Brevet FR2725525A1 — publié le 19960412

nm -uBuBAoZd souD: SBD USaUn U aun B i |LnD 2uanbT7dUaT nD@Bs7 nB a-uT= n.-a5_e T - DB uo7slTnduIT l aG aTuT anannf -UO7 B- 'nB7Z ua.12GBn:z ua BmUIYCSaTUTUT au7saTO9,p CE nPaST,2- un me a!72U7saz7u-':7 Bssa;Tc:D, p uOTSTnaduT aunp BDuBsB2d BT aSOdd.ns BDB d n5 *b UOTuDBdTXBa,7 uBuDu, La apST9 a p B xDBT 2d TU -;- sol et cue cette intégration s'effectue sur le sol sans cor- rélation, si l'on ne tient pas comote des cibles séparées de grande dimension. En conséquence, une caracté_riszicue analo- gue à du bruit se superpose à la caractéristicue rersenée sur la figure 1 et introduit une incertitude sur la piace ce croisement ou recoupement des faisceaux. Cet efe es- con- sidéré comme étant un bruit de fond résiduel et constitue 'une des sources principales de l'incetue sur a _s.ance dans le cas d'un radar ce reoérage du soi. La figure 2a est une vue en nlan de la surface du sol éclairée par l'impulsion incidente et on note cue les emplacements correspondants à une annulation des échos de l'impulsion se trouvent sur une -roi-e tracée sur Le sol et recoupant la trajectoire de l'aéronef. Lorsque l'antenne tourne autour de son axe ce rou- lis par rapport au sol ou lorsque le sol est incliné trans- versalement à la trajectoire de l'aéronef, il y a une cer- taine rotation ou torsion de la ligne L de r-éonrse nulle com- me indiqué sur la figu-e 2b. Cette ligne est toujours un segment de droite mais qui n'est plus perpendiculaire a la direction de pointage du faisceau. La penze de la caracté- ristique de la figure lb se trouve alors réduite. Ce svs- tème est donc plus sensible au bruit résiduel et l'erreur sur la distance augmente. En outre, les emolacements corres- pondants à un écho nul dû à l'impulsion, en provenance du sol, se répartissent en distance et provocuen une c-_ dation supplémentaire de la résion sur la distance. 'a.- gle d'abaissement de l'axe de visée de l'antenne est en e- néral très petit et même pour de petits angles de roulis, l'effet précité peut accroitre l'erreur sur la distance de facon très importante, par exemple d'environ 30 à 200 m. Le roulis effectif ce l'antenne autour de son axe de roulis (c'est-à- dire l'axe de visée) peut aussi être du à l'utilisation d'un apoareil de balayage d' oc_- Cassegrain dont la construction est telle que le balayage suivant une direction qui n'est oas comprise dans les plans d'azimut et de hauteur provocue un roulis de l'antenne autour de son axe de roulis. Cette caractéristique peut être évitée par un arrangement convenable à la cardan, mais certains avantages très importants disparaissent. La correction du roulis de l'antenne de à un balayage désaxé peut être assurée par une stabilisation électronique du roulis. A cet effet, auatre éléments d'an- tenne sont utilisés et ont chacun sa propre caractéristique de faisceau. Les qcuatre éléments sont disposés suivant un arrangement carré ou rectangulaire, les faisceaux divergeant de l'axe de visée afin qu'ils donnent l'arrangement indiqué sur la figure la à la fois en hauteur et en azimut. Les si- gnaux de sortie des quatre éléments d'antenne sont addition- nés et soustraits de manière connue dans un comparateur en hyperfréquencesafin qu'ils forment des signaux différence en azimut et en hauteur suivant les "axes de l'aéronef", ces signaux étant traités dans un transmetteur à résolveur de radar à impulsions donnant un signal de différence de hau- teurs qui est stabilisé dans l'espace. Lors de l'utilisation d'un tel arrangement, les erreurs dues au défaut d'alignement de l'axe azimutal de l'antenne et de la surface perpendiculaire à la trajectoire sont dues presqu'entièrement à l'inclinaison du sol. L'invention concerne un système de repérage à ra- dar dans lequel une indication est tirée de la disposition de la surface transversale à la trajectoire par rapport au plan de hauteur de l'antenne et dans lequel un signal de commande peut être formé afin qu'il permette la correction de la stabilisation de l'antenne, mécaniquement ou électro- niquement, ou de manière qu'il maintienne toujours la sépa- ration de l'impulsion détachée perpendiculaire à la surface transversale à la trajectoire, en hauteur. Plus précisément, l'invention concerne un système de repérage air-sol à radar qui comprend un radar aéroporté à impulsions détachées comprenant un dispositif destiné à former une information de distance à partir du moment de l'émission d'une impulsion de radar, l'arrangement d'anten- ne ayant une caractéristique à faisceaux divisés en hauteur pour chacune de deux positions angulaires distantes en azi- mut, chacune des caractéristiques ayant un axe de recoupe- ment dirigé vers la surface, le système comprenant un dispo- sitif destiné à former un signal de commande représentatif du décalage dans le temps des signaux différence tirés des caractéristiques correspondantes de division des faisceaux en hauteur, le signal de commande donnant une indication ou un ordre qui dépend de l'inclinaison de la surface entre les positions recoupéespar les axes. Le système peut comprendre un dispositif de stabi- lisation du plan de hauteur dans l'espace, le signal de com- mande dépendant alors de l'inclinaison, par rapport à l'ho- rizontale, de la surface, en direction transversale à la trajectoire, entre lesdites positions de la surface. Dans une variante, la stabilisation du plan de hauteur peut être modifiée par le signal de commande afin que ce plan reste perpendiculaire à la surface entre les- dites positions sur celle-ci. L'information de distance transmise par le système peut être corrigée par le signal de commande dans un arrange- ment à boucle ouverte afin que l'effet de l'inclinaison trans- versalement à la trajectoire soit supprimé. De préférence, le dispositif destiné à former un signal de commande comporte un comparateur de somme et de différence auquel les signaux reçus par un arrangement d'an- tenne à quatre éléments sont transmis, et qui forme un signal somme, un signal différence en azimut, un signal différence en hauteur, et un signal de canal de non-sens, ce dernier étant fonction de l'inclinaison de la surface transversale- ment à la trajectoire, entre lesdites positions sur la sur- face. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre d'un système de repérage air-sol à radar donné à titre illustra- tif et en référence aux dessins annexés sur lesquels: - les figures la, lb, lc et id, déjà décrites, représentent respectivement la caractéristique de division s en hauteur avec -des-grapiques amolitudedistance/temps corresDondant aux échos provenant du sol dans l'élément su- périeur et l'élément inférieur du faisceau, et un graphique représentant le signal différence en fonction de la distance et du temps; - les figures 2a et 2b déjà décrites sont des vues en plan de faisceaux à impulsions détachées de la figure 1, interceptant un sol horizontal et un sol ayant une inclinai- son transversale à la trajectoire respectivement; - la figure 3a est une vue suivant l'axe de visée d'une impulsion détachée à quatre faisceaux approchant d'un sol incliné; - la figure 3b représente des formes d'onde corres- pondant aux signaux d'écho transmis aux quatre éléments d'an- tenne, correspondant à la figure 3a; - la figure 4a représente les sections des quatre faisceaux au moment o l'axe de visée intercepte le sol incliné; - la figure 4b représente des graphiques indiquant les variations des signaux différence des faisceaux divisés en hauteur et distants en azimut, avec un graphique repré- sentant la différence entre ces signaux; - la figure 5 est un schéma représentant un compa- rateur à impulsions détachées et indiquant les signaux nor- maux d'entrée et de sortie; - la figure 6 est un diagramme synoptique d'un système de' repérage air-sol à radar; et - la figure 6a est un schéma représentant l'orien- tation d'un aéronef porteur par rapport à la surface du sol et représentant les divers angles traités dans le circuit de la figure 6. Les figures la à 2b ayant déjà été décrites, la figure 3a représente un arrangement vertical de diagrammes de faisceaux azimutaux divisés, par exemple obtenus dans un système stabilisé dans l'espace. Dans ce cas, lorsque le sol est incliné transversalement à la trajectoire de l'a6- ronef, les quatre faisceaux viennent rcouper la surface avec laséquence DCBA. (Il faut noter que les "faisceaux" ne frap- pent pas en réalité le sol puisqu'il ne s'agit pas de fais- ceaux de radiations, mais de caractéristiques de la sensibi- lité de réception en fonction de l'angle pour chaaue élément d'antenne. Néanmoins, cette analocie donne une analyse conve- nable). Les signaux de sortie des éléments d'antenne, s'ils étaient disponibles séparément, seraient tels que représentés sur la figure 3b qui indique la variation de leur amplitude en fonction du temps. Chaque paire verticale A-C et B-D constitue un sys- tème individuel à faisceaux divisés en hauteur comme indiqué sur la figure 1, les deux systèmes étant séparés en azimut. Chaque paire de signaux alternés de la figure 3b donne donc un signal différence correspondant tel que représenté sur la figure ld. Les deux systèmes à faisceaux divisés en hauteur, comme ils sont séparés en azimut, donnent des points de re- coupement (N sur la figure ld) qui apparaissent à des moments différents étant donné l'inclinaison transversale à la tra- jectoire. On peut monter que la différence de temps t entre ces points est représentéeapproximativement par l'équation 6t = 4 r tg a. cg 0in/2 c sin 9 dans laquelle r désigne la distance au centre du faisceau, c'est-à-dire l'emplacement de recoupement de la surface par l'axe de visée de l'antenne, a est l'inclinaison du sol transversalement à la trajectoire, 0 est l'angle des fais- ceaux divisés en azimut, c est la vitesse de la lumière, et 4 est l'angle de visée du radar vers le bas. La détermination de la distance r de l'axe de vi- sée nécessite donc laconnaissance de l'inclinaison a de la trajectoire et la mesure du décalage dans le temps 5 t. Mis à part la difficulté de la mesure du décalage dans le temps, la description qui précède suppose que les canaux A, B, C et D peuvent être traités séparément (ou au moins suivant une séquence rapide par un récepteur commuté). Cependant, on sait que, dans tout système formant des difféerences de faisceaux, les erreurs introduites sont particulièrement sensibles aux erreurs d'amplitude et de déphasage qui peu- vent étre introduites non intentionnellement avant le pro- cessus de soustraction, et c'est pourquoi, dans tous les systèmes modernes à radar à impulsions détachées, le processus de soustraction de faisceau est réalisé aussi précocement que possible dans le système, habituellement dans un comparateur à guidesd'ondesqui se trouve juste der- rière le dispositif d'excitation des quatre cornets. Un procédé de fonctionnement qui satisfait à ce critère et permet l'utilisation d'un comparateur d'un fais- ceau en hvperfréquencesdans la partie antérieure de l'appa- reil est le procédé de visée décentrée qui est bien connu pour la localisation d'une cible par rapport à l'axe de visée. On considère d'abord les signaux de sortie transmis par un système comparateur simple à deux faisceaux lorsqu'une source ponctuelle parcourt le faisceau principal. Les fonc- tions de variation du signal de sortie en fonction de l'angle correspondent grossièrement à une fonction cosinus unique pour le signal de sortie du canal somme et à une fonction sinus unique pour le signal de sortie du canal différence. Etant donné la linéarité de la fonction sinus dans la région de recoupement des faisceaux, la position d'une cible qui ne se trouve pas exactement sur l'axe de visée peut être estimée avec précision d'après le signe du signal du canal difé:rence et son rapport au signal du canal somme, pourvu que les cons- tantes habituelles de proportionnalité mettant en oeuvre des largeurs des faisceaux, etc. soient connues. Il s'agit d'une technique bien établie, correspondant à une mesure à axe décentré. Ce principe est appliqué à la mesure de l'incli- naison du sol transversalement à la trajectoire, dans un mo- de de réalisation avantageux de l'invention, de la manière suivante. On se réfère aux figures 4a et 4b et on note que, lorsque la courte impulsion émise se progage vers le sol incliné, l'instant représenté sur le dessin apparait, c'est- à-dire que les échos sont reçus en provenance du point au- quel l'axe de visée de l'antenne recoupe le sol, le point O. A ce moment, la distance du point O est indiquée par le si- gnal normal du canal différence de hauteur, c'est-à-dire (A + B) - (C + D), présentant un recoupement. Si les faisceaux divisés en hauteur A, C et B, D sont traités séparément, ils présentent à ce moment des sources ou cibles qui sont au-dessus et au-dessous de l'ho- rizontale par rapport au point O et qui forment des signaux positifs et négatifs respectivement, proportionnels à la hauteur de ces sources, c'est-à-dire du niveau du sol, au- dessus et au-dessous de cette horizontale. Cette disposition est représentée schématiquement par les signaux vectoriels V1 et V2 de la figure 4a. Lors- que l'impulsion du radar parcourt la projection de la sec- tion du faisceau le long du sol, les signaux séparés V1 et V2 décrivent des "ondes sinusoïdales à un seul cycle" sépa- rées (représentant les caractéristiques du canal différence) mais décalées dans le temps en fonction de la loi en tg a indiquée précédemment. Un procédé pour éviter la complication de la me- sure précise de la différence de temps entre les signaux de'croisement (différence) analogue à des ondes sinusoi- dales, créées séparément (et contenant un certain bruit) comprend leur soustraction électrique et l'utilisation du fait que la différence entre deux ondes sinusoïdales sem- blables décalées dans le temps est une onde cosinus, c'est- t à-dire sin wt - sin L(t - 5t) = 2 cos w(t + --).sin -t- Cette quantité est une onde cosinusoidale d'amplitude mnt 2 sin-2 Ainsi, la différence vectorielle des signaux V1 et V2 donne une quantité qui est proportionnelle au sinus du décalage5 t dans le temps et ainsi au sinus de la moitié de la pente du sol transversalement à la trajectoire (tg a). Cette quantité a aussi un signe qui dépend du sens de la pente, de droite à gauche ou inversement. Cette relation avec l'inclinaison du sol s'applique uniquement lorsque les axes de l'impulsion détachée sont stabilisés dans l'espace afin que l'axe azimutal soit main- tenu horizontal. Dans le cas contraire, la quantité V1-V2 est reliée à l'angle du plan non stabilisé de hauteur et de la disposition du sol transversalement à la trajectoire (a-3 sur la figure 6a) Ainsi, dans un système essentiellement stabilisé, une mesure de l'inclinaison réelle du sol transversalement à la trajectoire peut être obtenue directement, et dans un système non stabilisé, une mesure directe de l'inclinaison transversale à la trajectoire, par rapport aux axes de l'impulsion détachée, peut être obtenue directement. Le signal différence V1-V2, qui, pour l'essentiel des applications pratiques est proportionnel à l'inclinaison du sol transversalement à la trajectoire, peut être tiré des faisceaux individuels comme décrit précédemment. Ce- pendant, comme indiqué aussi précédemment, il est très sou- haitable d'utiliser un comparateur en hyperfréquences un emplacement du système très proche de l'entrée afin que les effets des erreurs de phase et d'amplitude soient minimaux. On peut montrer que ce comparateur peut être réalisé afin qu'il donne le signal d'inclinaison du sol de la manière suivante. On considère un circuit d'alimentation de quatre cornets avec un comparateur direct d'impulsions détachées et les circuits déphaseurs associés de 90 habituels. On suppose que les quatre cornets 1, 2, 3, 4 (créant respec- tivement les quatre faisceaux d'hvper-réquencesA, B, C et D) donnent des amplitudes de signaux a, b, c et d. Un tel comparateur classique d'impulsions détachées à quatre fais- ceaux est schématiquement représenté sur la figure 5 et il peut être formé par quatre guides d'onde disposés sui- vant un carré avec des coupleurs de 3 dB disposes entre les guides adjacentes, les circuits déphaseurs à 90a étant pla- cés dans des guides opposés en diagonale. Un tel comparateur est utilisé couramment simple- ment pour la formation d'un signal somme, d'un signal diffé- -ID rence d'azimut et d'un signal différence de hauteur, dans la poursuite des cibles avec décalage de l'axe de visée. Le quatrième canal de sortie du comparateur est connu comme "canal de non-sens" car il crée un signal de la forme (c + b) - (a + d), c'est-àdire représentant la différence entre les paires diagonales. Ce canal a habituellement une terminaison formant une charge adaptée et on l'ignore. Cependant, on note, par réarrangement du signal du canal de non-sens, qu'il peut être présenté sous la forme (c-a) - (d-b) afin qu'il contienne le signal V1-V2. Comme indiqué précédemment, ce signal contient l'information sur l'amplitude et le signe de l'inclinaison du sol transversalement à la trajectoire, dans un système "stabilisé par rapport à la moyenne terrestre". Dans un tel système, on utilise donc ce signal afin de corriger les axes d'impulsions détachées à stabilisation électronique dans un système à stabilisation terrestre locale et éloi- gnée, si bien que l'une des principales erreurs restantes dans le repérage air-sol par radar est supprimée. La figure 6 représente un système de ce type. Une antenne 11 à impulsions détachées à quatre éléments est pilotée, lors du balayage, par une unité 13 de pilotage de dispositif de balayage. Les quatre éléments sont couplés à un comparateur 15 d'impulsions détachées représenté plus en détail sur la figure 5. Le signal de sortie du canal som- me du comparateur est transmis à un mélangeur 17 par l'inter- médiaire d'un duplexeur 19, les canaux différence et le canal de non-sens étant reliés directement à des mélangeurs analo- gues. Le canal somme est relié par le duplexeur 19 provenant d'un émetteur 21, de manière classique, et les mélangeurs 17 reçoivent un signal provenant d'un oscillateur local 23. Les quatre canaux de sortie à fréquence intermé- diaire parviennent alors à des amplificateurs 25 à fréquence intermédiaire. Dans un système stabilisé en roulis, les signaux différence d'azimut et de hauteur sont transmis à un trans- metteur 27 de sinus-cosinus qui peut tourner sous la commande il d'un signal 29 de pilotage angulaire d'entrée afin cue le plan de hauteur soit orienté, le déplacement du plan corres- pondant directement au signal de commande angulaire d'en- trée. Une source 31 de référence d'angle de roulis, une plate-forme d'inertie, transmet un signal proportionnel à l'angle 3 (voir figure 6a) du plan de hauteur de l'antenne et de la verticale. Ce signal d'erreur est normalement trans- mis directement au transmetteur de sinus-cosinus afin que le plan de hauteur reste effectivement vertical et ainsi indé- pendant du roulis de l'aéronef. Dans le mode de réalisation considéré, le signal d'erreur d'angle de roulis est transmis par un commutateur 33 de mode. Le signal de sortie du canal de hauteur, stabilisé en roulis et provenant du transmetteur sinus-cosinus, par- vient à un détecteur 35 de déphasage en hauteur avec le si- gnal somme afin qu'il forme un signal différence tel que représenté sur la figure ld. Ce signal a un croisement ou une valeur nulle qui présente une incertitude qui dépend de l'inclinaison du sol transversalement à la trajectoire. Une impulsion étroite marquant ce croisement est alors transmise par un générateur 37 d'impulsions de croisement qui détecte le passage à zéro. Cette impulsion est transmise à un circuit 39 de détermination de distance destiné à me- surer le temps écoulé depuis l'émission de l'imoulsion, et la distance est indiquée en conséquence. Le système décrit jusqu'à présent est classique et présente l'inconvénient dû à l'inclinaison du sol trans- versalement à la trajectoire, comme décrit précédemment. L'impulsion étroite de croisement est aussi trans- mise à une porte 41 qui est ouverte pendant la durée de l'impulsion. L'autre entrée de la porte 41 reçoit le signal suivant. Le signal somme à fréquence intermédiaire et le signal du canal de non-sens sont transmis à un détecteur 43 de déphasage qui crée une version du signal somme cosinus à échelle différente comme indiqué sur la figure 4b. La crête centrale de ce signal a une amplitude déterminée par l'écart dans le temps des deux signaux différence dont il est compiDosé et ainsi par l'inclinaison du sol. La polarité du signal est déterminée par la séquence des signaux droit et gauche de différence de la figure 4b et ainsi par l'in- clinaison du sol, de gauche à droite ou inversement. Le signal d'entrée cosinus de la porte 41 est en fait échantillonné par l'impulsion étroite du générateur d'impulsions de croisement afin qu'il forme une impulsion de sortie d'amplitude et de polarité représentatives de l'inclinaison transversalement à la trajectoire. On a décrit le système jusqu'à présenten référence au fonctionnement d'un transmetteur 27 de sinus-cosinus, sous la commande de la source 31 de référence d'angle de roulis. Ainsi, le plan de hauteur des diagrammes du faisceau divisé est maintenu vertical et l'impulsion de sortie de la porte 41 a une amplitude proportionnelle uniquement à l'inclinaison 8 du sol, a étant réduit à zéro. En l'absence de stabilisa- tion de roulis par le transmetteur 27, le signal de sortie de la porte 41 est proportionnel à l'angle du plan de hau- teur de l'antenne et de la surface transversale à la tra- jectoire, c'est-a-dire à l'angle (a-3) (voir figure 6a). Lorsque le commutateur sélecteur de mode 33 est commuté vers la droite en conséquence, le plan de hauteur tourne en fait suivant l'angle (a-3), réduisant cet angle à 0 et rendant ainsi le plan efficace de hauteur perpendiculaire à la sur- face transversale à la trajectoire dans la région de la cible. La distance du croisement est alors corrigée à la même valeur pour toutes les positions transversalement à la trajectoire, la caractéristique oblique représentée sur la figure 2 étant corrigée en une caractéristique perpendicu- laire telle que représentée sur la figure 2a. * Lors de la détermination de la distance d'une ci- ble particulière, l'opérateur verrouille le radar sur la ci- ble, fonctionnant initialement en mode stabilisé en roulis à l'aide de la source 31 de référence. Lorsque la cible est manifestement acquise, l'opérateur commute en mode stabilisé localement sur le sol, donnant une détermination de distance bien plus sure. Une indication de l'inclinaison transversale à la trajectoire peut être souhaitable simultanément et en plus de la clarification de la détermination de distance. L'ooé- ration est réalisée par un circuit 45de soustraction. La source 31 de référence d'angle de roulis donne une mesure de l'angle 3 du plan de hauteur alors que la porte 41 donne une mesure de l'angle (a-3). Le signal de sortie du circuit de soustraction est donc l'angle a, l'inclinaison du sol transversalement à la trajectoire. Ce signal peut être affi- ché sur un indicateur 47 d'inclinaison du sol. l4 REVENDICATIONS 1. Système de repérage air-sol à radar, du type qui comprend un radar aéroporté à impulsions détachées compre- nant un dispositif donnant une information de distance à partir du moment d'émission d'une impulsion du radar et dans lequel l'arrangement d'antenne donne une caractéris- tique à faisceaux divisés en hauteur (figure la) dans cha- cune de deux positions angulaires séparées en azimut, cha- cune des caractéristiques ayant un axe de recoupement (OR) dirigé vers la surface, ledit système étant caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (15) destiné à former un signal de commande représentatif du décalage dans le temps (St) des signaux différence disponibles à partir des carac- téristiques des faisceaux séparés en hauteur, le signal de commande donnant une indication ou un ordre dépendant de l'inclinaison de la surface entre les positions de la sur- face qui sont interceptées par lesdits axes. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (27) de stabilisation du plan de hauteur dans l'espace, le signal de commande dé- pendant alors de l'inclinaison de la surface transversale- ment à la trajectoire entre lesdites positions de la sur- face interceptée par les axes, par rapport à l'horizontale. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que la stabilisation du plan de hauteur est modifiée par le signal de commande afin que le plan de hauteur soit main- tenu perpendiculaire à la surface entre lesdites positions d'interception de la surface par lesdits axes. 4. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce aue l'information de distance transmise par le système est corrigée par le signal de commande suivant un arrange- ment à boucle ouverte afin que l'effet de toute inclinaison transversale à la trajectoire soit supprimé. 5. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif destiné à former un signal de commande comprend un comparateur (15) de somme et de différence auquel les signaux reçus par un arrangement d'antenne (il) à quatre éléments sont transmis et qui donne un signal somme, un signal différence en azi- mut, un signal différence en hauteur, et un signal de canal de non-sens, ce dernier signal étant fonction de l'incli- naison de la surface transversalement à la trajectoire, en- tre les Positions d'interception de la surface par lesdits axes.