Brevet FR2714735A1 — publié le 19950707

ANALYSEUR DE SPECTRE ET SON APPLICATION A UN AUTODIRECTEUR DE MISSILES DU TYPE A ANTENNES D'EMISSION ET DE RECEPTION DISTINCTES ET FIXES La présente invention concerne d'une manière générale le domaine du traitement des signaux électriques. Elle concerne plus particulièrement un dispositif apte à effectuer une analyse spectrale de "n" signaux ayant une certaine bande spectrale B et une certaine durée T, dans des conditions de rapidité d'exécution et de limitation d'encombrement sévères. Un tel dispositif peut être utilisé par exemple dans le domaine des radars. Ceux-ci doivent en effet, afin de rechercher d'éven- tuelles cibles, procéder notamment à une analyse en distance et en vitesse du domaine éclairé par l'antenne, et ceci en un minimum de temps et avec un minimum d'encombrement du matériel corres- pondant. Un type de radar o ces problèmes se posent avec le plus d'acuité est constitué par un autodirecteur de missile, et notamment par un autodirecteur de missile du type à antennes d'émission et de réception distinctes et fixes, comportant une antenne d'émission de diagramme relativement large, émettant une onde quasi-continue, une antenne de réception dotée d'une pluralité d'éléments rayonnants et des moyens de formation de faisceaux associés à l'antenne de réception, permettant une exploration instantanée de l'espace couvert par le faisceau d'émissions. Dans ce cas les "n" signaux de bande B et de durée T à analyser sont constitués par les signaux issus des "n" éléments rayonnants, ou capteurs, de l'antenne de réception. La présente invention a pour objet un analyseur de spectre permettant, grâce à une combinaison judicieuse de moyens de traitement numérique et de traitement analogique, d'associer une vitesse de traitement élevée à un faible encombrement. Un analyseur de spectre de "n" signaux de bande B et de durée T, suivant l'invention, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte: - des moyens de conversion analogique-numérique des "n" signaux à analyser, fonctionnant à une fréquence nB, et opérant sur l'ensemble des "n" signaux à analyser, pendant une durée T, par multiplexage dans le temps; - des moyens de stockage des échantillons numérisés ainsi obtenus, définis à la fois par leur rang dans une séquence d'échantillons de durée T relative à un signal à analyser et par le numéro de ce signal à analyser; - des moyens d'adressage en écriture et en lecture de ces moyens de stockage, permettant une écriture, à une fréquence nB, en priorité par rangs d'échantillons, et, pour un rang d'échantillon donné, par numéros de signaux à analyser, et une lecture, à une fréquence 2nB, en priorité par numéros de signaux à analyser, et, pour un numéro de 1 5 signal à analyser donné, par rangs d'échantillons; - des moyens de conversion numérique-analogique des échantillons numérisés ainsi lus, fonctionnant à une fréquence 2nB; - un analyseur de spectre analogique, de bande 2nB, réalisant successivement une analyse spectrale des "n" signaux, pendant une durée T. D'autres objets et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation correspondant plus particulièrement à l'application à un autodirecteur de missile envisagée précédemment, cette description étant faite en relation avec les dessins ci-annexés dans lesquels: - la figure I représente l'architecture générale d'un autodirecteur de missile du type à antennes d'émission et de réception distinctes et fixes; - la figure 2 est un diagramme montrant la forme des signaux émis par l'antenne d'émission; - la figure 3 est un schéma montrant le traitement analogique effectué dans les modules de réception associés aux éléments rayonnants de l'antenne de réception; - la figure 4 est un diagramme montrant la bande spectrale occupée par les signaux issus des éléments rayonnants de l'antenne de réception; - la figure 5 est un schéma d'un analyseur de spectre suivant l'invention; - les figures 6a et 6b sont des diagrammes destinés à illustrer le fonctionnement de l'analyseur de spectre de la figure 5; - la figure 7 est un schéma d'un dispositif de formation de faisceaux de réception associé à un analyseur de spectre selon la figure 5 dans le cadre de l'application envisagée ci-dessus. On considère donc un autodirecteur de missiles dont les antennes d'émission et de réception sont distinctes et fixes, comme représenté sur la figure 1. L'antenne d'émission est située à la pointe du missile et éclaire de façon omnidirectionnelle tout le volume d'intérêt. L'antenne de réception, située à l'arrière de l'antenne d'émission, est plane et constituée de n éléments rayonnants associés à n modules de réception indépendants. Ces modules de réception ne comportent pas de liaison phy- sique hyperfréquence avec l'oscillateur local (O.L.): l'oscillateur local alimente une antenne de très petites dimensions, située au dos de l'antenne d'émission et éclairant l'ensemble des modules. Les signaux de sortie des modules, à fréquence porteuse nulle de préférence après démodulation complexe sont combinés linéai- rement afin de réaliser par calcul un ensemble de faisceaux de réception simultanés et adjacents; ceux-ci permettent l'exploration instantanée de tout l'espace couvert par le faisceau d'émission au moyen de canaux parallèles. L'opérateur linéaire de calcul peut, par exemple, réaliser une transformée de Fourier à partir des échan- tillons constitués par les signaux de sortie des modules, afin de réaliser un ensemble de faisceaux orthogonaux. Les fonctions émission et réception sont simultanées. La forme d'onde émise est continue. Les séquences émises sont de deux types: - une séquence de 16 impulsions jointives de durée I msec et de même fréquence fo, comme représenté sur la figure 2a; - une séquence de 16 impulsions jointives de durée 1 msec et de fréquences fl' f2'.. f 16 linéairement croissantes ou décrois- santes, comme représenté sur la figure 2b. La première de ces séquences sert à mesurer la fréquence Doppler des cibles tandis que la seconde sert à calculer leurs distances. On s'intéressera par la suite plus spécialement au premier cas. L'antenne de réception représentée sur la figure 3 est formée de 100 éléments rayonnants et de 100 modules de réception, disposés sous forme de réseau bidimensionnel à raison de 10 par ligne et 10 par colonne. Les signaux reçus par chaque module de réception sont cons- titués: - des signaux radar à la fréquence fo + fd (fo: fréquence émise, fd fréquence Doppler); - de la référence de l'oscillateur local à la fréquence: foL = f0 - fi (fi: fréquence intermédiaire); - du rayonnement arrière de l'antenne d'émission à la fréquence f. Ces signaux sont mélangés dans une diode D, amplifiés dans un amplificateur A et filtrés par un filtre passe-bande F de 100 kHz de largeur de bande centré autour de la fréquence fi + 150 kHz. L'hypo- thèse qui est faite ici est que le clutter s'étend de - 100 kHz à + 100 kHz autour de la fréquence fi et que la zone d'interception des cibles est comprise entre fi + 100 kHz et fi + 200 kHz (voir figure 4). On décrit maintenant l'analyseur de spectre représenté sur la figure 5. La sortie de chacun des filtres F de la figure 3 est échantil- lonnée en complexe (en amplitude et en phase) à 100 kHz de fréquence-horloge, c'est-à-dire toutes les 10 usec, par un conver- tisseur analogique-numérique CAN1 commun aux différents modules de réception. Les échantillons complexes correspondant à un instant d'échantillonnage des 100 filtres peuvent être multiplexés dans le temps si l'échantillonneur CAN1 choisi fonctionne à 10 MHz (100 x 100 kHz). Dans ces conditions les 100 modules sont échantillonnés les uns à la suite des autres à la fréquence de 10 MHz. Ces échantillons sont codés à 8 bits et entrés dans une mémoire M1 à une adresse qui correspond à la fois à leur rang "r", c'est-à-dire à leur instant d'échantillonnage, et au numéro "n" du module de réception duquel ils proviennent. L'inscription de ces échantillons se fait au fur et à mesure de leur obtention, c'est-à-dire par rangs d'échantillons, suivant le cadencement de la figure 6a. On entre ainsi en mémoire 100 échantillons complexes par module, c'est-àdire une milliseconde (100 x 10 uisec) de signal reçu par module. La mémoire nécessaire doit avoir une capacité de: 2 x 8 x 100 x 100 bits soit 160 kbits, soit en pratique I boîtier k k de 256k ou 3 boîtiers de 64k. Cette mémoire M1 est alors relue module après module à une fréquencehorloge de 20 MHz. Cela signifie que le signal de I msec associé à un module (parmi 100) qui a été inscrit au rythme de 100 kHz est relu sans déformation au rythme de 20 MHz. Ce signal de durée I msec et de bande 100 kHz devient donc, après cette compression du temps d'un facteur 200, un signal de lisec et de 20 MHz de largeur de bande. Les signaux des 100 modules n = 1, 2,... 100 peuvent donc être aisément relus successivement en I msec suivant le caden- cement de la figure 6b. Cette suite de signaux est alors convertie en analogique par deux convertisseurs numérique-analogique de 8 bits tels que CNA fonctionnant à 20 MHz suivis d'une modulation complexe (BLU) autour d'une fréquence intermédiaire. Le signal analogique résultant constitué de tranches de 5 lisec séparées par des temps morts de 5 lisec (figure 6b) entre dans un analyseur de spectre analogique AS à ondes de surface de type C-M- C (Convolution-Multiplication-Convolution) de 20 Mhz de bande, c'est-à-dire de 100 points destiné au "filtrage Doppler". Cet ana- lyseur de spectre fonctionne de la façon suivante. Une première convolution est effectuée au moyen d'un premier filtre dispersif CONV1 de bande B = 20 MHz et de retard T = 5 uIs. Une multiplication par une rampe de fréquences de bande B = 40 MHz et de durée T = 10 ils est ensuite effectuée sur le signal résultant au moyen d'un multiplieur M. Une deuxième convolution est enfin effectuée sur le signal résultant au moyen d'un filtre dispersif CONV2 de bande B = 20 MHz et de retard T = 5 1ts. Le choix de l'architecture "CMC" permet d'effectuer une pondération au niveau de la deuxième convolution, comme repré- senté de manière symbolique sur la figure 5. La prévision de temps morts de 5 us, et donc d'une fréquence horloge de lecture double de celle d'écriture, permet d'avoir complè- tement terminé l'analyse spectrale relative à un nme module de réception avant d'entamer l'analyse spectrale relative au (n+l)ième. Cet analyseur de spectre restitue un signal analogique cons- titué de nouvelles tranches de 5 itsec qui représente sur l'échelle des temps, l'analyse de Fourier à 200 kHz près des tranches incidentes de 5 Usec et de 20 MHz de bande, c'est-à-dire en tenant compte du taux de compression du temps de 200 réalisé en mémoire, l'analyse de Fourier à I kHz près des tranches de I msec et de 100 kHz de bande provenant des 100 modules de réception. Ce nouveau signal est numérisé après démodulation complexe (détection amplitude-phase) sous 8 bits d'amplitude et 20 MHz de fréquence-horloge dans un convertisseur analogique-numérique tel que CAN2, sur chacune des voies sinus et cosinus, pour entrer dans une nouvelle mémoire M2 de 10000 points de 16 bits organisée en numéro de module de réception (de 1 à 100) et en fréquence-Doppler (100 points de I kHz). On peut considérer cette dernière mémoire comme formée de plans de fréquence Doppler, chacun de ces plans représentant à la fréquence considérée l'antenne de réception constituée de 10 x 10 modules ou points de réception. Une fois ce filtrage Doppler effectué, une transformée de Fourier bidimensionnelle (ou 2D) de (10 x 10) points transforme le plan des 10 x 10 points de l'antenne en 10 x 10 faisceaux ou voies de réception simultanés. Cette transformée 2D doit être effectuée en 10 lisec, afin qu'un seul transformateur 2D puisse calculer en I msec les voies relatives aux 100 fréquences Doppler. Ce transformateur de Fourier à deux dimensions peut être constitué, comme représenté sur la figure 7: - d'un transformateur à une dimension T1 de 10 points réalisé en technologie numérique câblée dite "en place" et fonctionnant au rythme de 100 nsec par échantillon (10 MHz), soit une transformée de 10 points réalisée en I lisec, suivi: - d'une mémoire M3 de 10 x 10 points servant à écrire les 10 résultats de 10 points en lignes pour les relire en colonnes, suivie: - d'un deuxième transformateur à une dimension T2 de 10 points identique au premier. Les résultats issus de cette transformation 2D sont entrés dans une nouvelle mémoire M4 de 10000 points de 16 bits au rythme de 10 MHz, à une adresse qui correspond au numéro 0i de la voie de réception ainsi formée (de I à 100) et à la fréquence Doppler Fdi correspondante (de I à 100). Cette mise en mémoire termine le traitement linéaire du signal radar reçu pendant I msec. Une opération de détection effectuée après une normalisation spatiale dans chacun des plans de fréquence Doppler permet d'ex- traire "l'imagerie des cibles" c'est-à-dire leurs positions angulaires et leurs vitesses radiales. Pour af finer la mesure de vitesse par la mesure de la f ré- quence Doppler, on accumule après détection les 16 résultats d'amplitudes et de phases obtenus à partir des 16 impulsions de même fréquence émises lors de la première séquence. Les 16 résultats d'amplitudes et de phases obtenus à partir de la deuxième séquence permettent alors de calculer la distance fine des cibles connaissant leur vitesse. REVENDICATIONS 1. Analyseur de spectre de "n" signaux de bande B et de durée T, caractérisé en ce qu'il comporte: - des moyens de conversion analogiquenumérique (CAN1) des "n" signaux à analyser, fonctionnant à une fréquence nB, et opérant sur l'ensemble des "n" signaux à analyser, pendant une durée T, par multiplexage dans le temps: - des moyens de stockage (M1) des échantillons numérisés ainsi obtenus, définis à la fois par leur rang dans une séquence d'échan- tillons de durée T relative à un signal à analyser, et par le numéro de ce signal à analyser; - des moyens d'adressage en écriture et en lecture de ces moyens de stockage (M!), permettant une écriture, à une fréquence nB, en priorité par rangs d'échantillons, et, pour un rang d'échantillon donné, par numéros de signaux à analyser, et une lecture, à une fréquence 2nB, en priorité par numéros de signaux à analyser, et, pour un numéro de signal à analyser donné, par rangs d'échantillons; - des moyens de conversion numérique-analogique (CNA) des échan- tillons numérisés ainsi lus, fonctionnant à une fréquence 2nB; - un analyseur de spectre analogique (AS), de bande 2nB, réalisant successivement une analyse spectrale des "n" signaux, pendant une durée T. 2. Utilisation d'un analyseur de spectre suivant la revendi- cation 1, pour effectuer un filtrage Doppler sur les signaux issus de l'ensemble des éléments rayonnants d'une antenne de réception dans un autodirecteur de missile du type à antennes d'émission et de réception distinctes et fixes, muni par ailleurs d'une antenne d'émission de diagramme relativement large émettant une onde quasi- continue, et de moyens de formation de faisceaux associés à l'antenne de réception, permettant une exploration instantanée de l'espace couvert par le faisceau d'émission. 3. Analyseur de spectre selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de formation de faisceaux comportent un transformateur de Fourier à deux dimensions comportant lui-même; - un premier transformateur de Fourier (T1) à une dimension de n1 points (avec n = n x n2) opérant sur n échantillons issus de l'ana- lyseur de spectre selon la revendication 1, relatifs à une même fréquence Doppler, et fonctionnant à une fréquence nB; - une mémoire (M3) de n1 x n2 points servant à écrire les n2 résultats de nI points issus de ce premier transformateur, en lignes, pour les relire en colonnes; - un deuxième transformateur de Fourier (T2) à une dimension de n2 points opérant sur les échantillons ainsi lus dans cette mémoire et fonctionnant également à une fréquence nB.