Brevet FR2694662A1 — publié le 19940211

i APPAREIL DE FORMATION DE FAISCEAU A HAUTE RESOLUTION POUR DES SYSTEMES DE DETECTION DE CIBLES La présente invention concerne, d'une façon géné- rale, les systèmes radar ou sonar et elle a trait, plus particulièrement, à un système pour obtenir par une mise en forme un faisceau de réception extrêmement étroit. Dans les systèmes radar ou sonar, l'énergie élec- tromagnétique ou acoustique, selon le cas, est émise en direction d'une zone de cible L'énergie réfléchie par une cible se trouvant dans cette zone est détectée par un réseau de récepteurs constitué par une pluralité d'élé- ments récepteurs, dont les signaux de sortie correspon- dants sont traités pour fournir un signal de cible. La réponse du réseau varie avec la direction de l'énergie entrante par rapport au réseau, cette réponse étant définie par un diagramme de rayonnement de fais- ceau ayant une largeur de faisceau prédéterminée. La résolution du système est déterminée par la lar- geur du faisceau et il est généralement souhaitable de pouvoir discerner de petits objets étroitement espacés. On' obtient, de façon classique, une résolution plus fine, c'est-à-dire une diminution de la largeur du fais- ceau, en augmentant l'ouverture du réseau de récepteurs. Toutefois, du fait que l'on obtient, en général, une augmentation de l'ouverture uniquement en augmentant la taille de la plate-forme de support de l'appareil et en ajoutant des éléments récepteurs avec leurs moyens élec- troniques associés, ce n'est pas un choix efficace du point de vue économique pour des systèmes qui sont limi- tés en dimension et en puissance La présente invention fournit un système qui améliore de façon considérable la résolution sans augmenter la taille de l'ouverture et qui peut être appliqué à la fois à des systèmes radar et des systèmes sonar. L'appareil de formation de faisceau à haute résolu- tion obtenu à l'aide de l'invention comprend une plura- lité d'éléments récepteurs disposés dans un réseau des- tiné à recevoir l'énergie réfléchie par une cible se trouvant dans un champ de cible Chaque élément récep- teur peut fonctionner de manière à fournir un signal de sortie en réponse à la réception de l'énergie réfléchie. Une pluralité de canaux de traitement de signaux est prévue, chacun étant connecté de manière à recevoir le signal de sortie d'un élément récepteur correspondant parmi lesdits éléments récepteurs Le canal de traite- ment de signaux peut fonctionner, au cours de cycles d'échantillonnage répétitifs, de manière à fournir les composantes en phase (I) et en quadrature (Q) du signal de sortie des éléments Une amplitude et un angle de phase correspondants du signal échantillonné sont ensuite calculés et des moyens sont prévus pour multi- plier l'angle de phase obtenu, dans chaque canal de traitement de signaux, par un facteur de modulation de phase constant, fm, de manière que soit obtenu un angle de phase modifié Le canal de traitement de signaux peut fonctionner de manière à calculer les composantes modi- fiées I et Q en utilisant l'angle de phase modifié et des moyens sont prévus pour combiner toutes les compo- santes modifiées I et Q de tous les canaux de traitement de signaux pour que soient obtenus des signaux de cible qui peuvent être utilisés à des fins d'affichage. On va maintenant décrire les modes de réalisation préférés de la présente invention à titre d'exemple en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: les Figures 1 et 2 montrent l'arrivée de l'énergie sur un réseau ou rangée de récepteurs et suivant des angles respectivement différents; la Figure 3 montre un diagramme de rayonnement type d'un faisceau; les Figures 4 A et 4 B sont des diagrammes vectoriels destinés à favoriser la compréhension du fonctionnement de l'appareil de la présente invention; les Figures 5 à 8 sont des diagrammes vectoriels montrant le fonctionnement de l'appareil de la présente invention; la Figure 9 montre les résultats que l'on obtient avec l'appareil de la présente invention en utilisant des facteurs de modulation de valeurs différentes; les Figures 10 et 11 montrent des diagrammes de rayonnement de faisceau conjointement avec les lobes de réseau; et la Figure 12 est un schéma synoptique montrant un des modes de réalisation de l'appareil de la présente invention. La Figure 1 montre un réseau 10 d'éléments récep- teurs R 1 à R 7 séparés par une distance D et disposés en une rangée linéaire de longueur L L'axe B représente l'axe du réseau et la direction de réponse maximale Sur l'axe B dans le champ lointain est située une source ponctuelle d'énergie S qui, à des fins d'explication, rayonne une forme d'onde sinusoïdale ayant une longueur d'onde N La référence 12 représente les fronts d'onde de phase et d'amplitude constantes, séparés par une dis- tance ô,, et, lorsque l'énergie est reçue par les élé- ments R 1 à R 7, ces éléments fournissent des signaux de sortie ayant tous la même phase et la même amplitude à tout moment Si les signaux émis par les éléments R 1 à R 7 devaient être additionnés de façon cohérente, comme dans le cas d'une opération classique de formation de fais- ceau, alors le signal résultant aurait une amplitude N fois plus grande que celle de tout élément individuel étant donné que les signaux s'ajouteraient tous en phase, N étant le nombre des réponses additionnées des éléments. Sur la Figure 2, l'énergie tombe sur le réseau 10 à partir d'une source S' située sur un axe B' suivant un angle O par rapport à l'axe B du réseau Dans ces condi- tions, à tout moment, les signaux de sortie de tous les éléments ne présentent pas le même angle de phase Si les signaux émis par les éléments R 1 à R 7 étaient alors additionnés de façon cohérente au cours d'une opération de formation de faisceau, le signal résultant n'augmen- terait pas de façon importante étant donné que les signaux ne sont pas additionnés en phase (interférence destructrice) En général, plus le décalage de la cible par rapport à l'axe est grand, plus le déphasage des signaux élémentaires les uns par rapport aux autres aug- mente, ce qui fait que la sortie formée par le faisceau diminue rapidement à mesure qu'augmente e. Bien que les Figures 1 et 2 montrent une source de champ lointain, à titre d'exemple, l'invention peut aussi être appliquée à des sources de champ proche (onde sphérique) à l'aide de la technique bien connue de foca- lisation pour éliminer la courbure des fronts d'onde. La réponse du réseau en fonction de l'angle e est le diagramme de rayonnement Un exemple d' un diagramme de rayonnement est représenté sur la Figure 3 o une réponse est tracée pour un transducteur théorique com- portant vingt éléments, l'espacement entre les éléments étant égal à la moitié d'une longueur d'onde, c'est-à- dire D = 0,5 À L'angle e, exprimé en degrés, est porté sur l'axe horizontal et la réponse normalisée, exprimée en décibels, est portée sur l'axe vertical Le diagramme de rayonnement du faisceau comprend un lobe principal 14 et une pluralité de lobes secondaires 16. Chaque signal de sortie d'élément récepteur à tout moment peut être représenté par un vecteur ayant une certaine amplitude et une certaine phase A titre d'exemple, la Figure 4 A montre, dans un système de coor- données XY, un vecteur 20 ayant une amplitude A et une phase f Ce vecteur, représentant la tension de sortie d'un élément récepteur, peut être divisé en composantes mutuellement orthogonales Par exemple, comme représenté sur la Figure 4 B, le vecteur 20 a été divisé en compo- santes mutuellement orthogonales se trouvant sur les axes X et Y, respectivement La composante en phase (I) se trouvant sur l'axe X représente la partie réelle du vecteur tandis que la composante en quadrature (Q) se trouvant sur l'axe Y représente la partie imaginaire du vecteur Par conséquent, on peut déterminer, par trigo- nométrie, les composantes I et Q si on connaît la gran- deur et la phase du vecteur et, inversement, si les com- posantes I et Q sont connues, on peut obtenir la gran- deur et la phase du vecteur. Dans la présente invention, la phase de chaque signal de sortie d'élément est déterminée, au cours de cycles d'échantillonnage répétitifs, et est multipliée par un facteur de modulation prédéterminé, fm, ce qui a pour effet de réduire davantage la réponse de décalage du réseau On peut expliquer cette opération à l'aide des Figures 5 et 6 auxquelles on va maintenant se référer. A des fins d'illustration, on prendra en considéra- tion un réseau à quatre éléments récepteurs et les Figu- res 5 (a)-5 (d) montrent les sorties des éléments respec- tifs, chacune étant représentée par un vecteur tournant à un certain moment au cours de sa rotation de telle sorte que chaque vecteur se trouve à un angle O respec- tif La composante en phase du vecteur représente la composante réelle de l'amplitude instantanée de la ten- sion de sortie sinusoïdale et la composante Q représente la composante imaginaire de ce vecteur Ainsi, sur les Figures 5 (a)-5 (d), les vecteurs se trouvent à des angles de phase respectifs 01-04 Quand ces signaux de sortie d'éléments récepteurs individuels sont combinés vecto- riellement, le signal de sortie résultant du réseau est défini par le vecteur R de la Figure 5 (e). Conformément à la présente invention, les angles de phase sont multipliés par un facteur de modulation cons- tant fm donnant, en résultat, des angles de phase modi- fiés 01, à O 'i représentés sur les Figures 6 (a)-6 (d) avec, à des fins d'illustration, f = 2 La combinaison de tous les vecteurs donne un signal de sortie résultant R' dont l'amplitude est égale à presque la moitié de la grandeur du vecteur R de la Figure 5, ce qui a pour effet de réduire la réponse hors axe. Bien que la modulation réduise la réponse hors axe, elle ne diminue pas la réponse sur axe et ceci peut être démontré à l'aide des Figures 7 et 8 Comme représenté sur la Figure 1, pour une arrivée sur axe d'une onde d'énergie, tous les éléments récepteurs fournissent des signaux de sortie identiques Pour l'exemple à quatre éléments de la Figure 7, ces signaux de sortie sont représentés sur les Figures 7 (a)-(d), le résultat de la combinaison vectorielle étant représentée sur la Figure 7 (e) par le vecteur R Une modulation des angles de phase par un facteur fm = 2, comme c'était le cas pour les Figures 5 et 6, se traduit par une orientation de vecteur telle qu'illustrée sur les Figures 8 (a)- (d), dont la combinaison vectorielle fournit R' résultant représenté sur la Figure 8 (e), la grandeur R' étant identique à la grandeur R de la Figure 7 (e) avant l'opé- ration de modulation. On voit donc qu'avec l'opération de modulation de la présente invention, la réponse sur axe reste inchan- gée tandis que la réponse hors axe se trouve considéra- blement réduite. Ceci équivaut à diminuer la largeur du lobe princi- pal du faisceau, comme représenté sur la Figure 9 o des diagrammes de rayonnement de faisceau ont été tracés pour des facteurs de modulation fm de 1 (c'est-à-dire équivalant à une absence de modulation), 2, 4 et 8 En général, la largeur du faisceau est inversement propor- tionnelle à la longueur du réseau; plus le réseau est long, plus le faisceau est étroit Par conséquent, la modulation de l'angle de phase réduit les réponses des éléments récepteurs comme si ceux-ci étaient séparés par des distances équivalant à leur espacement réel multi- plié par le facteur de modulation Du fait que le nombre d'éléments reste en réalité le même, leur séparation a été augmentée de façon synthétique sans qu'une plate- forme plus grande soit exigée avec des éléments récep- teurs supplémentaires et leurs moyens électroniques associés. Chaque fois que l'espacement D entre les éléments récepteurs d'un réseau devient égal ou supérieur à A/2, des lobes supplémentaires peuvent apparaître dans le diagramme de rayonnement du faisceau avec des amplitudes égales à celle du faisceau principal Ces lobes sont appelés lobes de réseau et, pour un réseau à vingt élé- ments avec D = 0,5 X, la Figure 10 montre un ensemble de lobes de réseau 22 par rapport au faisceau principal 24 pour un facteur de modulation de phase de 2 Avec le fac- teur de modulation de phase de 4, et comme représenté sur la Figure 11, deux ensembles de lobes de réseau, 27 et 28, sont produits par rapport au faisceau principal 29. Les lobes de réseau peuvent entraîner une confusion étant donné que les cibles visualisées par ces lobes ne peuvent pas être distinguées des cibles vues par le faisceau principal On peut minimiser, voire éliminer, les effets des lobes de réseau en utilisant des éléments présentant des diagrammes de rayonnement directionnel et/ou en éclairant un champ de cible de telle sorte que les lobes de réseau tombent à l'extérieur du champ éclairé On peut aussi réduire, voire éliminer, les lobes de réseau en peuplant le réseau physique avec des éléments dont les espacements sont inférieurs à X/2 Par exemple, si les éléments sont espacés de D = >/8 et si fm = 4, alors les éléments ont un espacement effectif de (fm)(D) =; /2 après une modulation de phase, la réponse de faisceau final ne contenant par conséquent aucun lobe de réseau. La Figure 12 montre, sous la forme d'un schéma synoptique, un des modes de réalisation de la présente invention Le réseau de récepteur est constitué par une pluralité d'éléments récepteurs R 1 à R, connectés chacun à un canal de traitement de signaux correspondant 30-1 à -n. Si on examine le canal de traitement de signaux 30- 1 à titre d'exemple, on voit que le signal de sortie de l'élément récepteur R 1 est fourni à un préamplificateur 32 dont le signal de sortie est converti en composantes de signaux I et Q qui varient dans le temps Cette con- version est effectuée au moyen de multiplicateurs 34 et dont chacun reçoit le signal de sortie du préamplifi- cateur 32 ainsi qu'une fonction cosinus pour le multi- plicateur 34 et une fonction sinus pour le multiplica- teur 35 La multiplication donne des fréquences de somme et de différence, et des filtres passe-bas 38 et 39 sont prévus pour ne laisser passer que les composantes de fréquence de différence. Les signaux I et Q qui varient dans le temps sont échantillonnés et convertis sous une forme numérique au cours de cycles d'échantillonnage répétitifs au moyen de convertisseurs analogique/numérique respectifs 40 et 41, l'opération donnant un échantillon numérique Il produit par le convertisseur analogique/numérique 40 et l'échan- tillon numérique Qi produit par le convertisseur analogi- que/numérique 41 Les échantillons numérisés Il et Q 1 sont fournis à un circuit 44 de détermination de phase ainsi qu'à un circuit 45 de détermination d'amplitude, dont les signaux de sortie représentent la phase 01 et l'amplitude A 1 du signal et sont calculés comme décrit précédemment à propos des Figures 4 A et 4 B. Conformément à la présente invention, l'angle de phase 01 est modulé par un facteur fm en provenance d'une source 48 par multiplication dans un multiplicateur 50, avec pour résultat un angle de phase modifié modifiés I en provenance de tous les canaux de traite- ment de signaux sont fournis, collectivement, à un cir- cuit de sommation 56 et les échantillons modifiés Q en provenance de tous les canaux de traitement de signaux sont fournis collectivement à un circuit de sommation 57 Les signaux résultant de la sommation sont élevés au carré dans les circuits quadratiques respectifs 58 et 59 et sont combinés dans un additionneur 60 qui fournit un signal numérique résultant représentant le faisceau de sortie formé à chaque moment d'échantillonnage Ce signal est traité par un circuit numérique 62 de com- mande d'affichage en vue d'une présentation sur un écran d'affichage 64. REVENDICATIONS 1 Appareil pour augmenter, de façon synthétique, la longueur d'un réseau d'éléments récepteurs pour dimi- nuer la largeur de faisceau associée audit réseau, caractérisé par le fait qu'il comprend: a) une pluralité d'éléments récepteurs R 1-R, disposés sous forme d'un réseau en vue de recevoir l'énergie réfléchie par une cible se trouvant dans un champ de cible; chaque élément précité pouvant fonctionner de manière à fournir un signal de sortie correspondant en réponse à la réception de ladite énergie; b) des moyens ( 44) pour obtenir une indication de l'angle de phase de chaque signal de sortie pré- cité; c) des moyens ( 48, 50) pour moduler tous les angles de phase précités par un facteur de modulation prédé- terminé, fm; et d) des moyens ( 52, 53, 56-60) pour combiner tous les signaux dont les angles de phase ont été ainsi modifiés. 2 Appareil de mise en forme de faisceau à haute résolution, caractérisé par le fait qu'il comprend a) une pluralité d'éléments récepteurs R 1- R, disposés sous forme d'un réseau en vue de recevoir l'énergie réfléchie par une cible se trouvant dans un champ de cible; chaque élément précité pouvant fonctionner de manière à fournir un signal de sortie correspondant en réponse à la réception de ladite énergie; b) une pluralité de canaux de traitement de signaux -1 à 30-n connectés chacun de manière à recevoir le signal de sortie d'un élément respectif parmi lesdits éléments; chaque canal de traitement de signaux précité com- il prenant des moyens pour obtenir, au cours des cycles d'échantillonnage répétitifs, les composantes en phase (I) ( 34) et en quadrature (Q) ( 35) d'un signal respectif parmi lesdits signaux de sortie; lesdits canaux de traitement de signaux comprenant des circuits ( 45, 44) pour obtenir, à partir des- dites composantes I et Q, une amplitude et un angle de phase correspondants du signal échantillonné; c) des moyens ( 48, 50) pour multiplier l'angle de phase obtenu dans chaque canal de traitement de signaux par un facteur constant de modulation de phase, fm, pour obtenir un angle de phase modifié; lesdits canaux de traitement de signaux comprenant des circuits ( 52, 53) destinés à calculer les com- posantes modifiées I et Q en utilisant ledit angle de phase modifié; et d) des moyens ( 56-60) pour combiner toutes les compo- santes modifiées I et Q de tous les canaux de trai- tement de signaux pour obtenir des signaux de cible. 3 Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre: a) des convertisseurs analogique/numérique ( 40, 41) pour obtenir lesdites composantes I et Q sous une forme numérique. 4 Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce-que lesdits moyens destinés à effectuer une combi- naison comprennent: i) un premier circuit de sommation ( 56) pouvant fonc- tionner de manière à recevoir toutes les composan- tes I précitées de tous les canaux de traitement de signaux précités 30- 1 à 30-n pour fournir un signal de sortie I résultant de la sommation, ii) un second circuit de sommation ( 57) pouvant fonc- tionner de manière à recevoir toutes les composan- tes Q de tous lesdits canaux de traitement de signaux pour fournir un signal de sortie Q résul- tant de la sommation, iii) des moyens formant circuits ( 58, 59) pour élever au carré lesdits signaux de sortie I et Q résultant de la sommation, et iv) des moyens ( 60) pour combiner lesdits signaux de sortie I et Q résultant de la sommation et élevés au carré à des fins d'affichage. 5 Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le réseau précité d'éléments récepteurs R 1-R, est une rangée linéaire rectiligne.