage de fréquence d'un vol pour lequel il n'y a pas d'erreurs de mouvement est donc: 2.V 2 At v AF = VR ( 2) Cependant, comme on l'a déjà indiqué au début, des erreurs de phase apparaissent dans l'atmosphère du fait que cette dernière présente des propriétés physiques et chimiques qui sont irrégulières et dépendent de la position et du temps A cause de ces erreurs de propagation des ondes électromagnétiques du système de radar, le signal de rétrodiffusion présente une fluctuation de phase qui appa- raît dans le système de radar sous la forme d'une erreur de phase te(t); l'erreur de phase te(t) est donc une variable aléatoire. En utilisant l'équation ( 2), on peut représenter le décalage de fréquence AF(t) en fonction de la vitesse Vv et de l'erreur de phase Ce(t), sous la forme suivante: 2.V 2At e (t) At F(t) v R + 2 ( 3) en désignant par fe(t) la dérivée seconde de l'erreur de phase te(t). On peut déterminer l'erreur de phase e (t) qui qui est occassionnée par l'atmosphère à l'aide du décalage de fréquence A F(t), conformément à l'équation ( 3), de la façon suivante: et= 2 L f( AF(t) Fsoll)dt dt ( 4) ave c 2 2 V 2 At v Fsolî R ( 5) soll R Si la vitesse du véhicule vers l'avant, Vv, est connue, on peut calculer la valeur désirée du décalage de fréquence, Fsoll, au moyen de l'équation ( 5) Cependant, si la vitesse du véhicule vers l'avant Vv n'est pas connue, on peut déterminer la valeur désirée du décalage de fréquence A Fsoll au moyen d'un filtrage passe-bas du décalage de fréquence t F(t) Du fait que la dérivée seconde te(t) n'a pas un niveau constant, seul le premier terme de l'équation ( 3), c'est-àdire AF soll, peut être transmis par le filtrage passe-bas En employant l'équation ( 5) et le procédé qui est décrit dans le document DE 39 22 428 C 2, on peut déterminer la vitesse vers l'avant Vv sur la base de AF soll, et on peut donc l'employer pour le traitement des données brutes. La figure 2 représente en détail, sous la forme d'un schéma synoptique, un dispositif qui est destiné à la mise en oeuvre du procédé pour extraire à partir de don- nées radar brutes des erreurs de phase qui sont occasion- nées par l'atmosphère, dans le signal de rétrodiffusion d'un système d'imagerie cohérent qui est transporté par un véhicule Sur la figure 2, dans une partie 20 qui est entourée par une ligne en pointillés, on voit des moyens 201 à 2031 qui sont connus d'après le document DE 39 22 428 C 2, et qui sont destinés à déterminer le décalage de fréquence t F(i) ou t AF(t) de la composante de signal de rétrodiffusion dans un spectre en azimut, par la corréla- tion de deux spectres en azimut consécutifs On détecte ici, sur une durée spécifique e t, en utilisant le dispo- sitif 201 pour détecter des spectres en azimut, des spec- tres en azimut successifs, c'est-à-dire des spectres qui se suivent à différents instant i (i étant un entier supé- rieur à 1). Deux de ces spectres en azimut sont représentés schématiquement pour les instants t = i 1 ou t = i, à titre d'exemples, dans la partie gauche de la figure 4. Les spectres en azimut consécutifs qui ont une puissance S(f, i), enregistrée sous la dépendance de la fréquence en azimut f, sont formés dans les moyens 202 qui sont destinés à calculer des corrélations entre deux spectres en azimut respectifs relevés à des instants immédiatement consécu- tifs, c'est-à-dire: K(f, i) = S(f, i) C S(f, i 1) Dans les moyens 203 placés à la suite, qui sont destinés à calculer le maximum d'une corrélation K(f, i), à l'aide de la position du maximum, le décalage de fréquence À F(t) de la composante de rapport de rétrodiffusion est déterminé comme on peut le voir schématiquement dans la partie droite de la figure 4, et il correspond à l'équation ( 1) donnée ci-dessus. Les moyens 203 destinés à calculer le maximum d'une corrélation K(f, i) sont suivis par des moyens 21 qui sont destinés à calculer une différence entre le déca- lage de fréquence j F(t) et une valeur désirée de décalage de fréquence d Fsoll Si, comme on l'a expliqué ci-dessus, on connaît la vitesse vers l'avant Vv du véhicule, on peut calculer la valeur désirée de décalage de fréquence F soll à l'aide de l'équation ( 5), et on applique cette valeur aux moyens de calcul de différence 21 Si on ne connaît pas la vitesse vers l'avant Vv du véhicule, on fait passer par un filtre passe- bas 22 le décalage de fréquence t F(t) qui est obtenu à la sortie des moyens 203 P et la valeur désirée du décalage de fréquence A Fsoll apparaît alors à la sortie de ce filtre, du fait que, comme on l'a déjà expliqué ci-dessus, la dérivée seconde de l'erreur de phase (e(t) ne présente pas un niveau constant, et par conséquent seul le premier terme de l'équation ( 3) peut traverser le filtre passe-bas 22, sous la forme de la valeur désirée de décalage de fré- quence A Fsollî Les moyens de calcul de différence 21 sont suivis par deux unités d'intégration 231 et 232 qui sont destinées à accomplir une double intégration de la diffé- il rence obtenue (, a F(t) AF soll) Une unité de normalisa- tion 24 qui fait suite à la seconde unité d'intégration 232 effectue une multiplication par la constante 2 T/A t, de façon à obtenir à la sortie de l'unité de normalisation 24 l'erreur de phase ( on peut ensuite traiter ces données de façon correspon- dante pour obtenir une image ayant une résolution élevée. Le procédé conforme à l'invention pour détermi- ner l'erreur de phase qui est occasionnée par l'atmosphè- re, peut également être appliqué dans des systèmes de sonar et de lidar, et le dispositif destiné à mettre en oeuvre le procédé conforme à l'invention pour déterminer les erreurs de phase occasionnées par l'atmosphère, peut être incorporé dans des systèmes de sonar et de lidar. REVENDICATIONS 1 Procédé pour extraire de données de radar brutes des erreurs de phase occasionnées par l'atmosphère dans le signal de rétrodiffusion d'un système d'imagerie radar cohérent qui est transporté par un véhicule, dans lequel on forme continuellement des spectres en azimut successifs, pour des zones de formation d'image ayant des rapports de rétrodiffusion différents, sur une durée prédéterminée, et on détermine un décalage de fréquence (A F(t)) de la composante de rapport de rétrodiffusion, en déterminant la position du maximum des corrélations entre deux spectres en azimut respectifs formés en succession immédiate, caractérisé en ce que: on effectue une double intégration de la différence entre le décalage de fré- quence (A F(t)) et une valeur désirée ( F soll) du déca- lage de fréquence, la valeur désirée du décalage de fré- quence (, Fsoll) étant déterminée soit à partir de la vitesse vers l'avant (Vv) du véhicule, soit par un filtra- ge passe-bas du décalage de fréquence (à F(t)), et ensui- te, dans un but de normalisation, on multiplie le résultat de la double intégration par une constante ( 21 W/ tt) pour obtenir l'erreur de phase ("f e(t)). 2 Dispositif prévu pour mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 1, comprenant des moyens ( 201) qui sont destinés à détecter un spectre en azimut pour former continuellement des spectres en azimut succes- sifs, des moyens ( 202) qui sont destinés à calculer la corrélation entre deux spectres en azimut respectifs formés en succession directe, et des moyens ( 203) qui sont destinés à calculer le maximum de la corrélation et à déterminer le décalage de fréquence (,a F(t)); caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens ( 21) qui sont destinés à calculer une différence entre le décalage de fréquence (A F(t)) et une valeur désirée ( F soll) du décalage de fréquence, le décalage de fréquence désiré (t Fsoll) pouvant être déterminé à partir de la vitesse vers l'avant (Vv) du véhicule, ou par un filtrage du décalage de fré- quence (à F(t)) au moyen d'un filtre passe-bas; deux unités d'intégration ( 231, 232) connectées en série et faisant suite aux moyens de calcul de différence; et une unité de normalisation ( 24) qui suit la seconde unité d'intégration, et à la sortie de laquelle on obtient l'erreur de phase ( te(t)) qui est occasionnée par l'atmosphère.