Brevet FR2758889A1 — publié le 19980731

PROCEDE DE FONCTIONNEMENT DE RADAR A IMPULSIONS A LASER POUR LA DETERMINATION DE LA DISTANCE ET DE LA VITESSE RADIALE DE CIBLES L'invention concerne un procédé de fonctionnement de radar à impulsions à laser pour la détermination de la distance et de la vitesse radiale de cibles, avec une éva- luation Doppler, exécutée côté réception, dans des inter- valles de distances moyennant l'utilisation d'un dispositif d'analyse des fréquences, qui pour chaque intervalle de distances détermine au moyen de l'algorithme d'autocova- riance de couples d'impulsions, à partir de quelques signaux Doppler du radar à laser présents sous la forme de couples de valeurs amplitude/temps échantillonnés, une fré- quence Doppler moyenne f, qui est formée par la direction de la somme vectorielle de plusieurs multiplications com- plexes conjuguées de deux valeurs d'échantillonnage succes- sives respectives dans le plan des nombres complexes, la détermination de la direction étant effectuée au moyen de la formation de l'argument à l'aide de la fonction arctg2, qui par définition présente un point de discontinuité lors du passage de n à -n. Si on analyse, du point de vue des fréquences et en fonction de la distance, des signaux Doppler d'un radar à impulsions à laser, qui sont présents sous la forme de couples de valeurs amplitude/temps échantillonnés, on étu- die la fréquence Doppler moyenne de quelques valeurs d'échantillonnage, de façon typique 10 à 20 valeurs d'échantillonnage, pendant chaque intervalle de distances. Cette fréquence apparaît sur la base du décalage Doppler dans la direction du faisceau laser, qui représente le déplacement radial de cibles, notamment de cibles de dis- persion, comme par exemple de petites particules de pous- sière, dans chaque intervalle de distances. Des problèmes se présentant lors de la détermina- tion de la fréquence Doppler apparaissent en raison d'un niveau de bruit élevé et en raison de la grande largeur de bande lors de la mesure. Si l'on doit détecter par exemple des décalages Doppler dans la zone de +26 m/s, il faut que la largeur de bande totale (dite dans la-suite largeur de bande BW) soit égale à environ 10 MHz. D'une manière géné- rale on a: BW = 4Vmax/À, À étant la longueur d'onde du rayonnement laser et Vmax la vitesse maximale à mesurer. Le signal utile proprement dit P ne possède cependant qu'une largeur spectrale (désignée dans la bande étroite supplé- mentaire BN) d'environ 1 MHz. Un autre problème lors de la détermination de la fréquence Doppler se présente en raison de faibles puis- sances du signal de réception dues aux faibles intensités de rétrodispersion de petites cibles (par exemple de très petites particules de poussière) et en raison d'une grande distance recherchée de mesure, de par exemple quelques kilomètres. Si, comme cela est usuel, on recherche une haute résolution de distance, en raison de cette exigence on obtient, dans de nombreux très petits intervalles de distances, respectivement seulement quelques valeurs d'échantillonnage, ce qui peut conduire également à des problèmes plus importants lors de la détermination d'une fréquence Doppler. Il apparaît un problème supplémentaire lors de la détermination de la fréquence Doppler par le fait qu'une formation de la valeur moyenne de plusieurs signaux indivi- duels est possible uniquement après une estimation préa- lable de la fréquence, c'est-à-dire qu'il faut réaliser ce qu'on appelle une formation incohérente de la moyenne, étant donné que, dans le cas du radar à impulsions à laser, aucune adaptation de phase n'est possible entre les diffé- rents tirs avec le laser. L'erreur, qui apparaît sous l'effet de cette estimation préalable nécessaire de la fré- quence, continue par conséquent à être simplement cumulée par addition. On peut s'attendre à une amélioration de l'estimation de la fréquence uniquement dans le cas d'une accumulation de "bonnes" fréquences. Par exemple il est connu d'après la demande de brevet allemand 32 36 101 Al de déterminer la vitesse radiale d'une cible dans un appareil radar à impulsions, dans les intervalles de distances à l'aide d'un dispositif qui est sensible à la phase et qui détermine le déphasage vectoriel, qui apparaît sous l'effet du déplacement radial de la cible, entre deux impulsions d'échos successives (couple d'impulsions). Pour l'obtention de la fréquence Doppler moyenne, à partir de laquelle on obtient directe- ment l'information concernant la vitesse radiale de la cible détectée dans l'intervalle respectif de distances, on peut utiliser des blocs de filtres ou mieux une évaluation FFT (à transformation de Fourier rapide). Ce procédé connu présente cependant l'inconvénient d'un rendement relative- ment mauvais dans le radar à impulsions à laser. Un autre procédé connu pour déterminer la fré- quence Doppler moyenne pendant l'intervalle de distances respectif est ce qu'on appelle l'algorithme d'autocovarian- ce à couples d'impulsions, qui présente un rendement nette- ment plus élevé que la transformation de Fourier tradition- nelle. La fréquence Doppler moyenne f est fournie par la direction du vecteur complexe de la fonction d'autocorrélation dans le plan des nombres complexes con- fs n-1 formément à f = - arg ( Z xi* xi+1), fs représentant la 2n i=0 fréquence d'échantillonnage, xi+1 une valeur de mesure com- plexe et x i la valeur de mesure précédente d'un couple d'impulsions sous la forme complexe conjuguée. Le spectre du signal de mesure est également complexe et s'étend de -fs/2 jusqu'à +fs/2. La fréquence Doppler moyenne corres- pond par conséquent à un nombre compris entre 0 et n pour les fréquences positives et à un angle compris entre 0 et -n pour des fréquences négatives. (Voir Jour. Appl. Meteor. 22, pages 1776 à 1787). La fréquence Doppler moyenne recherchée est par conséquent formée par la direction de la somme vectorielle de plusieurs multiplications complexes conjuguées de valeurs d'échantillonnage successives. La détermination de direction s'effectue par la formation de l'argument à l'aide de la fonction "arctg2", qui possède par définition une discontinuité pour i à -Z. Ce point de discontinuité conduit à des estimations trop largement dispersées de fréquences pour un faible rapport signal/bruit, c'est-à- dire un mauvais rapport signal/bruit et/ou des fréquences élevées. L'invention a pour but d'établir le procédé, qui est basé sur l'algorithme d'autocovariance d'un couple d'impulsions, expliqué précédemment, pour déterminer la fréquence Doppler moyenne dans le cas du radar à impulsions à laser de telle sorte que d'une part on obtient un fil- trage précis, une limitation précise de la largeur de bande dans le domaine des fréquences, et que d'autre part on obtient une élimination des points de discontinuité de la fonction "arctg2" Conformément à l'invention, qui a trait à un pro- cédé de fonctionnement de radar à impulsions à laser du type décrit plus haut, ce problème est résolu grâce au fait que la formation de la somme de la fonction d'autocorré- lation est limitée à une zone angulaire, pouvant être déterminée, c'està-dire un secteur du plan des nombres complexes, que cette zone angulaire déterminée par la fréquence estimée f0 et une largeur de variation Af, est décalée dans la direction 0 avant une différenciation de cas, c'est-à-dire une limitation, que la limitation, c'est- à-dire la différenciation servant à indiquer si le vecteur individuel est situé ou non dans la zone prédéterminée, s'effectue sur la valeur absolue de la direction, et que la formation de la somme est exécutée exclusivement sur des vecteurs qui sont situés dans la zone angulaire limitée. La limitation, réalisée conformément à l'inven- tion, de la gamme d'évaluations fournit une limitation de la largeur de bande, du signal et par conséquent une amé- lioration du rapport signal/bruit. Etant donné que confor- mément à l'invention, seuls doivent participer à la somme des vecteurs qui sont situés dans un secteur limité, on obtient un filtrage nettement plus rapide et plus précis que cela n'était possible jusqu'alors avec des filtres numériques usuels et au moyen de la transformation de Fou- rier. La rotation, exécutée conformément à l'invention, du secteur dans le plan à 0 et l'étude de valeurs absolues de l'angle empêchent la discontinuité brusque de 180 à - 1800. Les vecteurs, qui, d'une manière conditionnée par le bruit et l'élargissement du spectre, pourraient "présenter une suroscillation", sont éliminés conformément à l'invention, de sorte que ce point de discontinuité est supprimé. Une variante de réalisation avantageuse de l'invention consiste en ce qu'une formation de valeur moyenne, qui correspond à une formation cohérente de valeur moyenne, est réalisée pendant une autre formation de somme des vecteurs. La formation de la valeur moyenne à l'intérieur de la détermination de fréquences sur une somme vectorielle étendue fournit une amélioration, pondérée par l'intensité du signal, de l'estimation de la fréquence. L'adaptation de phase entre des signaux individuels est supprimée en raison de la multiplication conjuguée complexe et de l'addition ultérieure des vecteurs dans le plan com- plexe des fréquences. Ce mode opératoire selon l'invention correspond par conséquent pour la première fois à une for- mation cohérente de la moyenne, dans le cas de la technique du radar à laser à effet Doppler. Ci-après, on va expliquer l'invention de façon détaillée en référence au dessin annexé, dont la figure unique illustre l'obtention, conformément à l'invention, de la fréquence Doppler moyenne dans un plan complexe des fré- quences (abscisses = partie réelle, ordonnées = partie ima- ginaire). Pour la détermination de la fréquence Doppler moyenne f pendant l'intervalle respectif de distances, on utilise l'algorithme d'autocovariance à couples d'impul- sions. La fréquence Doppler moyenne f est fournie par la direction du vecteur complexe de la fonction f5 n-l d'autocorrélation f = - arg ( x xi Xi+1). 2i i=0 La fréquence de balayage est fs et xi est la valeur de mesure complexe. Le spectre du signal de mesure est égale- ment complexe et s'étend de -fs/2 jusqu'à +fs/2. La fré- quence f correspond par conséquent à un angle compris entre 0 et n pour des puissances positives et entre 0 et -n pour des fréquences négatives. La fréquence Doppler moyenne recherchée f est formée par conséquent par la direction de la somme vecto- rielle de plusieurs multiplications complexes conjuguées de valeurs d'échantillonnage successives. La détermination de direction s'effectue par la formation de l'argument à l'aide de la fonction arctg2 qui possède par définition une discontinuité pour +180 à -180 . Conformément à l'invention, la formation de la somme de la fonction d'autocorrélation est limitée à une zone angulaire pouvant être déterminée, par exemple un sec- teur du plan complexe. Ce secteur est représenté en gris sur le dessin. Cette zone angulaire (qui correspond au sec- teur représenté en gris) est définie par une fréquence théorique fO et la largeur de variation Af. La zone angu- laire est pivotée dans la direction 0 avant la décision devant être prise pour le cas, c'est-à-dire avant la limi- tation. Conformément à une caractéristique de l'inven- tion, la limitation, c'est-à-dire la différenciation visant à déterminer si le vecteur individuel est situé dans la zone prédéterminée, s'effectue au moyen de la valeur abso- lue de la direction. La formation de la somme s'effectue alors uniquement sur des critères, qui sont situés dans la zone limitée. I1 est important que la rotation du secteur représenté en gris pour venir dans la direction à 0 et l'étude des valeurs absolues des angles empêchent une dis- continuité brusque de n à -Z. On élimine des vecteurs qui sont produits par le bruit et l'élargissement du spectre et exécutent une suros- cillation dans la zone représentée par des hachures sur les figures. Le point de discontinuité perturbateur est de ce fait évité et ne joue plus aucun rôle lors de la détermina- tion de la fréquence Doppler moyenne conformément à l'invention. Ci-après, on va expliquer de façon détaillée une possibilité de réalisation appropriée de la détermination selon l'invention de la fréquence Doppler moyenne et par conséquent déplacement radial des cibles, qui dans l'exemple sont des particules de poussière situées dans l'atmosphère. Tout d'abord, on détermine la fréquence d'estima- tion f0 dans les intervalles de distances, dans lesquels le rapport signal/bruit est élevé, par exemple à proximité du sol ou au moyen d'un écho renvoyé par un nuage. La largeur de variation Af peut prendre ici toute la largeur de bande Bw en raison du rapport signal/bruit élevé. La fréquence d'estimation f0 peut être fournie dans le cas de mesures par satellite, également au moyen d'une prévision du temps ou d'un modèle atmosphérique. La fréquence estimée f0 est alors transmise à des zones ayant un rapport signal/bruit plus faible, auquel cas la largeur de variation Af est choisie tout d'abord encore relativement élevée pour le premier calcul du profil en hauteur (par exemple la moitié de la largeur de bande totale Bw = BW/2), et est réduite de plus en plus fortement lors de calculs répétés. La fréquence estimée peut être alors transmise, après réduction de la largeur de bande, au moyen de la largeur de variation Af, et à d'autres inter- valles de distances présentant un rapport signal/bruit encore plus faible. La valeur initialement élevée de la largeur de variation Af garantit que l'algorithme peut suivre les variations de l'atmosphère (cisaillement du vent). La limite inférieure de la largeur de variation Af est fixée aussi bien par le système respectif de radar à laser (sta- bilité de la fréquence du laser à fLAS) que par les carac- téristiques de l'atmosphère (turbulence) et devrait par conséquent être au moins égale au double de la largeur spectrale du rayonnement laser. Dans le cas de la formation cohérente de la valeur moyenne par élargissement de la somme vectorielle à des mesures voisines, c'est-àdire dans le cas de plusieurs tirs au laser, il faut éventuellement éliminer les varia- tions (LAS (en radians) de la fréquence du laser avant la formation de la somme vectorielle, par mélange complexe. Ce processus peut être réalisé au moyen d'une multiplication complexe du signal temporel d'une manière nettement plus simple que dans le cas de l'analyse de Fourier utilisée habituellement, au moyen par exemple d'une transformation de Hilbert. Pour obtenir un nouveau signal temporel corrigé xn uveau, on exécute par conséquent avantageusement une multiplication complexe du signal temporel initial x (=Xréel, Ximaginaire), et ce sous la forme xnouveauréel = XréelC S(PLAS) + Ximaginairesin(YLAS) xnouveau.... x v imaginaire = XimaginaireC S(PLAS) + XréelSin(PLAS) Ci-après, on va expliquer encore une fois les différentes étapes de l'invention et leurs variantes de mise en oeuvre. La prise en compte exclusive uniquement de couples de valeurs d'échantillonnage amplitude/temps appa- raissant lors de la formation de la somme vectorielle de la fonction d'autocorrélation, qui sont situées à l'intérieur de la largeur de variation Af autour de la fréquence esti- mée f0 conformément à ABS(arctg2(xi*xi+)-fO-fLAS) la largeur de bande. L'étude des valeurs absolues ABS élimine en outre le point de discontinuité +180 /-180 pour la formation d'arguments avec la fonction arctg2. Des variations de la fréquence du laser fLAS sont prises en compte lors de la différenciation du cas, par soustraction lors de la formation de la somme vectorielle par une multiplication complexe dans la gamme temporelle. L'extension de la somme vectorielle à des mesures voisines, c'est-à-dire dans le cas de plusieurs tirs par le laser, correspond à la formation d'une valeur moyenne cohé- rente. REVENDICATIONS 1. Procédé de fonctionnement de radar à impul- sions à laser pour la détermination de la distance et de la vitesse radiale de cibles, avec une évaluation Doppler, exécutée côté réception, dans des intervalles de distances moyennant l'utilisation d'un dispositif d'analyse des fré- quences, qui pour chaque intervalle de distances détermine au moyen de l'algorithme d'autocovariance de couples d'impulsions, à partir de quelques signaux Doppler du radar à laser présents sous la forme de couples de valeurs ampli- tude/temps échantillonnés, une fréquence Doppler moyenne f, qui est formée par la direction de la somme vectorielle de plusieurs multiplications complexes conjuguées de deux valeurs d'échantillonnage successives respectives dans le plan des nombres complexes, la détermination de la direc- tion étant effectuée au moyen de la formation de l'argument à l'aide de la fonction arctg2, qui par définition présente un point de discontinuité lors du passage de n à -a, carac- térisé en ce que la formation de la somme de la fonction d'autocorrélation est limitée à une zone angulaire pouvant être déterminée, c'est-à-dire un secteur du plan des nombres complexes, que cette zone angulaire, déterminée par la fréquence estimée f0 et une largeur de variation Af, est décalée dans la direction 0 avant une différenciation de cas, c'est-à-dire une limitation, que la limitation, c'est- a-dire la différenciation servant à indiquer si le vecteur individuel est situé ou non dans la zone prédéterminée, s'effectue sur la valeur absolue de la direction, et que la formation de la somme est exécutée exclusivement sur des vecteurs qui sont situés dans la zone angulaire limitée. 2. Procédé de fonctionnement de radar à impul- sions à laser selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une formation de valeur moyenne, qui correspond à une formation cohérente de la valeur moyenne, est exécutée à partir de plusieurs signaux individuels ou d'intervalles assez longs à l'intérieur d'un signal individuel, au moyen d'une formation supplémentaire de sommes des vecteurs. 3. Procédé de fonctionnement de radar à impul- sions à laser selon l'une des revendications 1 ou 2, carac- térisé en ce que la fréquence estimée fo est déterminée dans les intervalles de distances, dans lesquels le rapport signal/bruit est élevé, la largeur de variation Af pouvant s'étendre sur la totalité de la largeur de bande en raison du rapport signal/bruit élevé. 4. Procédé de fonctionnement de radar à impul- sions à laser selon la revendication 3, caractérisé en ce que la fréquence d'estimation fo est transférée à des zones dans lesquelles le rapport signal/bruit est plus faible, la largeur de variation Af étant choisie tout d'abord encore relativement grande lors du premier calcul, c'est-à-dire de l'ordre de la moitié de la largeur de bande totale, alors qu'elle est de plus en plus réduite lors de la répétition des calculs. 5. Procédé de fonctionnement de radar à impul- sions à laser selon les revendications 3 et 4 prises dans leur ensemble, caractérisé en ce qu'après la réduction de la largeur de bande par la largeur de variation Af, la fré- quence estimée fo est transférée à d'autres intervalles de distances présentant un rapport signal/bruit encore plus faible. 6. Procédé de fonctionnement de radar à impul- sions à laser selon l'une quelconque des revendications 1 à , caractérisé en ce que la limite inférieure de la largeur de variation est égale au moins au double de la largeur spectrale du rayonnement laser. 7. Procédé de fonctionnement de radar à impul- sions à laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que dans le cas de la formation cohérente de la valeur moyenne au moyen de l'extension de la somme vectorielle à des mesures voisines, c'est-à- dire dans le cas de plusieurs tirs avec le laser, les variations, qui apparaissent éven- tuellement, de la fréquence du laser (yLAS en radians) étant éliminées avant la formation de la somme vectorielle, par mélange complexe. 8. Procédé de fonctionnement de radar à impul- sions à laser selon la revendication 7, caractérisé en ce que pour l'obtention d'un nouveau signal temporel corrigé xn uveau, une multiplication complexe du signal temporel original x (= Xréel, Ximaginaire) est exécutée et ce sous la forme xn uveauréel = XréelcoS((PLAS) + XimaginaireSin(gLAS) xnouveau. = x * o ()+x s n y xnv imaginaire XimaginaireC S(WLAS) + Xréelsin( LAS) 9. Procédé de fonctionnement de radar à impul- sions à laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que des variations de la fréquence du laser sont prises en compte au moyen d'une soustraction, lors de la différenciation de cas. 10. Procédé de fonctionnement de radar à impul- sions à laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour la mesure de la distance et des déplacements de cibles de dispersion. 11. Procédé de fonctionnement de radar à impul- sions à laser selon la revendication 10, caractérisé en ce que les cibles de dispersion à mesurer sont des petites particules de poussière dans l'atmosphère.