Brevet FR2738350A1 — publié le 19970307

PROCEDE ET DISPOSITIF DE RECONNAISSANCE AUTOMATIQUE D'HELICOPTERE POUR RADAR ET APPLICATION A L'IDENTIFICATION D'HELICOPTERE La présente invention se rapporte à un procédé et un dispositif de reconnaissance automatique d'hélicoptère pour radar Doppler à impulsions et à un procédé et un dispositif de reconnaissance et d'identification automatique d'hélicoptère utilisant ledit procédé ou dispositif de reconnaissance. Dans le cadre de la surveillance par radar, le besoin s'est fait sentir de "reconnaître" certaines cibles et, en particulier, les hélicoptères. On a constaté que le signal reçu d'un hélicoptère se caractérisait par une modulation de type impulsionnel se répétant à intervalles réguliers et due aux échos de pale ou "éclairs" du rotor principal, notables uniquement lorsque le bord d'attaque ou de fuite de la pale est normal à l'axe de visée du radar. La fréquence des éclairs de rotor est en général caractéristique du type d'hélicoptère détecté. Par ailleurs, le signal radar comporte également, pour un hélicoptère, des échos dit "diffus" provenant des différentes parties tournantes autre que le rotor principal. Ces échos sont généralement de faible énergie et très dépendants de l'attitude de l'appareil vis-à-vis du radar mais contribuent, lorsqu'on a de forts rapports signal à bruit, à provoquer un plancher de bruit spectral perceptible et caractéristique des hélicoptères. Si ce critère n'est pas toujours utilisable, par contre les échos de pale du rotor principal constituent une signature très stable. L'invention a donc pour objet un procédé et un dispositif mettant à profit ces deux critères pour effectuer la reconnaissance automatique d'hélicoptère et utilisant seulement le second- critère pour l'identification. Un autre objet de l'invention est un procédé et un dispositif de reconnaissance automatique d'hélicoptère basé sur une évaluation de la queue de distribution du carré du module du signal radar après élimination des échos de fouillis et de corps de la cible. Selon l'invention, il est prévu un procédé de reconnaissance automatique d'hélicoptère pour radar Doppler à impulsions fournissant un nombre N d'échantillons pendant le temps de passage du faisceau d'antenne du radar sur une cible, ledit procédé étant basé sur la mise en évidence des éclairs de pale du rotor principal d'un hélicoptère et étant caractérisé en ce qu'il consiste - à éliminer par filtrage les échos de fouillis et les échos de corps des cibles - à évaluer, dans l'histogramme des amplitudes du signal filtré, la queue de distribution du signal au delà d'un premier seuil d'amplitude pour chaque porte en distance et sur un temps de passage du faisceau d'antenne t et - à comparer ladite évaluation de la queue de distribution à un second seuil pour en déduire si la cible dans ladite porte en distance est un hélicoptère. Selon un autre aspect de l'invention, il est également prévu un dispositif mettant en oeuvre ce procédé. Selon encore un autre aspect de l'invention, il est prévu un procédé de reconnaissance et d'identification automatique d'hélicoptère pour radar Doppler à impulsions fournissant un nombre N d'échantillons pendant le temps de passage du faisceau d'antenne du radar sur une cible, dans lequel la présence d'un hélicoptère est reconnue par le procédé de reconnaissance précisé ci-dessus, caractérisé en ce que l'identification consiste, chaque fois qu'un hélicoptère a été reconnu, à effectuer une analyse spectrale du signal, dans la porte en distance correspondante, sur r blocs d'échantillons et à extraire la fréquence d'éclairs de pale caractéristique. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaitront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints où - la figure l est un diagramme explicatif représentant le signal radar d'un hélicoptère après élimination des échos de fouillis et de corps de la cible - la figure 2 représente schématiquement des courbes de distribution du carré du module du signal radar pour certaines cibles - la figure 3 est un diagramme du spectre du signal radar d'un hélicoptère - la figure 4 est un schéma d'un dispositif de reconnaisance d'hélicoptère selon l'invention - la figure 5 représente schématiquement le découpage du panorama radar pour le dispositif de la figure 4 - la figure 6 représente les diagrammes d'écriture et de lecture des signaux radar pour obtenir le découpage selon la figure 5 - la figure 7 est un schéma d'un dispositif d'identification d'hélicoptère selon l'invention ; et - la figure 8 représente un organigramme de l'algorithme de compression temporelle mis en oeuvre dans le dispositif de la figure 7. En surveillance du sol et en présence d'un hélicoptère, le signal reçu dans un radar Doppler à impulsions est composé généralement de la superposition - d'un bruit sensiblement blanc - d'un écho de fouillis comprenant l'écho de sol de vitesse Doppler nulle - d'un écho de corps, affecté d'un décalage Doppler correspondant à la vitesse radiale de l'hélicoptère ; - d'un écho de pale du rotor principal de l'hélicoptère, notable uniquement lorsque le bord d'attaque ou de fuite de la pale est normal à l'axe de visée du radar - d'un écho "diffus" provenant des différentes parties tournantes autres que le rotor principal (turbine, rotor de queue, ...). La figure 1 représente, en fonction du temps, un signal radar s(t) typique d'un hélicoptère après élimination des échos de fouillis et de corps. Normalement, un éclair de pale donne un pic unique, tel El ou E4, dont l'amplitude est supérieure à un seuil prédéterminé S. Par ailleurs, en raison des filtrages appliqués au signal radar, on constate un élargissement des éclairs et l'apparition de pics secondaires tels E3 ou E5. Enfin, des pics, tel E2, correspondant à du bruit peuvent se produire. Si on désire décompter les éclairs pour effectuer par mesure de fréquence une détection et une identification des hélicoptères, on est obligé de fixer un seuil S élevé (pour éliminer les pics secondaires et fausses alarmes). On risque alors des erreurs par non détection de certains éclairs, ce qui fausse les mesures de fréquence. La figure 2 représente l'histogramme du signal s(t) ou plutôt du carré a du module dudit signal s(t) de la figure 1. p(a) est la distribution de ce carré du module a. La courbe 1 a été tracée dans le cas d'une cible constituée par un véhicule quelconque (camion, char etc ...) alors que la courbe 2 correspond à un hélicoptère. On voit immédiatement que, si les deux courbes sont sensiblement confondues pour la majorité des échantillons inférieurs à une certaine valeur, par contre la queue de distribution diffère notablement pour les deux types de cible, ce qui peut permettre d'en tirer un critère de reconnaissance des hélicoptères. Plus précisément, pour améliorer la discrimimination on pondère le nombre d'échantillons de chaque amplitude par leur distance en amplitude à un seuil S1 représenté sur les figures 1 et 2 et on calcule l'intégrale de cette queue de distribution pondérée, selon la relation Ceci revient à prendre en considération toute l'énergie de chaque éclair (zone hachurée) même celle contenue dans les pics secondaires dus aux filtrages. La comparaison de cette intégrale à un second seuil S2 permet de séparer les cibles en hélicoptères et autres cibles mobiles. Ce critère est plus fiable que la simple détection de chaque éclair car sa variance est plus faible pour la raison indiquée ci-dessus (intégration de tous les éclairs). En outre, pour améliorer encore la capacité de reconnaissance des hélicoptères on utilise simultanément un deuxième critère comme indiqué au début. En effet, en raison des échos "diffus", on a, pour des rapports signal à bruit suffisamment forts, un plancher spectral de bruit propre aux hélicoptères. La figure 3 représente schématiquement ce phénomène. Cette figure montre le spectre du signal d'écho d'un hélicoptère (courbe Al). Ce spectre présente un pic C correspondant à l'écho de corps de l'hélicoptère et 'un plancher se trouvant toujours en moyenne à 20 dB en dessous de l'écho de corps. On voit que si le rapport signal à bruit est fort, ce plancher est nettement supérieur au plancher de bruit thermique du radar. Par contre, lorsque le rapport signal à bruit est faible, le plancher de bruit thermique masque celui dû à l'hélicoptère. En moyenne, cela se traduit par le fait que la puissance du signal après élimination de l'écho de corps de l'hélicoptère, Pf est égale à celle du signal avant cette élimination, Pc, divisée par une constante CH qui ne dépend que du nombre d'échantillons du signal considéré et du gain du filtre utilisé, ceci lorsque le rapport signal à bruit est supérieur à 20 dB. Ceci est propre seulement aux hélicoptères et on met donc & profit cette différence de comportement comme second critère en asservissant le premier seuil S1 à la valeur Pc/CH et pas seulement à la valeur Pf. En conséquence, on choisit le seuil S1 tel que S1 = k Pf + Pc (2) 7 H où k est un coefficient constant choisi supérieur à 1. Ceci revient à ne sélectionner dans le signal que l'information relative aux éclairs, l'information comprise entre ceux-ci n'étant pas suffisamment discriminante. Ainsi, suivant le cas, on aura Rs/b 20 dB Hélicoptère S1 z k.Pf Sl # (k+l)Pf Autre cible Si z k.Pf S1 > > (k+l)Pf On voit que, pour les forts rapports signal à bruit, on accentue notablement la faculté de discrimination du seuil Si entre hélicoptère, ayant des éclairs supérieurs & Si, et autres cibles, n'ayant que très peu de chance de présenter des pics supérieurs à S1. Cela étant, la figure 4 représente un schéma de dispositif de reconnaissance automatique d'hélicoptère selon l'invention. Le signal radar démodulé en phase et en quadrature et mis sous forme numérique est envoyé à un redistributeur comportant deux mémoires il et 12 ainsi que des circuits d'écriture 10 et de lecture 13. Ce redistributeur regroupe les échantillons du signal, mis en portes en distance, en blocs d'échantillons. Ce regroupement est explicité à l'aide des figures 5 et 6. Chaque bloc comprend les échantillons des p portes en distances du radar, correspondant à une fraction du panorama radar. Avec r blocs (r entier 2 1) on couvre une portion de panorama radar correspondant au temps de passage du faisceau d'antenne du radar. Comme représenté sur la figure 5, les blocs sont choisis pour se recouvrir partiellement selon une zone 28, ceci afin de s'affranchir des transitoires lors du filtrage de chacun des blocs successivement. Le recouvrement peut être par exemple de l'ordre de six échantillons, chaque bloc comportant par exemple 64 échantillons par porte en distance. Pour permettre la lecture et le traitement d'un bloc n pendant l'enregistrement du bloc suivant n+1, on dispose de deux mémoires utilisées en alternat.La figure 6 schématise la commande en écriture de ces deux mémoires 11 et 12. Comme on le voit, l'intervalle entre deux écritures dans une mémoire est inférieur & la durée d'une écriture de façon à avoir un recouvrement partiel 28 de l'écriture dans les deux mémoires. Le traitement des blocs d'échantillons lus dans les mémoires 11 et 12 s'effectue ensuite par porte en distance et est le suivant. On procède d'abord à l'élimination du fouillis dans un filtre 14. Le signal filtré est ensuite transposé en fréquence de la fréquence Doppler de la cible présente. Pour cela, on effectue dans un circuit 15 de tout type connu une estimation de la fréquence Doppler Fd de la cible à partir des signaux fournis par le filtre 14 et on transpose le signal filtré de cette valeur dans un circuit de transposition 16.Le signal transposé est alors filtré dans un second filtre 17 qui élimine les échos de corps des cibles. Après ce second filtrage, on calcule le carré du module du signal dans un circuit 18 qui fournit ces carrés à une mémoire 19. Des moyens de détection 20 effectuent sur r blocs adjacents fournis par la mémoire 19 le calcul de l'intégrale de l'équation (1). Pour cela, ces moyens de détection 20 calculent d'abord le seuil S1 correspondant à partir des valeurs de puissance moyenne Pc, avant élimination de l'écho de corps, et Pf, après élimination, fournies par des circuits de calcul 21 et 22. Le calcul de l'intégrale Il est donc un calcul glissant effectué sur r blocs adjacents et se décalant d'un bloc à chaque itération. Le calcul se fait sur r blocs, c'est-à-dire sur N échantillons correspondant au temps de passage du faisceau d'antenne. Enfin, le circuit de détection 20 compare le résultat I1 obtenu au second seuil S2 pour fournir une information de reconnaissance d'hélicoptère vers des moyens de visualisation (non représentés) et vers un autre dispositif comme on le verra ci-dessous. La figure 7 représente le schéma d'un dispositif d'identification automatique d'hélicoptère grâce à la fréquence des éclairs de pale. En effet, cette fréquence est caractéristique du type d'hélicoptère détecté. Cette fréquence peut être extraite du signal radar reçu, une fois éliminés les échos de fouillis et de corps de la cible. On utilise donc le signal fourni par le circuit de filtrage 17 de la figure 4. Ce signal est appliqué à des moyens de compression temporelle 30. En effet, le signal fourni comporte des échantillons correspondant à des éclairs de pale (dans le cas où la cible est un hélicoptère) séparés par de nombreux échantillons nuls. Pour alléger le traitement ultérieur, on va donc résumer un paquet d'échantillons par un seul échantillon, c'est-à-dire que l'on va sous-échantillonner le signal. On remplace donc chaque paquet de g échantillons successifs par un échantillon unique dont l'amplitude est choisie égale à l'amplitude de l'échantillon maximum parmi les g échantillons du paquet. Ceci introduit évidemment un léger biais dans la mesure de la fréquence mais, en moyenne, celle-ci est conservée. L'organigramme de la figure 8 résume les opérations effectuées par les moyens de compression temporelle 30. i est l'indice représentant le rang de l'échantillon du signal reçu, iql est l'indice représentant le rang de l'échantillon du signal comprimé. iq est un indice calculé à partir de l'indice i selon la relation i = Int (1 + i'l(3) q où le symbole Int signifie "partie entière de". A est un registre de mémoire dans lequel peut être stockée l'amplitude d'un échantillon. Nobs est le nombre d'échantillons observés du signal reçu sur lequel s'effectue la compression. Le dispositif est initialisé en 40. Le bloc 41 symbolise l'opération correspondant à la relation (3) ci-dessus. On compare le résultat iq à la valeur iql en 42. Tant que iq est égal à iql (échantillon résumé en cours de calcul), on met en mémoire A l'amplitude la plus élevée entre l'amplitude déjà stockée en A et l'amplitude de l'échantillon i en cours de traitement (étape 43) puis on compare i au nombre Nobs (étape 46). S'il lui est inférieur, on augmente i d'une unité (étape 47) et on reprend les mêmes opérations.Dès que iq n'est plus égal à iql (et lui devient supérieur d'une unité), c'est qu'on est passé & un échantillon du paquet suivant. A la sortie de 42, on extrait donc les valeurs actuelles de A et iql qui caractérisent l'échantillon résumé, puis on stocke dans A l'amplitude du nouvel échantillon i en cours de traitement (étape 44) et on remplace iql par la valeur iq obtenue (étape 45), avant de poursuivre les opérations comme précédemment pour déterminer le nouvel échantillon résumé. En revenant & la figure 7, les échantillons résumés sont mis en mémoire dans une mémoire 31. On effectue ensuite sur ces échantillons une analyse spectrale classique, par exemple par calcul de la transformée de Fourier rapide 32. Un circuit 33 de calcul du module calcule le module des valeurs des différents points de la transformée de Fourier et envoie ces modules à un circuit d'extraction et d'identification 34 qui extrait la valeur de la fréquence d'éclairs de pale et fournit cette information sous forme adéquate vers une visualisation. On comprend que, si les opérations du dispositif d'identification de la figure 7 sont faites pour toutes les portes en distances sur tous les groupes de blocs d'échantillons, la charge de calcul du dispositif sera très importante et portera en grande partie sur des blocs d'échantillons nuls (portes en distance ne comportant pas de cibles ou des cibles autres que des hélicoptères qui ne fournissent pas d'éclairs). Pour éviter cela, le dispositif d'identification est commandé par un séquenceur 35 qui est lui-même contrôlé par le signal "hélicoptère reconnu" venant du dispositif de reconnaissance automatique de la figure 4. Ainsi, le dispositif d'identification ne traite que les signaux venant de portes en distance où un hélicoptère a été reconnu. On peut remarquer que, dans le même ordre d'idées, le dispositif de reconnaissance automatique de la figure 4 peut effectuer un traitement systématique ou bien être commandé sélectivement en distance pour ne traiter que des échantillons correspondant à des cibles détectées par ailleurs par la détection radar classique. Naturellement, les dispositifs des figures 4 et 7 pourraient aussi être réalisés par un traitement séquentiel en parallèle par des circuits microprogrammés. Bien entendu, les exemples de réalisation décrits ne sont donc nullement limitatifs de l'invention. RHVZNDICATIOMS 1. Procédé de reconnaissance automatique d'hélicoptère pour radar Doppler à impulsions fournissant un nombre N d'échantillons pendant le temps de passage du faisceau d'antenne du radar sur une cible, ledit procédé étant basé sur la mise en évidence des éclairs de pale du rotor principal d'un hélicoptère et étant caractérisé en ce qu'il consiste - à éliminer par filtrage les échos de fouillis et les échos de corps des cibles - à évaluer, dans l'histogramme des amplitudes du signal filtré, la queue de distribution du signal au delà d'un premier seuil d'amplitude pour chaque porte en distance et sur un temps de passage du faisceau d'antenne ; et - à comparer ladite évaluation de la queue de distribution à un second seuil pour en déduire si la cible dans ladite porte en distance est un hélicoptère. 2. Procédé de reconnaissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour éliminer par filtrage les échos de fouillis et les échos de corps des cibles - on regroupe lesdits échantillons en blocs d'échantillons correspondant chacun à une fraction de panorama radar, une portion de panorama correspondant au temps de passage du faisceau d'antenne contenant r blocs avec r entier > 1 - on effectue un premier filtrage du signal radar ainsi regroupé pour éliminer les échos de fouillis - on évalue, à partir du signal filtré par ledit premier filtrage, la fréquence Doppler de l'écho de corps de la cible - on transpose de cette valeur estimée de fréquence Doppler ledit signal filtré ; et - on effectue un second filtrage du signal ainsi transposé pour éliminer l'écho de corps de la cible. 3. Procédé de reconnaissance selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, pour évaluer ladite queue de distribution - on calcule le carré du module du signal filtré où les échos de fouillis et de corps ont été éliminés ; et - on calcule l'intégrale pondérée de la queue de distribution dudit carré du module du signal filtré au delà dudit premier seuil S1, ladite distribution étant pondérée par la distance desdits carrés audit premier seuil selon la relation où a représente le carré du module, p(a) ladite distribution et où le calcul est effectué de manière glissante sur r blocs adjacents à la fois. 4. Procédé de reconnaissance selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit premier seuil S1 est déterminé en - calculant, à partir dudit signal filtré par ledit premier filtrage, la puissance moyenne Pc dudit signal filtré - calculant, à partir dudit signal filtré par ledit second filtrage la puissance moyenne Pr dudit signal filtré par le second filtrage ; et - calculant ledit premier seuil selon la relation S1 = k PF + Pc CH où k est un coefficient prédéterminé supérieur à 1 et où CH est une constante spécifique aux hélicoptères lorsque le rapport signal à bruit du radar est supérieur à 20 dB et qui ne dépend que du nombre d'échantillons du signal considéré et du gain du second filtrage. 5. Procédé de reconnaissance et d'identification automatique d'hélicoptère pour radar Doppler à impulsions fournissant un nombre N d'échantillons pendant le temps de passage du faisceau d'antenne du radar sur une cible, dans lequel la présence d'un hélicoptère est reconnue par un procédé de reconnaissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'identification consiste, chaque fois qu'un hélicoptère a été reconnu, à effectuer une analyse spectrale du signal, dans la porte en distance correspondante, sur r blocs d'échantillons et à extraire la fréquence d'éclairs de pale caractéristique. 6. Procédé de reconnaissance et d'identification selon la revendication 5, caractérisé en ce que, avant l'analyse spectrale, on effectue une compression du nombre d'échantillons du signal par une opération de souséchantillonnage sur le temps de passage du faisceau d'antenne. 7. Dispositif de reconnaissance automatique d'hélicoptère pour radar Doppler & impulsions fournissant un nombre N d'échantillons pendant le temps de passage du faisceau d'antenne du radar sur une cible, mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens de redistribution (10 à 13) desdits échantillons de signal radar pour fournir ceux-ci par blocs de P échantillons pour chaque porte en distance, ces blocs étant regroupés par groupes de r blocs successifs correspondant au temps de passage d'antenne dans ladite porte en distance - des premiers moyens de filtrage (14) d'élimination du fouillis sur chaque groupe de blocs d'échantillons, fournissant des échantillons de signal filtré - des moyens d'estimation (15) de la fréquence Doppler correspondant à l'écho de corps d'une cible dans la porte en distance traitée, à partir dudit signal filtré - un circuit (16) de transposition de la fréquence dudit signal filtré par une quantité égale & ladite fréquence Doppler estimée - des seconds moyens de filtrage (17) pour éliminer les échos de corps dans ledit signal transposé par ledit circuit (16) - des premiers moyens (18) de calcul du carré du module dudit signal filtré par lesdits seconds moyens de filtrage (17) - des moyens de mémorisation (19) desdites valeurs de module calculés par lesdits moyens de calcul (18) ;; - des seconds moyens (21) de calcul de la valeur moyenne de la puissance Pc du signal fourni par lesdits premiers moyens de filtrage (14) avant élimination des échos de corps - des troisièmes moyens (22) de calcul de la puissance moyenne Pf du signal fourni par lesdits seconds moyens de filtrage (17) après élimination des échos de corps ; et - des moyens de détection (20) incluant, d'une part, des moyens pour calculer ledit premier seuil d'amplitude S1 selon la relation S1 = k Pf + Pc CH où k est un coefficient prédéterminé supérieur à 1 et où CH est une constante spécifique aux hélicoptères, et pour calculer l'intégrale pondérée de la queue de distribution p(a) dudit carré du module a selon la relation à partir des valeurs dudit carré stockées dans lesdits moyens de mémorisation (19) et incluant, d'autre part, des moyens pour comparer ladite intégrale & un second seuil S1 pour fournir un signal indiquant, suivant le résultat de ladite comparaison, si la cible est un hélicoptère ou non. 8. Dispositif de reconnaissance et d'identification automatique d'hélicoptère pour radar Doppler à impulsions, utilisant un dispositif de reconnaissance selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un module d'identification effectuant, pour chaque groupe de r blocs d'échantillons d'une porte en distance que ledit dispositif de reconnaissance a reconnu comme contenant les signaux d'un hélicoptère, l'analyse spectrale du signal pour extraire la fréquence d'éclairs de pale correspondante. 9. Dispositif de reconnaissance et d'identification automatique selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit module comprend - des moyens de compression temporelle et de mémorisation (30, 31) desdits groupes de blocs d'échantillons ; - des moyens (32) d'analyse spectrale du signal composé desdits échantillons mémorisés ; et - des moyens (33, 34) d'extraction de la fréquence d'éclairs de pales à partir des informations fournies par lesdits moyens d'analyse spectrale (32). 10. Dispositif de reconnaissance et d'identification automatique selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits moyens de compression temporelle et de mémorisation comprennent des moyens pour remplacer chaque groupe de q échantillons successifs sur les Nobs échantillons d'un temps d'observation par un échantillon unique dont la valeur est égale à la valeur maximum parmi les q échantillons.