Brevet FR2717904A1 — publié le 19950929

La présente invention concerne des systèmes de radar à ouverture synthétique et spécialement bien que non exclusivement les radars à observation latérale sur porteurs aériens, par exemple sur les avions. Un principe connu pour améliorer la résolution d'un radar à observation latérale utilise une série de positiorn aériennes de réception auxquelles les retours de signal d'une cible éloignée sont reçus lors du déplacement du porteur aérien le long de son chemin de vol, pour engendrer une ouverture d'axe rien de réception effective ou synthétique qui peut être considérablement plus large que l'ouverture réelle de l'aérien récepteur monté sur le porteur aérien. Selon ce principe la série de retours de radars est pondérée en phase par une série de facteurs de pondération choisis pour effectuer une corrélation des retours avec la fonction constituée par la série de facteurs de pondération engen- drant ainsi des signaux tels qu'ils seraient obtenus à l'aide d'un aérien ayant les dimensions de ladite ouverture synthétique. Il--a déjà été proposé de faire cette corrélation par des méthodes optiques. Selon l'invention on a prévu un système de radar à ouverture synthétique comprenant des moyens d'émission pour illuminer, à partir d'une station mobile, une surface qui peut comprendre une cible, des moyens de réception à ladite station mobile pour recevoir une série de signaux renvoyés à partir de ladite cible lorsque la station mobile se déplace par rapport à la cible, et des moyens de corrélation comprenant des moyens de retard dispersif en fréquence, pour agir sur une phase d'onde porteuse modulée en fonction des phases des signaux renvoyé s pour fournir des signaux de sortie indiquant la distance et le gisement de la cible par rapport à la station. Afin de bien comprendre l'invention on va maintenant la décrire en référence aux dessins en annexe dans lesquels: La figure 1 montre un système de coordonnées utilisé pour l'explication des principes de l'invention; La figure 2 montre un diagramme de fréquence, utilisé pour l'explication des principes de l'invention; La figure 3 montre un exemple d'appareillage de corrélation pour un radar à ouverture synthétique selon l'invention; La figure 4 montre en détail une partie de l'ap pareillage montré dans la figure 3; La figure 5 montre un dispositif pour le stockage des données utilisable dans l'appareillage de la figure 3;et La figure 6 montre un dispositif pratique d'appareillage de corrélation pour un radar selon l'invention. Sur la figure 1 on considère un porteur aérien transportant un émetteur-récepteur radar, se déplaçant unifor; mément le long d'un chemin de vol linéaire Ox, 0 étant l'origine de la coordonnée distance x le long du chemin de vol. Une cible T située sur la droite du chemin de vol soustend à un point P une normale de longueur R au chemin de vol, P étant x x à une distance x de l'origine 0 et R représentant la distance de la cible. Si on suppose le radar aérien situé à un point P (x) sur le chemin de vol et si on suppose le lobe principal du diagramme de directivité de l'aérien disposé à un angle + ss /2 autour de la normale du chemin de vol en P, il sera apparent que la cible T renverra des signaux de retour radar vers l'aérien à un nombre de positions P compris dans la distancez R (pour des faibles valeur dep ) le long du chemin de vol, c'està-dire pour (x - i ss R) i OP(x) 6 (x + ss R) il est nécessaire que l'énergie émise à partir du porteur aérien soit fortement cohérente de sorte que toute les ondes émises ont une phase commune 5'. Les ondes renvoyées ont alors une phase () + G ) où 9 est une phase dépendant du chemin parcouru par l'onde de retour. L'onde de retour est donc représentée par Ae J (# + #) pour une cible à une distance déterminée. Pour fournir une sortie dans un radar à ouverture synthétique un certain nombre de retours radar est prélevé à une série de positions aériennes également espacées dont Pn en est une typique et donne un retour correspondant An e j ('' + +Sr) le changement de phase i des retours d'un point cible P dans l'ouverture relativement à la phase des retours au centre de l'ouverture est maintenant donné par ou 1 est la distance à partir du centre de l'ouverture et A est la longueur d'onde de l'e'metteur. Pour "focaliser" les retours reçus par l'ouverture synthétique pour une distance particulière, ils sont corrélés avec la fonction de phase de référence parabolique i pour une cible. Chaque retour à un point tel que n est pondéré en phase par un facteur respectif F (xn) qui est égal et opposé à la phase correspondante > n et la somme qui s'ensuit 5x est formée, dans l'ouverture, pour des points P. à Pi+n symétriquement disposés autour du point Px F (xn) peut maintenant être écrit W n e-j#n et il s'ensuit que la somme v peut être écrite puisque Quand tous les retours d'un point cible P sont reçus comme montré à la figure 1 à des points échantillonnés Pn à l'intérieur de l'ouverture synthétique, la somme corrélée Sx engendrera un pic de sortie indiquant la présence de la cible, puisque les phases 9 et + seront égales et opposées à chaque point de prélèvement P n dans l'ouverture. La distance sur laquelle s'effectue la sommation Sx est alors effectivement décalée le long de l'axe des x d'une position de prélèvement tel que de Pi à Pi + 1 et la somme S est reformée dans les mêmes limites utlisant la même fonction F (xn). Une série de telles sommes doit produire une sortie indiquant les signaux d'une ouverture synthétique large de N intervalles de prélèvement se déplaçant le long de l'axe des x. Pour obtenir une résolution uniforme pour la corrélation à chaque cellule de distance, on peut montrer que la largeur d'ouverture synthétique ( de Pi à Pi+N) doit être directement proportionnelle à R. Donc si la largeur de l'ouver ture synthétique requise pour une cellule de distance particulière est décrite comme 2 l max,alors lmaX est proportionnel à R .... (ii). Alternativement, et selon les principes de l'invention, si l'on considère la position P de l'aérien dans l'ou- verture synthétique (P. à Pi+N), les retours d'un point cible T sont communiqués avec un décalage de fréquence doppler fT où fT = 2 Vl # R .....(III) qui représente un changement de fréquence doppler linéaire par rapport au temps ou à l'espace dans l'ouverture synthétique (en supposant que le porteur aérien se déplace à distance constante V). Bien que d'après l'équation III, fT apparaisse inversement proportionnelle à R, on peut voir que l'excursion de fréquence des retours à travers l'ouverture requise 2 1 maux pour chaque distance est constante, puisque d'après l'équation II, lmaX est directement proportionnelle à R. Un diagramme T à l'intérieur de l'ouverture synthétique requise pour une distance R est représenté en fonction de la position sur le chemin de vol x dans la figure 2 pour des distances R1 et R2 où R1 > R2. Selon l'invention les retours échantillonnés à des points P n dans l'ouverture synthétique requise pour une distance donnée, sont appliqués à un filtre ayant une courbe de réponse adaptée aux caractéristiques de fréquence des retours doppler d'une cible à cette distance, et la sortie du filtre est équivalente à la somme corrélée Sx dans l'ouverture. Une ligne à retard dispersif en fréquence typique a une caractéristique fréquence-retard représentée par la ligne tiretée de la ligne 2. Pour adapter la pente df de la caractéristique fréquence-retard du filtre à celle des retours doppler, il faut que df = - dfT dt dt (in) dfT varie selon la distance et pour des filtres selon la dt technique antérieure dfT dt dt des données des retours appliqués au filtre dépend de la cellule de distance à examiner. D'après l'équation III, dfr -2 V2 dt = Si les retours sont prélevés à des points Pns également espacés par des distances t x, le débit de données réel P des retours à travers l'ouverture synthétique est donné par p = V #x donc dfT = -2 p 2 -2 R (v). On peut voir après les équations IV et V que le filtre peut avoir une caractéristique de fréquence de filtre adaptée à différentes cellules de distance si un nouveau débit de donnée p' appliqué au filtre est choisi tel que p' proportionnel à ~ (VI). Une ligne à retard dispersive en fréquence a un retard directement proportionnel à la fréquence propagée sur cette ligne comme indiqué par la ligne tiretée de la figure 2, et donc si les retours successifs prélevés dans l'ouverture synthétique sont appliqués à un débit p' pour une cellule de distance particulière de façon à moduler en phase une onde porteuse propagée le long de la ligne à retard, alors la sortie du retard est équivalente à la somme Sx pour cette cellule de distance. On verra que la largeur de bande des données fournies à la ligne à retard variera comme V7 en fonction de la distance si une résolution constante est demandée dans chaque cellule de distance. Selon un exemple de l'invention une série de retours tel) que A. e j(-r çi+n) est enregistrée sur i+n i+n est enregistrée sur une bande magnétique pour une série de positions le long du chemin de vol, les retours étant enregistrés par exemple par des nombres digitaux à trois bits indiquant les composantes vidéo en phase et en quadrature de phase Ai+n cos # i+n et Ai+n sin 6 i+n La bande magnétique peut être traitée à bord du porteur aérien ou être ramenée au sol et lue dans un ensemble de stockage de données comprenant par exemple, des disques magnétiques comme montré globalement en 1 sur la figure 3. Pour corréler les signaux à partir d'une ouverture particulière le long du chemin de vol, les signaux à trois bits indiquant Ai cos #i jusqu'à A. coss i+N sont lus dans les étages successifs respectifs d'un registre à décalage 2 tandis que les signaux cor respondants indiquant A.sine i à Ai+N sin 9 sont lus dans i i+N les étages similaires d'un registre à décalage 3. Les sorties des registres à décalage 2 et 3 sont actionnées à une vitesse p' dépendant de la cellule de distance à examiner, et sont appliquées à des convertisseurs analogiques digitaux 4 et 5 respectivement, dont les sorties sont lissées par des filtres d'interpolation passe-bas respectifs 6 et 7 pour fournir un signal continu indiquant le balayage de fréquence des retours dans l'ouverture synthétique. Les sorties en quadrature des filtres sont appliquées aux modulateurs respectifs 8 et 9 pour moduler en phase les signaux porteurs en quadrature de fréquencec;u dérivés d'un oscillateur local 10 et un décaleur de phase 11 de Tu/2. Les sorties des modulateurs 8 et 9 sont de la forme générale A (t) cos 9 (t) coswt, et A(t) sin & (t) sin cut, respectivement et sont sommées dans un amplificateur opérationel 12 pour fournir des signaux représentant A (t) cos (urt -e (t)) qui est la porteuse modulée selon la phase du retour et ayant une amplitude correspondant à celle du retour. La sortie de l'amplificateur 12 est appliquée à une ligne à retard dispersive en fréquence 13 qui peut être du type à ondes de surfaceacoustiques selon la technique antérieure, et dont la sortie est envoyée à un démodulateur 14 à travers un amplificateur 15 et un filtre passe-bande 16 à bande variable. Dans le fonctionnement l'horloge 17 actionne les registres 2 et 3 à une fréquence p' proportionnelle à E pour la cellule de distance à examiner, et la sortie de la ligne à retard 13 comprend une porteuse de fréquence w , modulée en amplitude par la somme corrélée appropriée Sx. La valeur maximum de la gamme de fréquence p' est choisie pour être adaptée à df pour la ligne à retard particulière, la largeur de dt bande de la ligne à retard étant choisie pour englober la largeur de bande des données qui lui sont appliquées pour la distance maximum de façon à obtenir la résolution demandée. Ce signal est démodulé par le démodulateur 14 pour fournir un signal indicatif de Sx qui représente un retour d"une ouverture synthétique large de N espaces entre prélèvements. L'excursion de fréquence maximum appliquée à la ligne à retard à ondes acoustiques de surface 13 croît avec la distance en W et par conséquent pour accroître le rapport signal/bruit de la sortie retardée, le filtre 16 est choisi pour passer simplement une largeur de bande adaptée à la cellule de distance examinée. Pour que l'appareillage représenté à la figure 2, puisse fournir des signaux de sortie représentatifs d'une cellule de distance, l'ensemble de stockage de données 1 et les registres à décalage globalement représentés en 1, 2 et 3 de la figure 3 peuvent comprendre pour chaque cellule de distance un banc de six circuits parallèles, un par bit appliqué aux convertisseurs analogiques et digitaux 4 et 5 (on a pris trois bits par échantillon en quadrature simplement à titre d'exemple) Pour L cellules de distance, L bancs de six circuits doivent être utilisés comme montré à la figure 4 (blocs individuels S1 à SL respectivement). Les registres à décalage S1 à SL stockent chacun une série de signaux représentant les retours successifs aux points de prélèvement respectifs tels que P n provenant par exemple d'une bande vidéo. Le registre S1 conserve les signaux à corréler indicateurs d'une cellule de distance la plus éloignée,tandis que le registre SL conserve les signaux à corréler pour former des signaux représentant la cellule de distance la plus proche. Les registres à décalage S1 à SL retiennent suffisamment d'information pour produire une carte des X + 1 points successifs tels que Pxw la somme corrélée Sx étant formée pour L différentes cellules de distance à chacun des M + 1 points. Comme décrit précédemment, le nombre N d'échantillonnages du retour nécessaires pour faire la corrélation 5x en un seul point Px décroît avec la distance et peut être écrit N (R). Par conséquent, pour réaliser la corrélation pour M + 7 points successifs comme Px, il sera apparent que M + N (R) retours doivent être stockés pour chaque distance, et les dimensions des registres S1 à SL sont choisies pour stocker exactement ce nombre de retours pour leur distance particulière. Les sorties des registres S1 à SL sont connectées aux mémoires tampon respectives B1 à BL qui peuvent être action nées à une cadence rapide p', où p' provient de l'équation VI pour la cellule de distance appropriée. Les sorties des mémoires tampon passent séquentiéllement par la porte logique 17', dont la sortie est appliquée à l'une des entrées de bit des convertisseurs analogiques-digitaux 4 et 5. Les six circuits similaires de chaque banc sortent en parallèle par des portes logiques pour réaliser les canaux "sinus" et "cosinus" décrits en référence à la figure 4. Dans le fonctionnement, les signaux provenant de la bande vidéo représentant les retours transmis selon la distance à partir d'une succession de points d'échantillonnage P n sont successivement lus dans les registres respectifs S1 à SL à une cadence continue. Ces retours transmis selon leur distance peuvent cependant provenir directement du récepteur radar. Quand les registres sont pleins on s'arrange pour transmettre leur contenu aux mémoires-tampon respectives qui sont actionnées successivement à une cadence respective p' correspondant à la cellule particulière de distance. La ligne à retard 13 (non représentée à la figure 4) reçoit donc une série de groupes de signaux à pondérer, chacun étant représentatif d'une cellule de distance différente avec (M + N) points sur le graphe. La ligne à retard fournit une série de sorties successives, chaque sortie de la série comprenant une section représentative de N - 1 échantillons incomplètement corrélés suivie d'une section représentative de la somme corrélée Sx pour une région du plan couverte par M + 1 points avec à la fin une nouvelle section incomplètement corrélée, les sorties séquentielles étant chacune représentative d'une cellule de distance respective pour la région. Des portes logiques (non représentées) servent à transmettre les ensembles de (N-1) signaux incomplètement corrélés pour chaque distance. Pour que M + 1 points successifs supplémentaires puissent être traités par la ligne à retard, les dernières (N(R) -1) sorties de chacun des registres S1 à SL sont renvoyées à leurs entrées respectives et une nouvelle séquence supplémentaire de (N + 1) points est introduite dans les registres S1 à SL à partir de la bande vidéo et le processus est repété. Une carte d'un domaine sur le côté du chemin de vol est par conséquent formée en sections successives longues de N + 1 poihts du graphe et larges de L cellules de distance. La figure 5 montre un exemple d'appareillage selon un exemple de l'invention pour stocker les sorties de la ligne à retard 13 pour une série de cellules de distance à une série de positions Px obtenues en utilisant l'appareillage du type représenté à la figure 2. La sortie de la ligne à retard 13 est appliquée à un filtre 16 et au démodulateur 14 décrit en référence à la figure 3, dont la sortie est elle-même appliquée à un convertisseur analogique digital 18. La sortie du convertisseur 18 est transmise par un dispositif de commutation à une série de registres à décalage T1 à TL de dimensions égales un par cellule de distance > de sorte que la distance R croisse de T1 à TL. Lorsque des signaux de sortie successifs proviennent du démodulateur14 le convertisseur 18 produit des signaux digitaux qui les représentent, à une cadence d'échantillonnage p' proportionnelle à > pour la cellule représentée par les signaux de sortie. Les signaux pour chaque distance pour une position particulière P sur le chemin de vol sont x appliqués à un registre à décalage respectif T1 à TL. Une série de signaux pour chaque cellule de distance est donc stockée dans les registres à décalage T1 à TL représentant les retours provenant d'une ouverture synthétique centrée à une série de points successifs Px le long du chemin de vol, et par conséquent la matrice des points dans les registres représente une carte de la région à la droite du chemin de vol représentée figure 1. Afin de tracer cette carte les sorties des registres pourraient être lues séquentiellement et disposées de façon à moduler les rayons d'un tube cathodique. Une représentation visuelle de la carte peut être enregistrée sur film photographi-,; que. En pratique il est difficile de construire un réseau de registres à décalage tel que S1 à SL comme représenté à la figure 4 ayant différentes dimensions pour chaque cellule de distance, et normalement des registres de dimension égale sont utilisés avec par conséquent un accroissement inutile d'espace de stockage. La figure 6 montre un exemple de l'invention qui utilise de tels registres de longueurs égales et combine les fonctions des registres S et T pour optimiser la place disponible. Le dispositif de stockage 19 comprend pour L cellules de distance des ensembles de six registres à décalage parallèles de longueurs égales, chaque registre étant connes té à une mémoire-tampon globalement représentée en 20 à travers un dispositif de commutation 21. La sortie de la mémoire-tampon 20 est appliquée à un circuit comprenant deux convertisseurs digitaux analogiques trois bits tels que 4 et 5 et comprenant les éléments 6 à 16 représentés à la figure 3. On appellera ce circuit global le corrélateur 22. La sortie du corrélateur 22 est appliquée à un convertisseur digital analogique 23 à six bits; et disposée pour former un signal conjointement avec l'entrée du corrélateur, retardé par la ligne 25, à travers la porte 24. La sortie de la porte 24 est renvoyée à l'entrée du dispositif de stockage 19. Les registres du dispositif de stockage 19 sont tous de longueur égale c'est-à-dire (M + N (R) ) pour la distance maximum à traiter. En fonctionnement, des signaux digitaux représentant Ai+n cos # i+n et Ai+n sin # i+n sont sortis des registres du dispositif de stockage 19 à une cadence rapide, par exemple un MHz et sont appliqués aux mémoires-tampon respectives 20, où l'information est envoyée séquentiellement pour chaque cellule de distance à la cadence requise p' proportionnelle à et et appliquée au corrélateur 22 qui agit essentiellement comme décrit en référence à la figure 3. Les sorties pondérées de ce corrélateur sont numérisées dans le convertisseur 23 pour former des mots de six bits.Pour chaque cellule de distance, les M + 1 signaux digitaux de cartographie représentatifs de la série de sommes corrélées Sx venant du convertisseur 23 sont appliqués par la porte 24 à l'entrée de l'ensemble des registres à décalage d'où les retours qui les composent étaient stockés dans le dispositif de stockage 19. La porte 24, choisit alors les dernières N - 1 entrées du corrélateur 22 qui ont été retardées par la ligne à retard 25 et de même les applique au même ensemble de registres du dispositif de stockage 19 que pour les sorties de catographie formées par là. Après que le contenu de chaque ensemble de registres du dispositif de stockage 19 ait été appliqué au corrélateur 22 le dispositif de stockage 19 est rempli d'un ensemble de M + 1 sorties de cartographie pour chaque ................................... cellule de distance, suivi par (N - 1) retours utilisés pour engendrer les sorties de cartographie. Comme décrit en référence à la figure 4 les (N - 1) signaux sont utilisés avec M + 1 retours additionnels transmis selon la distance pour produire une longueur additionnelle de carte large de M + 1 espaces entre prélèvements, et par conséquent un ensemble supplémentaire de retours d'entrée est introduit dans le dispositif de stockage 19. Le commutateur 21 est disposé de façon à diriger les sorties des registres vers une mémoire -tampon 26 de sorte que lorsque les nouvelles entrées sont introduites dans le dispositif de stockage, les sorties précédentes de cartographie pour chaque cellule de distance sont introduites dans la mémoiretampon 26 et par la suite vers un dispositif d'affichage comme un tube à rayon cathodique tel que décrit ci-dessus. Les autres contenus du dispositif de stockage 19 sont alors appliqués à la mémoire-tampon 20 pour accomplir le cycle suivant de l'appareil. D'autres modes d'éxécution de l'invention apparateront à l'homme de l'Art, par exemple, au lieu d'utiliser des registres à décalage digitaux et des convertisseurs digitaux on peut utiliser comme registres à décalage analogiques des dispositifs à transfert de charge. La ligne à retard dispersif en fréquence mentionnée ci-dessus n'est pas nécessairement une ligne à retard à ondes acoustiques de surface. Elle peut être de n'importe quel type selon l'art antérieur par exemple une ligne à retard à ondes dans la masse. Alternativement, des filtres transversaux peuvent être utilisés et dans ce cas la sortie de signaux analogiques des filtres 6 et 7 (figure 3) est échantillonnée pour donner des échantillons en phase et en quadrature de phase, à une cadence 1/B oh B représente la largeur de bande du filtre de bruitage simulé. Comme précédemment cette valeur est déterminée par p' et le filtre doit être adapté au signal à la distance maximum. REVENDICATIONS 1) Système de radar à ouverture synthétique caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens d'émission pour illuminer à partir d'une station mobile une surface qui peut comprendre une cible, des moyens de réception à la station mobile pour recevoir une suite de signaux renvoyés par la cible lorsque la station se déplace par rapport à la cible et des moyens de corrélation comprenant des moyens de retard dispersif en fréquence pour agir sur la phase d'une onde porteuse modulée selon les phases des signaux de retour pour fournir des signaux de sortie représentatifs de la distance et du gisement de la cible par rapport à la dite station. 2) Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de retard dispersif en fréquence comprennent une ligne à retard à ondes acoustiques de surface. 3) Système selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens pour faire varier la cadence à laquelle l'information est appliquée auxdits moyens de retard dispersif en fréquence selon la distance d'où sont renvoyés les signaux de retour sur lesquels porte ladite information. 4) Système selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ladite information est appliquée sous forme digitale à un dispositif de stockage digital et est introduite dans ce dispositif à une cadence proportionnelle à la racine carrée de ladite distance. 5) Système selon la revendication 4 caractérisé par le fait que le dispositif de stockage digital comprend un banc de n registres à décalage connectés en parallèle pour chacun des éléments de distance de résolution. 6) Système selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la capacité de stockage des registres dans chaque banc est en proportion avec la quantité d'informations à stocker relativement à l'élément de distance respectif auquel le banc se rapporte. 7) Système selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les capacités de stockage de tous les registres sont les mêmes.