Brevet FR2751424A1 — publié le 19980123

La présente invention concerne des systèmes à radar destinés à mesurer la hauteur au-dessus du sol (c'est-à-dire des altimètres). I1 est de plus en plus important que les altimètres à radar réduisent au minimum la puissance qu'ils émettent afin que la possibilité de leur détection par un équipement récepteur hostile soit réduite. I1 est aussi de plus en plus important que les altimètres à radar donnent des lectures altimétriques plus précises. Ainsi, la présente invention a pour objet la réalisation d'un système souple à radar dans lequel la quantité d'énergie émise n'est pas supérieure à celle qui est nécessaire à la conservation du verrouillage sur l'écho du sol, avec une marge raisonnable de sécurité. La présente invention a aussi pour objet l'élimination de la source principale d'erreurs systématiques sur la hauteur dans la lecture altimétrique, associée à des rapports variables signal-sur-bruit (S/N). La présente invention concerne ainsi un système à radar destiné à déterminer l'altitude et comprenant un émetteur et un récepteur radar à impulsions, et un système de poursuite destiné à suivre les impulsions renvoyées sous forme d'écho, le système à radar ayant un arrangement de réglage automatique de gain destiné à régler la puissance d'émission du radar en fonction de l'amplitude des impulsions renvoyées d'échos qui sont reçues, si bien que le rapport signal-sur-bruit au point de poursuite, aux flancs antérieurs des impulsions renvoyées d'échos, est maintenu à une valeur pratiquement constante pour une hauteur donnée, dans toute la plage de fonctionnement. Une autre demande de brevet décrit un système altimétrique à radar dans lequel la largeur des impulsions émises augmente proportionnellement à la hauteur, et la largeur de bande du récepteur est approximativement adaptée à la largeur de l'impulsion émise (les deux valeurs restant entre les limites de la réalisation). L'altimètre est destiné à suivre une hauteur à laquelle la puissance du signal renvoyé d'écho est un certain multiple (dépendant de la hauteur) de la puissance thermique de bruit. Lorsque le rapport S/N de l'écho est bon à la valeur de crête, comme dans le cas (en l'absence de réglage automatique de gain) d'un vol à altitude constante au-dessus de terrains ayant un pouvoir réflecteur élevé, le point de poursuite se trouve alors à la partie inférieure (début) du flanc antérieur de l'impulsion d'écho, après filtrage. Pour une sensibilité limite (faible rapport S/N de crête), obtenue pour des hauteurs élevées, lors d'un vol au-dessus d'un terrain à faible pouvoir réflecteur et pour les limites d'attitude de l'aéronef, le point de poursuite remonte vers le pic de l'impulsion d'écho, après filtrage. Dans le cas du système complètement adapté envisagé, cette variation du point de poursuite (dépendant du rapport de crête S/N de l'écho) est de l'ordre d'une largeur d'impulsion, pouvant correspondre à 5 e de la hauteur véritable. Ceci donne des erreurs systématiques sur la hauteur à la lecture de hauteurs altimétriques, qui ne peuvent pas être supprimées par formation de la moyenne sur de nombreuses impulsions (au contraire des erreurs aléatoires) ou qui ne peuvent pas être compensées (puisque le rapport S/N est inconnu). L'utilisation d'un réglage automatique du gain permet une correction de cette situation, par maintien à une valeur approximativement constante, pour une hauteur donnée, du rapport de crête S/N de l'écho. Dans un mode de réalisation préféré de la présente invention, le système à radar a un circuit de hauteur de poursuite-recherche destiné à mémoriser et remettre à jour des données relatives à la hauteur de poursuite-recherche et à transmettre des signaux dépendant de la hauteur à l'émetteur afin que la largeur de l'impulsion émise soit ajustée, un circuit d'échan tillonnage couplé au filtre du récepteur est destiné à obtenir des échantillons de bruit, de signal et de réglage automatique de gain à partir du train filtré des impulsions d'échos, un premier circuit de comparaison de signaux, couplé au circuit d'échantillonnage et destiné à recevoir des données relatives aux échantillons de bruit et de signal, afin qu'il compare ces données à un facteur de polarisation et qu'il transmette un signal de rétroaction au circuit de hauteur de poursuiterecherche par une boucle de rétroaction, l'arrangement de réglage automatique de gain comprenant un second circuit de comparaison de signaux couplé au circuit d'échantillonnage et destiné à recevoir des données relatives aux échantillons de bruit et de réglage automatique de gain et à comparer ces données à un facteur relatif de polarisation et à transmettre un signal de réaction à l'émetteur par une boucle de rétroaction afin qu'une variation de la puissance de l'émetteur soit réalisée d'une manière telle que le rapport signalsur-bruit de crête de l'écho reste approximativement constant, pour une hauteur donnée. La présente invention est décrite plus en détail à titre illustratif et en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est un diagramme synoptique d'un altimètre selon un mode de réalisation de la présente invention ; et la figure 2 est un graphique représentant la puissance moyenne de l'impulsion d'écho reçue en fonction du moment de l'échantillonnage, dans un altimètre selon un mode de réalisation de la présente invention. Un système de détection incorporé à un récepteur peut fonctionner comme un dispositif de numérisation à un bit traitant l'amplitude de la tension d'écho. Ce processus met en oeuvre un seuil destiné à donner, en moyenne, une fraction prédéterminée des recoupements a dans le seul bruit thermique. Ceci est obtenu par ajustement du gain du récepteur à l'aide d'un "point d'échantillonnage de bruit" (figure 2) à un certain retard par rapport l'émission de l'impulsion, ce retard étant inférieur au minimum correspondant aux échos provenant de l'impulsion, ce retard étant inférieur au minimum correspondant aux échos provenant du sol, lors du fonctionnement normal. Selon la présente invention, le point d'échantillonnage de bruit est pris à deux largeurs d'impulsions avant un point d'échantillonnage actuel de recherche-poursuite, pour lequel la fraction des recoupements est égale à ssT. A l'équilibre, la fraction de boucle de poursuite ssT dépasse a d'une quantité prédéterminée (polarisation), par exemple 1/Z, afin que l'équation suivante soit satisfaite - - a = 1/Z (1) La quantité Z est décrite comme étant le facteur multiplicateur de la boucle de poursuite. Une caractéristique avantageuse de la réalisation décrite dans une autre demande de brevet est que la polarisation peut être déterminée de manière qu'elle dépende de la hauteur h, et tire ainsi avantage de l'échelle de temps naturellement plus lente et en conséquence du plus grand nombre d'impulsions disponibles pour l'intégration aux plus grandes hauteurs. En fait, si Z varie proportionnellement à h , un gain d'intégra- tion proportionnel à hh peut être obtenu aux grandes altitudes. Dans un mode de réalisation de la présente invention, ' un point supplémentaire d'échantillonnage appelé point d'échantillonnage AGC ou de réglage automatique de gain, est utilisé pour la boucle de réglage du gain. Le point d'échantillonnage AGC est choisi de manière que, dans une situation normale de poursuite, il soit proche de la région du palier de l'impulsion d'écho après filtrage. Ce choix assure alors un découplage important des boucles AGC et de poursuite. Dans le mode de réalisation considéré, le découplage est obtenu par disposition du point d'échantillonnage AGC à une demilargeur d'impulsion du point d'échantillonnage. Un facteur multiplicateur de la boucle AGC est choisi comme étant égal à un multiple fixe de celui de la boucle de poursuite. Dans le mode de réalisation considéré, ce multiple est égal à 3, si bien que, à l'équilibre, la fraction moyenne des recoupements ss A au point d'échantillonnage AGC correspond à l'équation ss - a ~ 3/Z (2) Lorsque les rapports signal-sur-bruit aux points d'échantillonnage sont inférieurs à O dB, le détecteur suit approximativement le comportement d'un détecteur quadratique et l'excès des recoupements du seuil par rapport à ceux qui correspondent au bruit thermique seul (la fraction a ) est proportionnel au rapport des puissances signal-sur-bruit au point d'échantillonnage. Les rapports signal-sur-bruit inférieurs à O dB sont obtenus par sélection de la polarisation 1/Z (afin qu'elle soit suffisamment faible). Avec ce système, le rapport des puissances signal-sur-bruit au point d'échantillonnage AGC doit dépasser celui du point d'échantillonnage de poursuite du même multiple fixe que celui qui est appliqué pour la polarisation (ou du facteur de multiplication) c'est-à-dire d'un facteur 3 dans ce mode de réalisation ou approximativement 5 dB. La configuration du flanc antérieur des échos, lorsqu'ils sont soumis à l'opération de moyenne sur un nombre suffisamment grand d'impulsions afin que les effets d'interférence cohérente des sources distinctes provenant du sol présentent une décorrélation, dépend essentiellement du filtre du récepteur et très peu de la nature du terrain. A l'équilibre, la configuration géométrique de la situation impose alors que le point de poursuite se trouve toujours, avec une bonne approximation, à la même fraction fixe et calculable le long du flanc antérieur de l'écho filtré, clest-à-dire au point à partir duquel un déplacement d'une demi-largeur d'impulsion donne une augmentation d'environ 5 dB de la puissance de l'écho. Dans un système à adaptation complète, avec une largeur d'impulsion et un temps de réponse du filtre qui sont proportionnels à la hauteur h de recherche-poursuite, le décalage de cette hauteur de recherche-poursuite par rapport à la hauteur véritable est alors toujours un pourcentage fixe, facilement corrigé au cours du traitement. I1 faut noter que ce pourcentage fixe ne met pas en oeuvre le facteur multiplicateur dépendant de la hauteur et qui détermine la polarisation. Le récepteur actuel ne met en oeuvre qu'un seul canal de phase dans la bande de base (le canal I). Le procédé décrit pour le réglage automatique de gain n'est cependant pas limité à ce système et s'applique à la catégorie générale des détecteurs qui se réduisent à une approximation suffisante des détecteurs quadratiques pour les rapports signal-sur-bruit négatifs. La correction de la puissance d'émission, en dB, est réalisée sur la polarisation de l'erreur: E = Fraction des recoupements du seuil au point d'échan tillonnage AGC - fraction des recoupements du seuil au point d'échantillonnage de bruit - 3/Z (3) Dans le mode de réalisation considéré, les fractions des recoupements du seuil sont estimées sur des lots de 128 impulsions avant qu'une correction du gain par rétroaction ne soit effectuée. Cependant, de nombreux autres types de filtrage destinés à donner des estimations de ces fractions peuvent être utilisés. On peut montrer que la valeur prévue de l'erreur E est proportionnelle à l'erreur (dB) de la puissance d'émission pour la situation d'équilibre, pour de faibles erreurs (et pour de faibles rapports S/N). Si l'on appelle X la constante de proportionnalité, le facteur multiplicateur réel utilisé sur E pour l'obtention de la correction par rétroaction est inférieur à X afin que la boucle de rétroaction soit stabilisée. Ce facteur multiplicateur peut dépendre de la hauteur et, dans un mode de réalisation préféré, il est inversement proportionnel à la hauteur h de recherche-poursuite, afin que l'échelle des temps utilisée pour la correction du gain soit ralentie aux grandes hauteurs, comme pour la procédure de détection et la boucle de poursuite. On se réfère à la figure 1 des dessins ; une horloge 2, lorsqu'elle fonctionne, transmet un signal, par une ligne 4, à un circuit 6 de minutage destiné à commander le début de l'impulsion à la fréquence de répétition prf du radar (avec éventuellement une oscillation parasite autour de la fréquence moyenne prf). Les signaux de minutage provenant du circuit 6 sont transmis par des lignes 8 et 10 à un émetteur 12 et à un circuit 14 d'échantillonnage respectivement. L'émetteur 12 est destiné à émettre une impulsion de largeur T qui varie d'après un signal reçu d'un circuit 18 par une ligne 16. Le circuit 18 est destine à mémoriser et remettre à jour les données de hauteur actuelle h de recherche - poursuite, et il transmet des signaux dépendant de la hauteur par une ligne 16 vers l'émetteur 12 afin que la largeur T de l'impulsion émise soit ajustée, et par une ligne 20 à un filtre 22 d'un récepteur afin que la largeur de bande B du filtre 22 du récepteur soit ajustée en fonction de la hauteur actuelle h de recherche-poursuite. La largeur T d'impulsion et la largeur B de bande sont approximativement adaptées et, dans un mode de réalisation préféré, la largeur d'impulsion T est réglée proportionnellement à la hauteur h, alors que la largeur de bande B est réglée en proportion inverse de la hauteur h. Le signal de sortie du filtre 22 du récepteur est transmis par une ligne 28 au circuit 14 d'échantillonnage. Celui-ci a pour rôle d'obtenir les échantillons de bruit, de signal, de verrouillage d'état et AGC du train filtré d'échos avec des retards par rapport au début de l'impulsion. Les échantillons de bruit et de signal sont transmis à un circuit de comparaison 32 par des lignes 34 et 36 respectivement, et les échantillons de verrouillage d'état sont transmis à un processeur 26 par une ligne 35. Les échantillons de bruit et AGC sont transmis par des lignes 38 et 42 respectivement à un circuit supplémentaire 54 de comparaison. Le circuit 32 compare les échantillons de bruit et de signal avec des facteurs de polarisation (pouvant dépendre de la hauteur) provenant du processeur 26 par une ligne 44 afin qu'un signal de correction par rétroaction soit transmis au circuit 18. Le signal de correction par rétroaction est transmis par une ligne 46, par l'intermédiaire d'un circuit 48 de correction de hauteur par rétroaction, au circuit 18, le circuit 48 étant couplé de manière qu ' il reçoive des signaux de facteur d'échelle provenant du processeur 26 par une ligne 50. Les données concernant la hauteur actuelle h de recherche-poursuite sont renvoyées au processeur 26 par une ligne 52. Le processeur 26 a par exemple pour rôle de déterminer si le verrouillage a été obtenu, d'assurer un filtrage supplémentaire de la hauteur h avant affichage par un dispositif externe (non représenté) et d'ajuster des paramètres qui dépendent de la hauteur. Le circuit supplémentaire 54 de comparaison compare des échantillons de bruit et AGC à des facteurs de polarisation (dépendant éventuellement de la hauteur) provenant du processeur 26 par une ligne 56 afin qu'un signal de rétroaction soit transmis à l'émetteur 12 par une ligne 58, un circuit 60 de correction de gain par rétroaction et une ligne 62. Le gain dépend d'un facteur d'échelle transmis au circuit 60 par l'intermédiaire d'une ligne 64 à partir du processeur 26, si bien que le rapport signal-sur-bruit au point de poursuite, au flanc antérieur des impulsions renvoyées d'échos, restent pratiquement constants pour la hauteur donnée dans toute la plage de fonctionnement. REVENDICATIONS 1. Système à radar destiné à déterminer l'altitude, comprenant un émetteur et un récepteur radar à impulsions, et un système de poursuite destiné à suivre des impulsions renvoyées d'écho, le système radar ayant un arrangement de réglage automatique de gain destiné à régler la puissance d'émission du radar en fonction de l'amplitude des impulsions envoyées d'écho qui sont reçues, si bien que le rapport signal-sur-bruit au point de poursuite aux flancs antérieurs des impulsions renvoyées d'écho, est maintenu à une valeur pratiquement constante, pour une hauteur donnée, dans toute la plage de fonctionnement. 2. Système à radar selon la revendication 1, comprenant un circuit de hauteur de poursuite-recherche destiné à mémoriser et remettre à jour des données relatives à la hauteur de poursuite-recherche et à transmettre à l'émetteur des signaux dépendant de la hauteur afin que la largeur de l'impulsion émise soit ajustée, un circuit d'échantillonnage couplé au filtre du récepteur afin qu'il obtienne des échantillons de bruit, de signal et de réglage automatique de gain à partir du train filtré d'impulsions d'écho, un premier circuit de comparaison de signaux couplé au circuit d'échantillonnage et destiné à recevoir des données relatives aux échantilons de bruit et de signal, à comparer ces données à un facteur de polarisation et à transmettre un signal de rétroaction par une boucle de rétroaction au circuit de hauteur de poursuite-recherche, l'arrangement de réglage automatique de gain comprenant un second circuit de comparaison de signaux couplé au circuit d'échantillonnage et destine à recevoir des données relatives aux échantillons de bruit et de réglage automatique de gain, à comparer ces données à un facteur correspondant de polarisation et à transmettre un signal de rétroaction, par une boucle de rétroaction, à l'émet- teur afin qu'il assure un changement de la puissance de l'émetteur, si bien que le rapport signal-sur-bruit de crête de l'écho est maintenu à une valeur approximativement constante, pour une hauteur donnée. 3. Système à radar tel que décrit en référence aux figures 1 et 2 des dessins annexés et représenté par celles-ci.