Brevet FR2689645A1 — publié le 19931008

PROCEDE ET DISPOSITIE DE LIMITATION DE FAUSSES ALARMES PAR TRI DE VITESSE POUR RADAR DOPPLER COHERENT A IMPULSIONS A DIVERSITé DE FRéQUENCES DE REPETITION La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif de limitation de fausses alarmes par tri de vitesse pour radar Doppler cohérent à impulsions à diversité de fréquences de répétition comportant des moyens de filtrage adaptatif du fouillis, des moyens d'analyse spectrale et de détection à taux de fausse alarme constant fournissant l'indication des cibles détectées ainsi que leur fréquence Doppler ambiguë à chacune des P fréquences de répétition et un dispositif de lever d'ambiguïté en vitesse à partir de ces informations. Dans les systèmes de détection classiques à taux de fausse alarme constant (TRAC), on prend en compte la puissance des échos de fouillis et on fait I'hypothèse que celle-ci est distribuée assez régulièrement en distance suivant des lois probabilistes plus ou moins complexes pour déterminer le seuil de détection. Cependant, ces lois sont plus ou moins bien adaptées aux différents fouillis et sont toutes basées sur une hypothèse de comportement en distance de la puissance du fouillis.Or, l'expérience montre que, par exemple dans le cas de radars d'auto-défense maritimes où l'on est en présence de fouillis de mer, il existe une plage importante de distances, dite de transition, dans laquelle la puissance des echos de fouillis de mer est très fluctuante et n'est pas facilement modélisable. Très sommairement, cette plage correspond aux distances à partir desquelles une vague va masquer toutes les autres vagues derrière elle, ces distances dépendant en particulier de l'altitude du radar au-dessus de la surface de la mer et de la hauteur des vagues. Dans cette zone, iI peut donc exister des pics de fouillis conduisant à des fausses alarmes au niveau de la détection. L'invention est basée sur l'observation que, dans cette plage de transition où la puissance des échos de fouillis est très fluctuante, par contre la fréquence centrale du spectre de fouillis est très stable, comme également elle l'est ailleurs. Un objet de i'invention est donc un procédé de limitation des fausses alarmes qui ne prend pas en compte la puissance des échos mais la fréquence centrale des spectres de ceux-ci aux différentes fréquences de répétition utilisées. Un autre objet de lXinvention est un procédé de limitation des fausses alarmes consistant à réaliser un tri de vitesse à partir de la vitesse moyenne du fouillis dans une zone entourant la cellule de résolution traitée. Selon l'invention, il est prévu un procédé de limitation de fausses alarmes par tri de vitesse pour radar Doppler cohérent à impulsions à diversité de fréquences de répétition comportant des moyens de filtrage adaptatif du fouillis, des moyens d'analyste spectrale et de détection à taux de fausse alarme constant fournissant l'indication des cibles détectées ainsi que leur fréquence Doppler ambiguë (fi) à chacune des P fréquences de répétition et un dispositif de lever dlambiguïté en vitesse à partir de ces informations, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à - estimer la fréquence centrale Doppler moyenne du fouillis (fc) sur une zone entourant la cellule de résolution traitée ;; et - élaborer un signal de validation desdites informations relatives à la cellule traitée transmises au dispositif de lever d'ambiguïté, en les invalidant seulement dans le cas où, pour touilLes les fréquences de répétition utilisées d'indice i pour lesquelles une détection a eu lieu et a fourni un estimé de fréquence Doppler fi, on a la relation ( | fi - fct t i = b àP où e est une quantité prédéterminée choisie inférieure à l'écart minimum AFR entre les fréquences de répétition utilisées. Un avantage essentiel de ce procédé est d'être mis en oeuvre sur l'information ambiguë de vitesse. En effet, cela entraîne plusieurs conséquences avantageuses - le tri est réalisé sur une information ambiguë, donc non encore soumise à d'éventuelles erreurs d'extraction de fréquence non ambiguë - comme on ne rejette pas systématiquement une bande de fréquence centrée sur la fréquence moyenne du fouillis, ce qui engendrerait au niveau du lever d'ambiguïté des plages de vitesses aveugles, le tri ne produit pas de plages de fréquences non ambiguës aveugles d'ordre d'ambiguïté supérieur à zéro - on élimine les fausses alarmes avant le lever d'ambiguïté, ce qui permet ainsi à celui-ci d'être réalisé à l'aide d'un processeur saturable.En effet, si on n'effectue pas ce tri préalable, il est nécessaire de traiter toutes les cellules de résolution où ont été détectées des cibles ou des fausses alarmes, ce qui nécessite une logique câblée ou un processeur de grande capacité, donc suffisamment rapide, coûteux et encombrant. Or, dans le cas de diversité de fréquences de répétition, surtout avec un nombre de fréquences de répétition supérieur à deux, on doit utiliser un algorithme de traitement qui impose de s 'orienter plutôt vers un processeur. Grâce au tri préalable effectué selon l'invention, on peut utiliser un processeur plus lent, capable de traiter seulement un certain nombre de cibles (d'où l'appellation de saturable), donc moins coûteux. Enfin le procédé selon l'invention permet ainsi qu'on le verra ultérieurement d'effectuer un tri très sélectif entre le fouillis et les cibles réelles. Selon une autre caractéristique de l'invention, il est prévu un dispositif mettant en oeuvre le procédé selon l'invention et mettant à profit le calcul des coefficients de réflexion déjà effectué dans les moyens de filtrage adaptatif pour estimer la fréquence moyenne du fouillis à partir de l'argument du coefficient de réflexion du premier ordre. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à l'aide de la description ci-apres et des dessins joints où - la figure 1 est une représentation du panorama radar permettant d'expliquer les principes de l'invention - la figure 2 est un schéma de principe d'un radar incluant le dispositif selon l'invention ; et - la figure 3 est un schéma plus détaillé d'un mode de réalisation du dispositif selon I'invention. Dans un but de simplification et sans que ceba soit en rien limitatif de l'invention, on va considérer le cas d'un radar n'utilisant que deux fréquences de répétition différentes FRi et FE2 telles que FRi - FR2 =#FR > 0 Mais il est clair que les principes de l'invention s'appliqueraient sans modification à un radar utilisant P fréquences de répétition différentes, AFR étant alors l'écart minimum entre les différentes fréquences de répétition. Le choix des fréquences de répétition est supposé tel que la fréquence Doppler du fouillis soit, dans tous les cas, non ambiguë ce qui est généralement le cas. Avant d'en venir à la description proprement dite de l'invention, il est nécessaire de remarquer que, si l'on a une cible dont les estimés spectraux fi à la fréquence de répétition 1 et f2 à la fréquence de répétition FR2 sont tels que Ifl - 2| f2 # f R = fl + k FR1 f R = 2 + n FR2 où f est où fR est la fréquence Doppler non ambiguë de la cible et k et n des nombres entiers, et si F rt FR2 sont tels que FR2 > (N+l) AFR (2) avec N, ordre d'ambiguïté maximal possible dans le domaine des vitesses observable, alors on démontre que la seule valeur possible pour k et n est k = n = O. En d'autres termes, si les conditions (1} et (2) sont remplies pour une cible donnée, alors cette cible n'est pas ambiguë en vitesse. Le procédé selon l'invention de limitation des fausses alarmes est basé sur le principe suivant résultant de la constatation précédente. Si, comme on l'a déjà mentionné, le fouillis n'est pas ambigu en vitesse aux fréquences de répétition choisies (c'est-à-dire que Xc1 = arc2 = Afc où Xc est donc la fréquence centrale Doppler moyenne non ambiguë du fouillis quelle que soit la fréquence de répétition), alors la condition iIfi 2 (3) ( i = 1 et 2 entraîne pour une cible d'estimé spectral fl et f2 que fi - f21 La figure I représente le panorama radar divisé en cellules de résolution dont la profondeur correspond à la résolution en distance du radar et dont la largeur correspond à la largeur de faisceau de l'antenne radar. On suppose que cette largeur de faisceau et les durées d'émission dans chaque fréquence de répétition sont telles que chaque cellule reçoit la totalité du motif répétitif des fréquences de répétition pendant son balayage par le faisceau d'antenne. On considère à chaque instant dans ce panorama radar la cellule de résolution traitée Cd à la distance d et une zone Z entourant cette cellule et comprenant des cellules dites avancées C(d+l) à C(d+M) et des cellules dites retardées C(d-l) à C(d-M). Le procédé selon l'invention consiste donc, pour chaque cellule traitée Cd fournissant des estimés spectraux ambigus fi d'une cible éventuelle, à estimer la fréquence centrale Doppler moyenne fc des spectres d'échos relatifs à l'ensemble des cellules de la zone Z entourant la cellule Cd, celle-ci étant comprise ou de préférence non comprise dans la zone Z, et à appliquer le critère (3). Si le critère (3) est vérifié, on en déduit qulil s'agit, dans la cellule Cd, d'un écho à vitesse non ambiguë voisine de la vitesse du fouillis, donc qu'il s'agit soit de fouillis, soit d'une cible à vitesse très voisine de celle du fouillis et par conséquent non menaçante. On ne valide pas la détection dans cette cellule. Si, par contre, le critère (3) n'est pas vérifié, on en déduit qu'il s'agit d'une cible et on valide la détection dans la cellule Cd. Dans le cas où on utilise plus de deux fréquences de répétition, l'exploitant du radar peut choisir les conditions dans lesquelles une cible est déclarée détectée. Par exemple, on peut déclarer qu'une cible est présente si elle a été détectée à au moins trois fréquences de répétition sur quatre. De la même façon. une fausse alarme résultant d'un pic de fouillis ou en particulier d'une cible non menaçante de faible rapport signal à bruit peut n'être détectée que pour un certain nombre de fréquences de répétition et non la totalité. On peut alors aménager le critère (3) en ne prenant en compte les comparaisons que lorsque la fréquence de répétition en cause a donné lieu à une détection effective fournissant un estimé Doppler fi dans la cellule de résolution traitée. Comme on peut le constater, il s'agit bien ici dtun tri de vitesse même si il est mis en oeuvre sur des données a priori ambiguës en vitesse. La figure 2 est un schéma de principe dlun dispositif mettant en oeuvre le procédé selon l'invention ainsi exposé. On a représenté en partie la chaîne de traitement d'un radar Doppler à impulsions à diversité de fréquences de répétition. Cette chaîne comprend des moyens de filtrage adaptatif du fouillis FA qui sont de préférence des moyens de filtrage autorégressif. Ces moyens de filtrage sont suivis de moyens d'analyse spectrale AS et de détection DT à taux de fausse alarme constant qui fournissent l'indication des cellules dans lesquelles une détection a lieu ainsi que l'estimé spectral de la fréquence Doppler fi pour ces cellules aux différentes fréquences de répétition FRi. Les informations fournies sont envoyées à un dispositif de lever d'ambiguïté en vitesse LA qui donne en sortie les informations de vitesse non ambiguë. Une telle chaîne de traitement est connue et relativement classique. Les moyens de filtrage adaptatif FA peuvent être constitués par des filtres en treillis d'ordre l à p dont les coefficients de réflexion sont calculés à partir de l'analyse autorégressive du signal sur une zone entourant la cellule traitée comme cela est décrit dans la demande de brevet français nO 84 04722 déposée le 27 mars 1984 par la société LABORATOIRE CENTRAL DE TELECOMMUNICATIONS. Comme on le sait d'après une autre demande de brevet n 86 03234 de la même société déposée le 7 mars 1986, il est possible d'obtenir a fréquence Doppler d'un écho à partir de l'argument du coefficient de réflexion d'ordre l de l'analyse autorégressive qui varie de 0 à - s lorsque la frequence Doppler varie de 0 à -+ , FIC/2, F R étant la fréquence de FR/2 répétition utilisée. On dispose ainsi d'un moyen simple d'estimer la fréquence centrale du fouillis selon la relation si la cellule traitée est intégrée dans la zone de calcul, ou si la cellule traitée est exclue de la zone Z d'estimation du fouillis. Dans le cas décrit dans la première demande de brevet citée ci-dessus, on décrit un procédé de filtrage adaptatif consistant à calculer pour toute une zone Z un coefficient de réflexion moyen rl utilisé pour un filtre en treillis commun à cette zone. On peut donc admettre que le dispositif de filtrage FA de la figure 2 fournit directement le coefficient moyen rl (Z, i) pour la zone Z et pour la fréquence de répétition i. Selon l'invention, on prévoit sabord un circuit EF d'estimation de la fréquence centrale Doppler moyenne du fouillis selon la relation découlant de la relation (4) Cette valeur estimée fc est envoyée à un circuit TV d'élaboration d'un signal de validation Val des informations fournies par le circuit de détection DT au circuit de lever d'ambiguïté LA.Ce circuit TV reçoit les valeurs fi et fc ainsi que la quantité prédéterminée 2 pour mettre en oeuvre le 2 pour mettre en oeuvre le critère (3) ci-dessus, de façon à interdire au circuit LA de prendre en compte les informations relatives à la cellule traitée lorsque ce critère (3) est vérifié. La figure 3 représente un schéma plus détaillé du dispositif selon l'invention. On y retrouve les circuits EF et TV. En outre, est prévu un circuit VFC de validation de l'estimation de la fréquence centrale du fouillis. En effet, si les cellules de la zone Z contiennent du fouillis, les vecteurs représentant les coefficients de réflexion pour les diverses cellules de résolution sont cohérent. Lorsqu'on les ajoute pour obtenir le coefficient moyen, comme leurs arguments sont approximativement identiques, le module résultant a une valeur beaucoup plus grande que dans le cas où les diverses cellules ne contiennent que du bruit blanc. En effet, dans ce dernier cas, les arguments des divers coefficients varient aléatoirement et la somme des vecteurs a alors une valeur de module faible. Ceci est utilisé comme critère de validité de l'estimation de la fréquence moyenne Afc d'un fouillis. Cela étant, le coefficient de réflexion moyen rl (Z, i) sur la zone Z est appliqué à un circuit 10 fournissant séparément l'argument et le module dudit coefficient. Un tel circuit peut par exemple être constitué par le circuit PDSP 16330 commercialisé par la société PLESSEY et décrit dans l'article de Dave Bursky: "Chip converts Cartesian data to polar units at 10 MHz" paru dans la revue Electronic Design du il juin 1987, pages 53 à 55. L'argument du coefficient moyen rl (Z > i) pour chaque fréquence de répétition est envoyé dans le circuit EF à un multiplieur accumulateur 11 qui reçoit par ailleurs les valeurs convenables FRi/2I fournies par une mémoire morte programmable 12. Le multiplieur accumulateur il fournit A l'estimation fc calculée selon la relation (5). Dans le circuit TV, la valeur fc venant du circuit EF et les valeurs fi successives pour la cellule traitée Cd sont transmises à un soustracteur 13 suivi d'un circuit de calcul de module 14 fournissant les valeurs absolues s fi - Afc à à un comparateur 15. Celui-ci reçoit sur son autre entrée la quantité prédéterminée 2 et fournit sur sa sortie un signal au 2 niveau haut si | fi - - fc| 2 porte ET de validation 16. Celle-ci reçoit sur son autre entrée le signal élaboré par le circuit de validation VFC. Ce circuit VFC comporte un comparateur 19 recevant d'une part le module du coefficient de réflexion moyen rl (Z, i) fourni par le circuit 10 et d'autre part une valeur de seuil prédéterminée S (M) fonction du nombre M caractérisant le nombre de cellules de la zone Z. Le signal fourni par ce comparateur lorsque le module est supérieur ru seuil et convenablement retardé par le circuit de retard 20 vient valider le résultat présent sur la première entrée de la porte ET 16. La sortie de la porte 16 est appliquée d'une part directement et d'autre part par l'intermédiaire d'un circuit à retard 17 à une porte ET 18.Ainsi lorsque le critère (3) est vérifié successivement pour les deux fréquences de répétition FR1 et FR2, la porte ET 18 recevant deux signaux de niveau haut délivre un signal d'invalidation Val qui va interdire au dispositif de lever d'ambiguïté en vitesse LA de prendre en compte les données relatives à la cellule traitée Cd. L'ensemble des circuits 16, 17, 18 constitue des moyens d'extraction du signal de validation ESV. Dans le cas où on utilise plus de deux fréquences de répétition et où on aménage le critère (3) comme on l'a mentionné plus haut, pour tenir compte du fait qu'une fausse alarme peut ne pas donner lieu à une détection pour une ou plusieurs fréquences de répétition, il suffit de modifier les moyens d'extraction ESV en interposant entre la sortie du comparateur 15 et ventrée de la porte 16 une porte OU (non représentée) dont autre entrée reçoit un signal de non détection Di, fourni par les moyens de détection DT et ayant un niveau haut lorsque la détection n'a pas lieu et un niveau bas lorsque la détection a lieu. On a ainsi réalisé un tri de vitesse qui permet d'éliminer un certain nombre de fausses alarmes et de soulager ainsi le processeur de lever d'ambiguïté d'une charge de calcul inutile. Ce tri de vitesse est, comme on l'a vu, très sélectif entre le fouillis et les cibles réelles. Il est clair que l'estimation de la fréquence centrale du fouillis sur la zone entourant la cellule traitée pourrait être effectuée de toute autre manière connue. De même, l'estimé spectral fi peut être obtenu par tout moyen d'analyse spectrale connu, tel que transformation de Fourier puis extraction barycentrique ou bien estimation auto-régressive. Bien entendu, l'exemple de réalisation décrit n'est nullement limitatif de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de limitation de fausses alarmes par tri de vitesse pour radar Doppler cohérent à impulsions à diversité de fréquences de répétition comportant des moyens de filtrage adaptatif du fouillis (FA), des moyens d'analyste spectrale (AS) et de détection à taux de fausse alarme constant (DT) fournissant l'indication des cibles détectées ainsi que leur fréquence Doppler ambiguë (fi) à chacune des P fréquences de répétition et un dispositif (LA) de lever d'ambiguïté en vitesse à partir de ces informations, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à A - estimer la fréquence centrale Doppler moyenne du fouillis (fc) sur une zone (Z) entourant la cellule de résolution traitée (Cd) ; et - élaborer un signal (Val) de validation desdites informations relatives à la cellule traitée transmises au dispositif de lever d'ambiguïté, en les invalidant seulement dans le cas où, pour toutes les fréquences de répétition utilisées d'indice i pour lesquelles une détection a eu lieu et a fourni un estimé de fréquence Doppler fi, on a la relation: E i=iàP où est une quantité prédéterminée choisie inférieure à l'écart minimum AFR entre les fréquences de répétition utilisées. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ltestimation de la fréquence centrale du fouillis (fc) sur ladite zone consiste a - extraire l'argument du coefficient de réflexion moyen du premier ordre (rl) calculé pour ladite zone par lesdits moyens de filtrage adaptatif, pour chaque fréquence de répétition ; et - déduire ladite fréquence centrale (fc) desdits arguments et des valeurs des différentes fréquences de répétition (FRi) selon la relation 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à valider l'estimation de la fréquence centrale du fouillis seulement si le module dudit coefficient de réflexion moyen est supérieur à un seuil prédéterminé. 4. Dispositif de limitation de fausses alarmes par tri de vitesse pour radar Doppler cohérent à impulsions à diversité de fréquences de répétition comportant des moyens de filtrage adaptatif du fouillis (FA), des moyens d'analyse spectrale (AS) et de détection à taux de fausse alarme constant (DT) fournissant l'indication des cibles détectées ainsi que leur fréquence Doppler ambiguë (fi) à chacune des P fréquences de répétition et un dispositif (LA) de lever d'ambiguïté à partir de ces informations, ledit dispositif mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1à 3 et étant caractérisé en ce qu'il comprend - un circuit (EF) d'estimation de la fréquence centrale Doppler moyenne du fouillis (fc) sur une zone (Z) entourant la cellule de résolution traitée (Cd) ; et - un circuit (TV) d'élaboration d'un signal de validation desdites informations relatives à la cellule traitée transmises au dispositif de lever d'ambiguïté (LA) pour interdire à ce dispositif de les prendre en compte quand elles correspondent à un écho de vitesse voisine cge la vitesse moyenne du fouillis, lorsque, pour toutes les fréquences de répétition utilisées ayant donné lieu à une estimation de fréquence Doppler fi,, on a la relation ss &verbar;fi fc&verbar; C i = l à P où est une quantité prédéterminée choisie inférieure à l'écart minimum 25FR entre les fréquences de répétition utilisées. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit circuit d'estimation (EF) comprend une mémoire morte programmable (12) fournissant les valeurs FR1J21T où FRi est la valeur de la fréquence de répétition utilisée, i variant de l à P > et un multiplieur accumulateur (ll) dont les entrées reçoivent respectivement les valeurs fournies par ladite mémoire (12) et l'argument du coefficient de réflexion moyen du premier ordre (rl) calculé par lesdits moyens de filtrage adaptatif (FA), ledit argument étant extrait par un circuit de conversion (10) qui fournit également le module de ce coefficient de réflexion sur une autre sortie, la sortie du multiplieur accumulateur (11) délivrant la valeur estimée de la fréquence centrale Doppler moyenne du fouillis (foc) selon la relation en ce que ledit circuit (TV) d'élaboration d'un signal de validation comporte un soustracteur (13), dont les entrées reçoivent respectivement ladite fréquence centrale de fouillis (fc) fournie par le multiplieur accumulateur (il) et la fréquence Doppler ambiguë (fi) pour la cellule de résolution traitée (Cd) fournie par lesdits moyens de détection (DT), un circuit de calcul de module (14) pour fournir la valeur absolue de la différence (fi - fc) délivrée par le soustracteur, un comparateur (15) comparant cette valeur absolue à une valeur prédéterminée (2) et fournissant un signal à une entrée d'une première porte ET (16) lorsque l'on a la relation | fi - fc | 2 seize d'une part directement à une entrée d'une deuxième porte ET (18) et d'autre part par l'intermédiaire de circuits à retard (17) aux autres entrées de cette deuxième porte dont la sortie fournit ledit signal de validation (Val), lesdites première et deuxième portes (16, 18) et lesdits circuits à retard (17) constituant des moyens d'extraction du signal de validation (ESV), et en ce que ledit dispositif comprend en outre un circuit (VFC) de validation de ltestimation de la fréquence centrale de fouillis qui comporte un comparateur (19), recevant d'une part le module du coefficient de réflexion moyen [7î rl(Z, i) j délivré par ledit circuit de conversion (10) et d'autre part une saleur de seuil tS(M)] et fournissant un signal lorsque ce module est supérieur au seuil, et un circuit à retard (20) connecté entre la sortie dudit comparateur (19) et la seconde entrée de la première porte (16) dudit circuit (TV) d'é3aboration d'un signal de validation. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens d'extraction du signal de validation (ESV) comprennent en outre une porte OU interposée entre ledit comparateur (15) du circuit (TV) d'élaboration d'un signal de validation et la première porte ET (16) et dont l'autre entrée reçoit un signal de non détection (Di) fourni par lesdits moyens de détection (DT) du radar.