Brevet FR2723209A1 — publié le 19960202

Dispositif pour l'écartornétrie de quatre brouilleurs de confusion. L'invention concerne le traitement de signaux électromagnétiques issus de brouilleurs de confusion. Dans la Demande de Brevet NO 87 07156, la Demanderesse a proposé un dispositif de réception et de traitement de signaux électromagnétiques issus de plusieurs brouilleurs de confusion distincts, dispositif qui comprend - un aérien, en particulier du type monopulse, agencé en plusieurs parties, - des moyens de réception travaillant en parallèle sur différentes voies issues des différentes parties de l'aérien, - de premiers moyens de traitement travaillant sur ces différentes voies, et, pour chacune d'entre elles, selon des portes d'analyse en distance et/ou Doppler, et - de seconds moyens de traitement recevant les sorties des premiers moyens de traitement. Le but d'un tel dispositif est de résoudre le problème qui se pose lorsque plusieurs brouilleurs de confusion sont perçus simultanément dans le lobe principal de l'aérien d'un dispositif de poursuite. Ce cas se rencontre lorsqu'un autodirecteur reçoit dans le lobe principal de son antenne des brouillages émis par plusieurs avions volant en formation. A partir d'un aérien quadrangulaire, la Demande de Brevet antérieure enseigne comment l'on peut réaliser le calcul des directions (écartométrie) de deux brouilleurs, dans le cas général. La présente invention vient apporter une amélioration cons il dérable, dans la mesure où elle permet de réaliser les écartométries de quatre brouilleurs, à partir d'un aérien comportant quatre parties. Le dispositif utilisé à cet effet est du type défini plus haut. Selon une caractéristique de l'invention, l'aérien comporte quatre centres de phase respectivement situés aux sommets et au barycentre d'un triangle équilatéral, définissant quatre voies pour les moyens de réception et les premiers moyens de traitément; les seconds moyens de traitement construisent au moins une voie supplémentaire, relative à un centre de phase fictif, défini comme le symétrique de l'un des sommets du triangle équilatéral par rapport à son barycentre. Ceci permet de disposer d'une matrice de covariance carrée d'ordre 5. Avec un aérien possédant la structure ci-dessus (que l'on appellera ci-après "triangulaire"), il apparaît que les éléments de la matrice relatifs au centre de phase fictif sont pour la plupart déductibles de ceux des centres de phase matériels de l'aérien. I1 reste dans cette matrice un élément manquant. Cet élément manquant peut être calculé à partir de la relation supplémentaire fournie par la nullité du déterminant de la matrice, en présence de quatre brouilleurs. En effet, comme l'appréciera l'homme de l'art, une matrice à cinq colonnes définie à partir de quatre signaux indépendants possède par principe un déterminant nul. On peut alors réaliser une écartométrie sur quatre brouilleurs, c'est-à-dire sur un nombre de brouilleurs égal au nombre de centres de phase de l'aérien considéré. Dans une première manière de mettre en oeuvre l'invention, on considère que les imprécisions de mesure se réduisent au bruit thermique, et que ce bruit thermique est négligeable. Le calcul de ltélément manquant de la matrice de covariance peut alors s'effectuer en tenant compte du fait que les solutions complexes de la relation supplémentaire se réduisent à un point du plan complexe, en présence de quatre brouilleurs. On observera en effet qu'en l'absence de bruit thermique, ces solutions se situent sur un cercle de rayon nul dans le plan complexe. Une variante plus perfectionnée de l'invention peut opérer même lorsque le bruit thermique n'est pas négligeable. Dans ce cas, les seconds moyens de traitement peuvent construire d'autres matrices de covariance carrées d'ordre 5, complétées des centres de phase fictifs, d'une manière différente de la première, éventuellement en omettant un ou plusieurs des centres de phase matériels de l'aérien. On dispose ainsi d'autres relations supplémentaires. Les seconds moyens de traitement peuvent aussi définir des relations supplémentaires de la manière suivante : le bruit thermique qui vient s'ajouter aux éléments diagonaux de la matrice peut être déterminé en remarquant qu'à bruit thermique absent (ou négligeable), les solutions se trouvent sur un cercle de rayon nul. A l'aide de ces moyens, on peut réaliser l'écartométrie de quatre brouilleurs, même en présence de bruit thermique. Pour ce qui la concerne, l'écartométrie des brouilleurs est effectuée à partir d'une équation à deux variables (u, v) définies comme les déphasages perçus par l'aérien en fonction des cosinus directeurs de chacun des brouilleurs. I1 a été observé que cette relation est du second degré pour l'une des variables (u). Ces solutions peuvent alors être calculées sur cette variable, compte tenu aussi du fait que l'on sait que le module complexe de deux variables est égal à l'unité. Dans certains cas, on peut se trouver en présence d'ambiguités. Les seconds moyens de traitement peuvent alors utiliser le troisième centre de phase fictif disponible dans la structure triangulaire pour éliminer ces éventuelles ambiguités. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est le schéma de principe d'une antenne triangulaire telle qu'utilisée selon l'invention; - la figure 1A est un schéma de la même antenne, mais avec illustration de ses centres de phase fictifs; - la figure 1B est une représentation des positions des centres de phase dans un repère à deux dimensions situé dans le plan de l'antenne; et - la figure 2 est le schéma de principe d'un dispositif électronique pour la mise en oeuvre de l'invention. Les dessins annexés sont, pour l'essentiel, de caractère certain. En conséquence, ils pourront non seulement servir à mieux faire comprendre la description ci-après, mais aussi contribuer à la définition de l'invention, le cas échéant. La présente invention vient apporter un perfectionnement important à l'objet de la Demande de Brevet antérieure N" 87 07156 du 21 Mai 1987. Une partie de ce qui a été décrit dans cette Demande de Brevet antérieure ne sera pas reprise ici en détail. A toutes fins utiles, le contenu descriptif de la Demande de Brevet antérieure est à considérer comme incorporé à la présente description. Dans la Demande de Brevet antérieure, il était fait usage d'un aérien de structure quadrangulaire. La figure 1 montre que la présente invention recourt à un aérien d'une structure que l'on appellera "triangulaire". L'aérien A comporte une partie centrale Al, par exemple circulaire, entourée de trois secteurs de disques A2, A3 et A4, s'étendant chacun sur 1200. Les centres de phase AC2 à AC4 des parties d'antenne A2 à A4 forment un triangle équilatéral, dont le centre de phase AC1 de la partie centrale Al est le centre de gravité ou barycentre. Sur la figure 1B, où a désigne le rayon du cercle de centre AC1 sur lequel se trouvent les centres de phase AC2 à AC4, il apparaît que le centre de phase AC2 possède une abscisse a3 et une ordonnée - a que le centre de phase AC3 possède 2 l'abscisse 0 et une ordonnée a, et que le centre de phase AC4 possède l'abscisse - a23 3 et l'ordonnée - a 2 Les centres de phase matériels de l'antenne sont illustrés par un petit cercle plein. La figure 1B montre également des centres de phase fictifs AF5 à AF7, illustrés par un cercle blanc. Ces centres de phase fictifs sont définis à chaque fois comme le symétrique d'un centre de phase matériel par rapport au point O, c'est-à-dire au centre de phase AC1 de l'élément central Al de l'antenne. Les signaux perçus par les parties d'antenne Al à A4 sont appliqués aux entrées de même nom du dispositif électronique de la figure 2. Semblable à la figure 4 de la Demande de Brevet antérieure, cette figure 2 sera maintenant décrite brièvement. Les signaux Al à A4 sont appliqués à des moyens de réception MR qui comportent tout d'abord quatre tés magiques TM1 à TM4, disposés pour fournir une sortie U1 de signal somme, (maximum pour un signal incident dans l'axe de l'antenne) et trois sorties de signal différence (s'annulant pour un signal incident dans l'axe de l'antenne). La sortie des signaux somme est appliquée à un circulateur CR excité, pour l'émission, par un amplificateur d'émission CE, opérant à partir d'un étalon de fréquence SF. La sortie de réception du circulateur CR et les sorties U2 à U4 sont respectivement appliquées à des amplificateurs de réception AR1 à AR4, suivis de mélangeurs MH1 à MH4. Les signaux locaux de ces mélangeurs sont définis par un distributeur DHI, alimenté par un oscillateur local OL, opérant sur une fréquence définie à partir de l'étalon SF. Les sorties des mélangeurs MH1 à MH4 sont appliquées à des commutateurs SD1 à SD4, augmentés d'un commutateur supplémentaire SD0 permettant l'élaboration d'une voie supplémentaire pour l'écartométrie distance. On rappellera ici que le dispositif selon l'invention est destiné à fonctionner notamment sur un autodirecteur Doppler (ou à portes distance). Les voies SD1 à SD4 sont donc des voies de filtrage fréquentiel (ou des voies distance). Un circuit CAD définit des portes distances,en fonction desquelles est établi l'état des commutateurs SD0 à SD4. La sortie du commutateur SD0 est appliquée à un circuit d'écartométrie distance. La sortie de celui-ci, et les sorties des commutateurs SD1 à SD4, sont respectivement appliquées à des amplificateurs AHO à AH4, suivis d'autant de mélangeurs MM0 à MM4. Le signal local de ces mélangeurs est fourni par un circuit de transposition en moyenne fréquence TMF, qui peut fonctionner à partir de l'étalon de fréquence SF, si on le désire. Les sorties des mélangeurs MM0 à MM4 sont appliquées à des amplificateurs de moyenne fréquence intermédiaire AMO à AM4, suivis de filtres à bande étroite FF0 à FF4, puis de convertisseurs analogiques/numériques CANO à CAN4. La sortie de ces convertisseurs est appliquée à un automate microprogrammé propre à une analyse de Fourier, noté AAF. L'ensemble des circuits allant des commutateurs SD à cet analyseur AAF fait partie des premiers moyens de traitement MT. L'automate AAF est relié par deux bus directionnels à un processeur MPT qui forment les seconds moyens de traitement. Comme précédemment, en mode acquisition, le signal de la voie somme issu du mélangeur MH1 est redistribué par les commutateurs SD0 à SD4 au niveau de toutes les voies de réception. Ceci permet de couvrir tout le domaine d'acquisition en distance ambiguë sans perte d'information. En mode poursuite, l'écartométrie distance peut continuer à se faire, mais en utilisant simplement la voie somme, prélevée alors par l'autre position du commutateur SD0. La mise en oeuvre de l'invention s'effectue sur les voies issues des commutateurs SD1 à SD4, comme on le verra maintenant. On suppose ici que le dispositif est passé en mode de poursuite, et qu'il se trouve en présence de plusieurs brouilleurs de confusion distincts. La Demanderesse a développé les observations qu'elle avait faites au moment de sa Demande de brevet antérieure. Les signaux reçus émanent de plusieurs brouilleurs de confusion opérant à large bande. Une fois que les signaux sont arrivés à l'entrée de l'analyseur de Fourier AAF, on peut considérer qu'ils comportent une toute petite partie (en termes de bande de fréquence) des signaux issus des différents brouilleurs. Les signaux ainsi obtenus peuvent être considérés comme gaussiens. En d'autres termes, lorsqu'on fait un filtrage à bande étroite sur des brouillages à bruit, on obtient des signaux qui sont gaussiens, en termes d'analyse statistique. On considère maintenant la fonction d'autocorrélation du signal global existant sur les quatre voies. Cette fonction peut être définie par une matrice de covariance des quatre voies, qui consiste à faire la multiplication des voies filtre à filtre, puis la sommation. Cette matrice, dont les éléments autres que la diagonale représentent l'intercorrélation entre voies, est une matrice complexe, carrée, d'ordre 4. Chacun des éléments de la matrice de covariance peut être défini par la relation I donnée dans la liste de formules annexée à la présente description. Cette relation définit que l'élément de la ligne i et de la colonne j de la matrice représente l'espérance mathématique du produit du signal Si reçu sur la voie i par le conjugué complexe du signal Sj reçu sur la voie j. I1 est rappelé que les signaux sont complexes car ils sont considérés en amplitude et en phase. Sous la référence II de l'annexe, on a représenté une matrice de covariance un peu plus élaborée. Le cadre en trait tireté de celle-ci définit la matrice de covariance associée aux quatre voies que l'on peut définir à partir des quatre parties d'aérien (Al à A4). Selon un aspect important de l'invention, les seconds moyens de traitement définis par le processeur MPT vont considérer tout d'abord un premier centre de phase fictif, par exemple le centre de phase A5 déjà mentionné, pour construire à partir de celui-ci et des quatre centres de phase matériels une matrice de covariance carrée d'ordre 5, dont l'expression complète est donnée en annexe sous la référence II. L'homme de l'art sait que l'espérance mathématique peut être élaborée concrètement comme suit - pour des filtres Doppler, par la moyenne des produits des sorties de deux de ces filtres qui sont relatifs à la même case ou bande Doppler; - pour des portes distances, par la moyenne des produits des sorties de deux de ces portes qui sont relatives à la même case ou fenêtre distance. Ladite matrice de covariance fait intervenir de telles moyennes pour tous les couples de cases (Distance et/ou Doppler) que l'on peut construire. La diagonale de la matrice représente les puissances reçues par chacun des capteurs (bruit thermique y compris). Beaucoup des éléments de la matrice MC (1,2,3,4,5) qui sont relatifs aux centres de phase fictifs peuvent être définis par les données déjà disponibles sur les centres de phase matériels. En effet, on passe par une simple translation du couple des centres de phase AC3,AC1 au couple des centres de phase AC1,AF5. Or, le champ perçu par l'antenne est invariant par translation. I1 en résulte que l'élément 1 * 5 de la matrice est égal à l'élément 3 * 1. Ce même raisonnement permet d'établir tous les éléments de la matrice, sauf 3 * 5 et 5 * 3, qui sont le conjugué l'un de l'autre. On note 3 * 5 par A et la relation III rappelle que ces éléments sont conjugués l'un de l'autre. On se rappellera maintenant que l'on est par hypothèse en présence de quatre brouilleurs. Or, la matrice de covariance MC (1,2,3,4,5) traite cinq informations. Ces cinq informations ne sont pas indépendantes. I1 en résulte que le déterminant de la matrice est nul. Ce déterminant fournit une première relation supplémentaire, du second degré, dont la variable complexe est A. On sait par ailleurs que les mesures souffriront nécessairement du bruit thermique. Si ce bruit thermique est négligeable par rapport au niveau des signaux perçus, on peut mettre en oeuvre l'invention d'une manière simple. I1 apparaît en effet que,dans ce cas, l'ensemble des solutions est situé sur un cercle de rayon nul. Cette solution se réduit donc à un point (étant rappelé que l'hypothèse est que l'on est en présence de quatre brouilleurs et que le bruit thermique est négligeable). L'usage de cette condition supplémentaire permet alors aisément de résoudre l'équation du second degré fournie par la nullité du déterminant de la matrice donnée en référence II dans l'annexe. La matrice de covariance d'ordre 5 est alors complètement définie. On verra plus loin comment elle peut être utilisée pour réaliser l'écartométrie des quatre brouilleurs. I1 convient maintenant de considérer le cas le plus général de l'invention, c'est-à-dire celui où l'on est en présence de quatre brouilleurs, mais où le bruit thermique n'est pas négligeable. On admettra que ce bruit thermique a la même puissance sur toutes les voies et est indépendant d'une voie à l'autre, ce que l'homme de l'art sait réaliser. Par rapport à la situation précédente, on a maintenant deux inconnues au lieu d'une, à savoir - l'élément matriciel 3 * 5 (par exemple), et - la puissance du bruit thermique qui intervient dans les éléments diagonaux de la matrice. On a vu précédemment que l'inconnue élément matriciel est déterminable à partir d'une matrice complétée (5 x 5) dès lors que le bruit thermique est négligeable, car les solutions sont alors sur un cercle de rayon nul. L'homme de l'art comprendra que l'on peut traiter le cas du bruit thermique non négligeable à partir des deux types de moyens suivants - astreindre les solutions à se trouver sur un cercle de rayon nul, ce qui fournit une estimation de la puissance du bruit thermique; et/ou - utiliser d'autres matrices de covariance complétées à l'aide d'autres centres de phase fictifs. Après une combinaison de ces opérations propre à résoudre toutes les inconnues, la matrice de covariance référencée II dans l'annexe est complètement définie, et peut être débarrassée de la puissance du bruit thermique, soustraite de ses éléments diagonaux. Quel que soit le moyen utilisé, on dispose donc maintenant de la matrice de covariance complète faisant intervenir les quatre centres de phase matériels AC1 à AC4 et le centre de phase fictif AFS, et débarrassée du bruit. La relation IV de l'annexe donne la définition de deux variables complexes u et v. Si alpha et bêta donnent les cosinus directeurs d'un brouilleur, u et v donnent le déphasage qui en résulte lorsqu'on passe de l'origine au point d'abscisse a3 sur l'axe OX, ou lorsqu'on passe de 2 l'origine au point d'ordonnée 2, respectivement. A partir de ces deux variables, on peut relier entre eux les signaux S1 à S4 perçus réellement par les quatre centres de phase matériels, et le signal S5 reconstitué pour le centre de phase fictif. L'expression de ces signaux S1 à S5 est donnée par les relations V de l'annexe. En bref, on prend le signal S1 comme référence. Le signal S2 est égal au signal S1 multiplié par la variable u (car l'abscisse du centre de phase AC2 est a23 ) et divisé par la variable v (car l'ordonnée du centre de phase AC2 est - a Le signal S3 2 e signal du centre de phase AC3 (d'abscisse 2 a2) est égal au signal S1 multiplié par v2. La définition des autres signaux se déduit aisément de la même manière. La relation VI donnée en annexe vient maintenant rappeler que les cinq signaux ainsi définis ne sont pas indépendants, dans la mesure où ils sont tirés de quatre brouilleurs. I1 existe donc des coefficients p, q, r et s (complexes) tels que la somme définie par la relation VI soit nulle. Si l'on substitue maintenant aux signaux S2 à S5 leur expression en fonction de S1, on obtient (après multiplication par u . v2) la relation VII. Cette relation est du second degré pour la variable u. Elle admet donc deux solutions ul et u2, qui sont deux fonctions différentes fl et f2 de la variable v. Les relations VIII rappellent que, en plus de ces deux conditions, on sait en outre que le module des variables complexes u et v est égal à l'unité. Un procédé simple pour obtenir les solutions est défini par les relations IX. On prend comme variable v, dont le module est 1, et l'on en fait varier l'argument complexe. Pour chacune des fonctions fl et f2 (notées généralement f), on cherche à minimiser la différence entre le module de cette foncton f(v) et 1. La fonction f est une fonction algébrique compliquée de v. I1 est donc concevable qu'elle fournisse plus de solutions que le nombre de brouilleurs existants (par hypothèse 4). I1 en résulte alors une ambiguité (le mot a ici son sens habituel, différent de l'ambiguité distance ou vitesse bien connue des radaristes). Les autres matrices de covariance définissables à partir des centres de phase 6 et 7 peuvent être utilisées pour éliminer ces éventuelles ambiguités. ANNEXE - FORMULES I (i * j) = Esp (Si * Sj*) II 1 * 1 1 * 2 1 * 3 1 * 4 1 * 5 = 3 * 1 MC(1,2,3,4,5)= 2 * 1 2 * 2 2 * 3 2 * 4 2 * 5 = 1 * 4 3 * 1 3 * 2 3 * 3 3 * 4 3 * 5 = A 4 * 1 4 * 2 4 * 3 4 * 4 4 * 5 = 1 * 2 5*1 5*2 5*3 5*4 5*5 =1 * 3 =4 * 1 =A* =2 * 1 III A = x + iy ; A* = x - iy VI S1 + p . S2 + q . S3 + r . S4 + s . S5 = # VII u . v2 + p. u2 . v + q . u . v4 + r . v + s . u = # VIII u1 = fl (v) U2 = f2 (v) lul = 1 lul = 1 lvi = 1 |v| = 1 IX lvi = 1 Arg (v) # If(v)l - 1 = Revendications. 1. Dispositif de réception et de traitement de signaux électromagnétiques issus de plusieurs brouilleurs de confusion distincts, comprenant - un aérien (A), en particulier du type "monopulse", agencé en plusieurs parties, - des moyens de réception (MR) travaillant en parallèle sur différentes voies issues des différentes parties de 1' aérien, - de premiers moyens de traitement (MT), travaillant sur ces différentes voies, et, pour chacune d'entre elles, selon des portes d'analyse en distance et/ou Doppler, et - de seconds moyens de traitement (MPT) recevant les sorties des premiers moyens de traitement, caractérisé en ce que l'aérien (A) comporte quatre centres de phase (AC1-AC4), respectivement situés aux sommets et au barycentre d'un triangle équilatéral définissant quatre voies pour les moyens de réception (MR) et les premiers moyens de traitement (MT), en ce que les seconds moyens de traitement (MPT) construisent au moins une voie supplémentaire, relative à un centre de phase fictif, défini comme le symétrique de l'un des sommets du triangle équilatéral par rapport à son barycentre, ce qui permet de disposer d'une matrice de covariance carrée d'ordre 5, de calculer l'élément manquant de cette matrice à partir de la relation supplémentaire fournie par la nullité de son déterminant, et de réaliser ensuite une écartométrie sur un nombre de brouilleurs égal au nombre de centres de phases de l'aérien considéré. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bruit thermique étant négligeable, le calcul de l'élément manquant s'effectue en tenant compte du fait que les solutions complexes de la relation supplémentaire se réduisent à un point du plan complexe en présence de quatre brouilleurs. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les seconds moyens de traitement construisent d'autres matrices carrées de covariance complétées et/ou le fait que les solutions en l'absence de bruit thermique sont sur un cercle de rayon nul, pour disposer de relations supplémentaires permettant de réaliser l'écartométrie de quatre brouilleurs, même en présence de bruit thermique. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'écartométrie des brouilleurs est effectuée à partir d'une équation à deux variables (u, v) définies comme les déphasages perçus par l'aérien en fonction des cosinus directeurs des brouilleurs, cette relation étant du second degré pour l'une des variables (u), et ses solutions étant calculées à partir de la connaissance a priori du module complexe des deux variables (lul = Ivl = 1). 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les seconds moyens de traitement utilisent un troisième centre de phase fictif pour éliminer d'éventuelles ambiguités.