Brevet FR2745389A1 — publié le 19970829

Dispositif de traitement de signaux électromagnétiques, issus de brouilleurs de confusion. L'invention concerne le traitement de signaux électromagnétiques rétrodiffusés par une cible à partir d'un signal émis connu, en particulier des signaux radar. De tels dispositifs existent dans différents domaines, dont celui des missiles autodirecteurs, et celui des conduites de tirs. De façon générale, les dispositifs dont il s'agit ont pour vocation de repérer et de poursuivre une cible. En pareil cas, il est fréquent que la cible mette en oeuvre un brouilleur dit "de confusion". Un tel brouilleur émet un bruit de fort niveau dans la bande de fréquence où travaille le dispositif de traitement. Le but déceptif ainsi recherché est que ce brouillage de confusion masque les signaux utiles au dispositif de traitement, au point d'empêcher l'exploitation de ces signaux utiles. En pratique, le dispositif de réception "pointe" son antenne vers la cible. Ceci a pour effet de réduire sa sensibilité aux brouillages décalés par rapport à la cible. Le dispositif peut, de surcroît, se rendre insensible aux brouillages entrant par les lobes secondaires de son aérien. Enfin, s'il reste un brouilleur de confusion dans le lobe principal de son aérien, il lui est possible d'orienter la poursuite sur ce brouilleur. C'est ce qu'on appelle le "homing". Par contre, un problème se pose lorsque plusieurs brouilleurs de confusion sont perçus simultanément dans le lobe principal de l'aérien du dispositif de poursuite. Ce problème existe, notamment, lorsque plusieurs brouilleurs du type confusion émettent simultanément dans le lobe principal d'un autodirecteur, ces brouilleurs étant par exemple montés chacun sur les avions d'une formation. De tels brouilleurs ne sont séparables ni en fréquence (car ils sont du type confusion) ni dans le temps (car leur émission est simultanée). Dans ces conditions, si les avions sont suffisamment écartés et leurs puissances de brouillage très voisines, le missile va passer au centre de la formation, donc ne pas présenter de danger réel pour les cibles. La présente invention a pour but d'apporter, dans certaines conditions, une solution à ce problème de la coexistence de plusieurs brouilleurs de confusion dans le lobe principal de l'aérien d'un dispositif de réception et de poursuite radar. Le dispositif proposé est du type comprenant - un aérien, en particulier du type "monopulse", associé à des moyens de réception, et - de premiers moyens de traitement, selon des portes d'analyse en distance et/ou Doppler. Selon une définition générale de l'invention - l'aérien est agencé en plusieurs parties, en particulier quatre quadrants, tandis que les moyens de réception et les premiers moyens de traitement travaillent en parallèle sur différentes voies issues des différentes parties de l'aérien; et - on prévoit en outre de seconds moyens de traitement recevant les sorties des premiers moyens de traitement, et propres à y rechercher une relation linéaire, existant sur une partie au moins des portes d'analyse, entre les signaux homologues relatifs à différentes voies. Ceci permet notamment de réaliser une écartométrie angulaire de deux brouilleurs de confusion. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, au moins trois voies sont tirées directement des signaux issus des quatre quadrants de l'aérien de réception. Dans un second mode de réalisation de l'invention, les différentes voies comprennent une voie somme tirée du signal reçu sur l'ensemble de l'aérien de réception, et au moins deux voies différence tirées des écarts entre les signaux reçus par différentes parties de l'aérien de réception. Selon un autre aspect de l'invention, les seconds moyens de traitement déterminent la relation constante par un procédé d'ajustement linéaire, tel que le procédé des moindres carrés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est un schéma symbolique d'une antenne possédant quatre quadrants; - la figure 2 est une vue en perspective permettant d'illustrer certains paramètres utiles à la compréhension de l'invention; - la figure 3 illustre un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention; et - la figure 4 illustre un second dispositif mettant en oeuvre l'invention. Les dessins annexés comportent à de nombreux titres des informations de caractère certain. En conséquence, ils pourront non seulement permettre de mieux comprendre la description détaillée ci-après, mais aussi contribuer à la définition de l'invention, le cas échéant. Sur la figure 1, on reconnaît un aérien A décomposé en quatre quadrants Al à A4. Le premier quadrant Al est défini par le coin inférieur gauche de l'aérien, et les autres sont définis sur la Figure 1. Les centres de phase des quatre quadrants, notés respectivement AC1 à AC4, sont disposés en général suivant un rectangle. Pour simplifier, on considère ici qu'il s'agit d'un carré, de côté e. Les axes de symétrie de l'aérien sont O'y' et O'z'. L'aérien est du type "monopulse", c'est-à-dire propre à permettre un traitement individuel des signaux reçus consécutivement à chaque impulsion radar. Pour l'analyse, on définit un trièdre orthonormé Oxyz dont le centre O coïncide avec le centre de phase AC1 du quadrant Al. Ce trièdre Oxyz est reproduit sur la figure 2, dans une orientation différente. On admet qu'un brouilleur se trouve dans la direction Oq. V note le vecteur unitaire de cette direction. e note l'angle entre le vecteur V et la direction Ox. donne l'angle entre la direction de la projection de V sur le plan yOz et l'axe Oy. Les cosinus directeurs de la direction du brouilleur sont alors cosinus e sinus e . cosinus = a sinus e . sinus = b Lorsqu'on est en présence de plusieurs brouilleurs, on associera à chacun de ceux-ci une valeur particulière d'un indice k. Le signal reçu dans le quadrant Al est alors noté sk. Les valeurs a et b des cosinus directeurs dans le plan yOz de l'aérien sont également affectées de l'indice k. La figure 3 illustre un premier mode de réalisation de l'invention. Un étalon de fréquence SF fournit une fréquence d'émission à des circuits d'émission CE, suivis d'un distributeur d'émission DE. Aux quatre quadrants Al à A4 de l'antenne sont respectivement associés des duplexeurs (circulateurs) C1 à C4, dont chacun reçoit du distributeur DE le signal à émettre. Vers la droite de ces circulateurs apparaissent des signaux reçus sur quatre voies, qui sont tout d'abord appliqués à des amplificateurs de réception AR1 à AR4, respectivement. L'étalon de fréquence SF définit également une valeur de signal local appliqué à un circuit OL. Ce signal local est celui utilisé pour la haute fréquence intermédiaire. Un distributeur DHI délivre donc ce premier signal local à des mélangeurs MH1 à MH4 respectivement situés en aval des amplificateurs AR1 à AR4. La sortie du mélangeur MH1 est appliquée à un circuit d'écartométrie en distance CED. Par ailleurs, les sorties des différents mélangeurs MH1 à MH4 sont appliquées à des commutateurs formant portes d'analyse en distance, SD1 à SD4, et actionnés sous le contrôle d'un circuit CAD assurant la commande de l'analyse en distance. La sortie du circuit d'écartométrie distance CED, et celle des différents commutateurs SD1 à SD4, sont respectivement appliquées à des amplificateurs de haute fréquence intermédiaire AH à AH4. Un circuit TMF fournit un signal de transposition en moyenne fréquence intermédiaire, qui est appliqué comme signal local à d'autres mélangeurs MM0 à MM4, recevant respectivement les sorties des amplificateurs AH0 à AH4. Les sorties des mélangeurs MM0 à MM4 sont respectivement appliquées à des amplificateurs moyenne fréquence AMO à AM4, suivis d'autant de filtres FF0 à FF4 et de convertisseurs analogiques numériques CANO à CAN4. Les signaux locaux du circuit TMF sont avantageusement calés en phase sur l'étalon de fréquence SF. Les sorties de ces différents convertisseurs sont appliquées à un automate d'analyse de Fourier AAF, microprogrammé, et accompagné d'un processeur de traitement proprement dit MPT. Avec un tel dispositif, il s'est avéré possible de séparer angulairement deux brouilleurs, malgré la réception simultanée de ceux-ci dans le lobe principal de l'aérien. En effet, la Demanderesse a observé que les sorties numérisées des convertisseurs CAN1 à CAN4 reproduisent linéairement les champs électromagnétiques respectivement perçus par les quadrants Al à A4. Dans l'exemple considéré, il s'agit d'un autodirecteur à radar Doppler. L'analyse Doppler qu'effectue celui-ci est déterminée par des filtres, et par ajustement de la moyenne fréquence intermédiaire fournie par le circuit TMF. Pour chaque situation du signal reçu, on va donc disposer en sortie des convertisseurs d'une suite de signaux représentant chacun l'analyse dans un filtre Doppler déterminé de ce qu'ont reçu les quatre portions d'antennes Al à A4. A ce niveau, la Demanderesse a également observé que les signaux émis par des brouilleurs sont à considérer - comme des ondes planes monochromatiques lorsqu'on considère l'arrivée de leur front d'onde sur les quatre portions de l'aérien; - comme des bruits blancs lorsqu'ils sont analysés au pas des filtres Doppler du radar de l'autodirecteur. Si on note alors les sorties des quatre convertisseurs n n CAN1 à CAN4 par S1 à S4, où n désigne le rang du filtre Doppler considéré, il apparaît que ces quatre signaux sont définissables par les relations du système (I) donné dans la fiche de formules annexée à la présente description. Dans ces relations, exp désigne la fonction exponentielle sur variable complexe, tandis que P désigne l'argument de celle-ci pour définir la phase d'une onde se propageant sur la distance e, et présentant une longueur d'onde 1, selon la relation (II). La Demanderesse a alors constaté qu'il existe une relation n n n linéaire constante entre les quatre valeurs S1, S2, S3 n et S4, comme illustré par la relation (III). Cette relation (III) exprime que,les quatre signaux étant reliés entre eux, il existe une combinaison linéaire de ces quatre signaux qui s'annule, d'où les coefficients complexes c, d et f affectant les trois derniers signaux. Les calculs ont montré que cette relation linéaire existe seulement lorsque le nombre de brouilleurs est inférieur à 4 (le nombre de parties d'antenne). En effet, l'examen des relations (I) montre alors que les quatre signaux n à son (qui sont des mesures complexes) s'expriment linéairement en fonction d'au plus trois signaux complexes, à savoir s1n à s3n, provenant des brouilleurs. I1 faut peut-être ajouter ici que les exponentielles comme exp(P. ak) sont des coefficients complexes ne dépendant que de la direction du brouilleur considéré. Ils sont les mêmes quel que soit le rang n du filtre Doppler considéré (de la porte distance considérée, le cas échéant). On rappellera enfin que les procédés classiques d'écartométrie vont tout à fait à l'encontre des observations énoncées ci-dessus. L'existence d'une telle relation linéaire entre les signaux perçus, en présence d'au plus trois brouilleurs est en elle-même intéressante, comme on le verra plus loin. Il sera maintenant exposé comment l'on peut faire une écartométrie individuelle des brouilleurs, lorsqu'ils sont en nombre au plus égal à deux. On note maintenant u et v, respectivement, les expressions exp(P.ak) et exp(P.bk), qui sont des quantités complexes de module unité. La relation (III) peut être écrite sous forme simplifiée de la manière donnée en relation (IV), après division par le terme de somme. La nouvelle écriture selon la relation (V) montre qu'il existe une relation d'homographie entre les quantités v et u. Cette relation d'homographie reflète la disposition des centres de phase des portions d'antenne selon un rectangle. En conséquence, les deux quantités complexes u et v sont d'une part de module unité, d'autre part en correspondance homographique. I1 existe un couple de quantités (u, v) pour chaque brouilleur considéré. On sait par ailleurs que le transformé par homographie du cercle unité du plan complexe est dans tous les cas un cercle ou une droite. I1 en résulte que le transformé par homographie du cercle unité complexe va intersecter le cercle unité complexe suivant deux points. La transformation de u à v admet donc une solution et une seule, si l'on est en présence de deux brouilleurs, même de niveau comparable. Cette solution peut être obtenue en résolvant le système d'équation (VI). La mise en oeuvre de l'invention se fait alors de la manière suivante : l'automate d'analyse de Fourier AAF reçoit des échantillons issus de chaque convertisseur pour chaque filtre d'analyse Doppler. Le processeur MPT met alors en oeuvre un procédé d'ajustement statistique, par exemple par la méthode des moindres carrés, afin de chercher à aligner tous ces échantillons sur une même loi de combinaison linéaire des sorties des quatre voies CAN1 à CAN4. La connaissance de cette loi permet d'établir les coefficients complexes c, d et f. I1 est alors possible, par un calcul tout à fait accessible en temps réel, de remonter aux valeurs a et b qui caractérisent la direction des deux brouilleurs concernés, en résolvant les équations (VI). En exemple d'une extension intéressante de la relation linéaire (III) qui a permis d'aboutir au résultat ci-dessus, on peut citer le cas de trois brouilleurs dont deux au moins auraient des directions liées par une relation supplémentaire. C'est le cas par exemple d'un brouilleur aéroporté au-dessus de la mer, défendu par deux brouilleurs de zone embarqués sur des navires angulairement séparés. Les cosinus directeurs des brouilleurs embarqués sont liés par une relation qui traduit le fait qu'ils sont sur un même plan horizontal. Cette relation supplémentaire, jointe à la relation homographique précédente (IV) permet d'étendre la solution précédente au cas de 3 brouilleurs. En d'autres termes, dans le cas général à trois brouilleurs, l'écartométrie de ceux-ci n'est pas réalisable de la manière décrite plus haut, car il existe une indétermination : le cercle unité complexe se transforme en lui-même. La connaissance d'une relation supplémentaire permet de lever cette indétermination. I1 est maintenant fait référence à la figure 4, qui illustre une première variante du dispositif selon l'invention. La différence avec la figure 3 réside simplement en ce que les signaux des aériens Al à A4 ne sont pas utilisés tels quels. Les deux aériens Al et A2 sont couplés à un premier Té magique TM. Les aériens A3 et A4 sont couplés à un second Té magique TM2. L'une des sorties du Té magique TM1 est appliquée à un troisième Té magique TM3. L'une des sorties du deuxième Té magique TM2 est appliquée à un quatrième Té magique TM4. Les autres sorties des Tés magiques TM1 et TM2 sont appliquées respectivement comme entrées des Tés magiques TM4 et TM3. L'homme de l'art comprendra que les sorties du Té magique TM3 peuvent alors prendre la forme d'un signal somme S et d'un signal différence selon l'axe Oz, noté Dz. Les sorties du Té magique TM4 peuvent alors prendre la forme d'un signal de différence Dc (différence croisée) et d'un signal Dy (différence selon l'axe Oy). Pour l'émission, il suffit que le circuit d'émission alimente un circulateur d'émission unique CE disposé sur la voie S. Les signaux des autres voies sont appliqués directement aux amplificateurs de réception AR2 à AR4. La suite du montage est exactement la même que précédemment, sauf au niveau des portes d'analyse en distance. Lorsque les commutateurs SD sont dans leur position centrale, on obtient un fonctionnement semblable à celui de la figure 3. Lorsque les commutateurs sont dans leur position basse, seules les quatre voies alimentant les convertisseurs CAN1 à CAN4 fonctionnent. Enfin, une position haute rappelle que les portes peuvent être mises à la masse. Pour mieux comprendre cela, il convient de revenir sur les principes de fonctionnement d'un appareil du type ici décrit, qui comporte une phase d'acquisition, durant laquelle on recherche la cible, suivie d'une phase de poursuite de la cible. Pendant l'acquisition, en admettant par exemple un facteur de forme de un quart à un cinquième sur le signal émis par le radar, les portes distance de chacune des voies de réception (dont on sait que le niveau est en principe identique) sont supposées être étalées dans le temps pour couvrir tout le domaine d'incertitude en distance ambiguë. Dans le cas de la figure 3, il en découle une perte de 6 décibels sur le rapport signal sur bruit puisque chaque quadrant ne reçoit qu'un quart de la puissance disponible au niveau de la réception. Une autre manière de procéder consiste à fermer simultanément les portes distance (toujours dans le cas de la figure 3). On évite ainsi la perte de 6 décibels, les informations étant ensuite regroupées au niveau du traitement. Mais l'homme de l'art comprendra qu'il faut alors réaliser une recherche en distance. Or cette recherche implique, à probabilité de détection égale dans un temps donné, de fonctionner aussi avec un rapport signal à bruit plus élevé, ce qui revient à peu de choses près à la perte de 6 décibels déjà mentionnée. En mode de poursuite (figure 3), l'élaboration de l'écartométrie distance peut se faire sur une seule voie de détection, de manière à éviter la multiplication des circuits. On perd alors 6 décibels. Si l'on revient maintenant au mode de réalisation de la figure 4, on comprendra maintenant que la commutation des portes distance est simplement destinée à permettre une reconfiguration suivant que l'appareil fonctionne en mode d'acquisition ou en mode de poursuite. En mode d'acquisition, le signal de la voie somme S est redistribué au niveau des portes distance sur les quatre voies de réception. Ceci permet de couvrir tout le domaine d'acquisition en distance ambiguë sans perte d'information. De même, en poursuite, l'écartométrie distance peut être simplement tirée de la voie somme sans perte d'information. Par contre, la mise en oeuvre de l'invention s'effectue sur les voies issues des commutateurs SD1 à SD4, de la manière déjà décrite. Enfin, l'homme de l'art aura compris que les quatre voies disponibles dans le cas de la figure 4 étant elles-mêmes des combinaisons linéaires des signaux tirés des quatre quadrants de l'antenne, il est clair que l'explication donnée plus haut à propos de la figure 3 vaut également pour la figure 4. Une seconde variante de l'invention peut être obtenue à partir de la figure 4 en supprimant simplement la voie relative au signal Dc, la sortie correspondante du T magique TM4 étant simplement fermée sur son impédance de charge caractéristique. Cette solution permet, comme la précédente, de couvrir tout le domaine d'acquisition en utilisant la voie écartométrie distance en lieu et place de cette voie Dc, et ce sans réduction de la sensibilité. Dans ce qui précède, on a montré la possibilité d'utiliser les moyens de l'invention pour effectuer une discrimination angulaire entre deux brouilleurs de confusion (ou brouilleurs à bruit) dont les signaux entrent simultanément dans le lobe principal de l'antenne de l'autodirecteur Doppler à haute fréquence de répétition. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits. Elle s'étend au contraire à toute variante conforme à son esprit. Dans ce qui précède, il a été supposé que les échantillons successifs disponibles en sortie des convertisseurs étaient relatifs à des filtres Doppler. L'invention s'applique également au cas où ces signaux seraient relatifs à des portes distance. Par ailleurs, les signaux captés sont entachés de bruits internes, tels que le bruit thermique. Lorsque ces bruits ne sont pas négligeables, on pourra utiliser un ajustement statistique approprié, qui permet d'accéder malgré le bruit aux coefficients c, d et f. ANNEXE - FORMULES n n P n S1 = # sk k=l S2n = #k=1P skn . exp (P.ak) (I) n n S3 = # sk . exp (P.bk) k=l S4n = #=1P skn . exp (P. (ak+bk)) (II) P = - i 2# . e /2 n n n n (III) S1 + c.S2 + d.S3 + f.S4 = 0 (IV) 1 + c.u + d.v + f.u.v = 0 1 + c.u (V) v = d + f.u (VI)#1 + c.u + d.v + f.u.v = 0 lui = 1 |v| = 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", associé à des moyens de réception (C, AR, MM), et - de premiers moyens de traitement (MM, AM, FF, CAN, AAF), selon des portes d'analyse en distance et/ou Doppler, caractérisé en ce que - l'aérien (A) est agencé en plusieurs parties (Al-A4), en particulier quatre quadrants, tandis que les moyens de réception et les premiers moyens de traitement travaillent en parallèle sur différentes voies issues des différentes parties de l'aérien, et - en ce que sont prévus de seconds moyens de traitement (MPT) recevant les sorties des premiers moyens de traitement, et propres à y rechercher une relation linéaire, existant sur une partie au moins des portes d'analyse, entre les signaux homologues relatifs aux différentes voies. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les seconds moyens de traitement (MPT) sont agencés pour réaliser une écartométrie angulaire de deux brouilleurs de confusion. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'au moins trois voies sont tirées directement des signaux issus des quatre quadrants de l'aérien de réception. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les différentes voies comprennent une voie somme (S) tirée du signal reçu sur l'ensemble de l'aérien de récepion, et au moins deux voies différence (Dz, Dc, Dy) tirées des écarts entre les signaux reçus par différentes parties de l'aérien de réception. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les seconds moyens de traitement (MPT) déterminent la relation constante par un procédé d'ajustement linéaire, tel que le procédé des moindres carrés. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de réception comportent un premier changement de fréquence (MA) et en ce que les premiers moyens de traitement comportent un second changement de fréquence (MM), suivi d'une conversion analogique-numérique (CAN). 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une écartométrie en distance est réalisée sur l'une au moins des voies (CED). 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est installé à bord d'un autodirecteur.