Brevet FR2756052A1 — publié le 19980522

La présente invention se rapporte à un procédé de détermination des paramètres du mouvement propre d'un objet mobile pour radar cohérent capable de réaliser une analyse spatio-temporelle des signaux reçus. Elle concerne également l'application de cette détermination à un procédé d'imagerie cohérente d'un tel objet. Dans le domaine de la détection d'objets ou cibles par radar, il est connu qu'un objet dont la taille est très supérieure à la longueur d'onde du radar peut être représenté par un modèle de "points brillants" ; ces points, qui peuvent être des zones plus ou moins étendues, présentent une certaine stabilité spatiale, ce qui signifie que leur coefficient de rétrodiffusion est à peu près constant dans un certain domaine angulaire. Dans ces conditions, les variations du signal réfléchi vers le radar sont dues au mouvement relatif qui se décompose en translation de l'objet et mouvements propres de celui-ci. Il est connu de mettre à profit ces variations et l'existence des points brillants pour faire une imagerie de l'objet par des procédés de traitements ISAR (pour "Inverse Synthetic Aperture Radar" dans la littérature anglo saxonne). En connaissant les déplacements de l'objet par d'autres traitements classiques, on peut prédire l'évolution de la phase des signaux reçus, en tenir compte et déduire une image de la cible. Cependant, la qualité des résultats est souvent limitée par la méconnaissance ou la non-prise en compte des mouvements propres de l'objet (se ramenant à une rotation autour d'un centre instantané de rotation). En effet, compte tenu des longueurs d'onde habituellement utilisées en radar et des caractéristiques de taille et de vitesse de mouvement des objets, le temps d'intégration cohérente nécessaire pour réaliser l'imagerie est tel que les caractéristiques de mouvement varient pendant ce temps, ce qui met en défaut une analyse classique par transformée de Fourier. Ceci est d'autant plus vrai que l'objet est plus petit et-sawitesse-demouvemt pi usgranda Un objet de l'invention est de remédier à cet inconvénient, en mesurant de façon quasi-instantanée les paramètres des mouvements propres de l'objet, ou à tout le moins ceux nécessaires à une imagerie de l'objet, grâce à une analyse spatiale et temporelle du signal reçu par le radar. Ceci suppose que l'on peut mesurer à un instant donné ce signal en plusieurs points de l'antenne du radar, par exemple une antenne de type monopulse. Selon l'invention, il est donc prévu un procédé de détermination des paramètres du mouvement propre d'un objet mobile pour radar cohérent capable de réaliser une analyse spatio-temporelle des signaux reçus par une antenne (10) selon une voie somme (z) et au moins une voie différence (AXAy) ledit objet (3) étant rigide et animé d'un mouvement propre de rotation [R(sx,y,av )] autour d'un point [Q(X,Y,Z)] fixe par rapport à l'objet et dans le repère radar (ox,oy,oz) pendant la durée de ladite détermination, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à déterminer les paramètres (O)x, 0)y' WyX - WxY) du mouvement propre de l'objet à partir des signaux composites (E, Ax, Sy) observés par le radar. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un procédé d'imagerie cohérente caractérisé en ce qu'il utilise le procédé de détermination ci-dessus et comporte en outre une étape consistant à faire l'imagerie dudit objet en réalisant, pour chaque point [M(a,b)] de l'objet, un filtre adapté au signal somme (a(t))reçu dudit point en calculant les évolutions dudit signal somme à partir desdits paramètres. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints où: la la figure 1 est un schéma d'un exemple simplifié illustrant le problème posé; - la figure 2 est un diagramme de principe à partir duquel est expliqué le procédé selon l'invention dans le cas général - les figures 3 et 4 sont des schémas de mise en oeuvre de deux variantes selon l'invention, - la figure 5 est un schéma plus détaillé de réalisation de la détermination des paramètres du mouvement propre de l'objet, et - la figure 6 est un schéma de réalisation de l'imagerie d'un objet dans le procédé selon l'invention. Comme on l'a déjà indiqué ci-dessus, un problème posé est de faire une imagerie d'un objet avec un radar fixe sans que les résultats soient dégradés par les mouvements propres de l'objet. Pour mieux comprendre ce problème, on peut se reporter à l'exemple simple de la figure 1. On suppose que l'on veut faire l'imagerie d'une cible très lente ou immobile, par exemple, un bateau ayant une coque 1 et un mât 2. On suppose l'existence de deux points brillants A et B sur le mât 2. Par ailleurs, on suppose le bateau fixe par rapport au radar Ra pendant le temps de mesure mais animé d'un mouvement propre qui est une rotation autour d'un axe de rotation de trace 0 sur la figure, (par exemple roulis). Cet axe étant supposé fixe par rapport au radar pendant le temps de mesure, le mouvement du point A est caractérisé par une vitesse relative par rapport au radar v: v = hO où h est la distance OA et 6 la vitesse angulaire du bateau autour de l'axe O. Or, pour améliorer la résolution en fréquence, il faut augmenter le temps d'observation de la cible, ce qui implique en pratique que la vitesse angulaire Ô va varier au cours de ce temps d'observation, ce qui dégrade la mesure. On ne peut donc obtenir la valeur de h sans connaître la valeur de S. Il faut trouver un moyen d'estimer Ô pour lever l'ambiguïté sur la taille de la cible, donc dans le cas général estimer les paramètres du mouvement propre de l'objet. Pour cela, comme on l'a dit, il est nécessaire selon le procédé que le radar cohérent soit capable d'effectuer une analyse spatio-temporelle du signal reçu, c'est-à-dire que l'on puisse mesurer à un instant donné le signal reçu en plusieurs points de l'antenne. Dans la suite de la description, on prendra le cas d'une antenne de type monopulse sans que cela soit en rien limitatif. Par ailleurs, on suppose qu'il existe des moyens classiques, par exemple dans le radar lui-même, pour déterminer la position et le mouvement global de l'objet. La figure 2 est un diagramme à partir duquel on va expliquer le principe du procédé selon l'invention. Sur cette figure, on a représenté le wepère radar O.rXOwn stlpposmt que le plan .Oy xty~soit ie plan de l'antenne et que l'axe de l'antenne, Oz, soit proche de l'objet 3. On fait les hypothèses suivantes: - L'objet est totalement rigide; - pendant la durée de mesure des paramètres du mouvement de l'objet, celui-ci est animé d'un mouvement propre qui est une rotation R(a > ,,a)^,+) constante autour d'un centre de rotation Q(X,Y,Z) fixe par rapport à l'objet et dans le repère radar. Ces hypothèses sont acceptables car, d'une part, de petites déformations (rapides) de l'objet n'affectent que faiblement les performances et, d'autre part, les variations du centre et du vecteur de rotation sont lentes et, comme on l'a dit, on peut compenser le mouvement global de l'objet puisque, par ailleurs, des moyens classiques permettent de le déterminer. Dans ces conditions, pour un point quelconque M(a,b,c) de l'objet: - les valeurs a-X, b-Y et c-Z sont de l'ordre de grandeur de la taille de l'objet; - les valeurs a et b sont petites et de même ordre de grandeur et c est grand et sensiblement égal à la distance de l'objet au radar, connue par ailleurs. On a en outre accès à la mesure du signal au point 0 (voie somme z du radar) et aux dérivées de ce signal selon les axes Ox et Oy (voies différences Ax et Ay du radar). La distance d entre le point M et un point de l'antenne de coordonnées x et y est égale à: La rotation de l'objet se traduit vectorieilement par: #OM = R##M On en déduit, après avoir écrit les produits correspondants en coordonnées selon Ox, Oy, Oz: = X(b- Y)- ty(a - X) (2) D'autre part, sùpour un point M, le signal somme correspondant U est: alors la dérivée temporelle s'écrit: Sa . 4 o soit: o'=J4n[#x(b-Y)-#y(a-X)]# (4) On peut remarquer que le fait que d soit orthogonal à cr traduit que le point M a une amplitude constante. On voit aussi qu'au premier ordre, d ne dépend ni de , ni de Z. Si l'on écrit les dérivées partielles par rapport à x et y de d pour avoir leur valeur au point 0, puis celles de o à partir de la relation (3), on obtient: Comme les signaux différences #x et 6, correspondant au point M (écartométrie selon l'axe Ox et Oy respectivement) sont une mesure des quantités L## et L-, où L est l'écartement entre les deux centres de quantités L## et L## phase de l'antenne, choisi identique selon les deux axes, on obtient: A Dartir des relations (4) et (5). on en tire: Cette relation linéaire entre #, #, #x et #y, et et est la même pour tout point M de l'objet car elle est indépendante de a et b. Elle est donc vraie étalement pour les signaux composites reçus sur l'antenne: Les équations (4) et (6) permettent de faire une imagerie de la cible. En effet, L'équation (6), qui lie de façon linéaire des quantités observables #, #, #y, permet d'en déduire les paramètres utiles du mouvement de I'objet, à savoir #x, t9y et #yX - #xY. L'équation (4) permet ensuite de prévoir l'évolution du signal or pour un point donné de coordonnées a, b, donc de réaliser le filtre adapté à ce signal. Ceci suppose que a et b restent à peu près constants pendant le temps de traitement, ce qui est vrai si les mouvements propres de l'objet sont petits autour d'une position stable. II est important de noter que l'équation (4) permet de calculer les évolutions de o(t) même quand les paramètres utiles varient. Ainsi, le temps d'intégration peut être très supérieur à la durée pendant laquelle ces paramètres sont constants. Ceci est un avantage notable car cela permet de lever des ambiguïtés survenant dans le processus d'imagerie lorsque ces paramètres sont constants, comme on le verra ultérieurement. Plus précisément si on appelle f(t) la fonction: 4#[#x(b-Y)-#y(a-X)] et F(t) une intégrale de f(t),la formule générale donnant o est: = = mejF(t) (7) Ce traitement peut s'appliquer à chaque porte en distance du radar, ce qui permet de faire une imagerie en trois dimensions de l'objet, dans le cas où la résolution du radar est nettement plus petite que la taille de l'objet. L'équation (4) montre que les évolutions de or ne dépendent que de a;(b-Y)-a;(a-X) ; il y a donc ambiguïté quand les paramètres du mouvement sont constants. Dans ce cas, s'il n'y a qu'un seul point brillant sur la droite d'équation #x(b-Y)-#y(a-X), on peut mesurer a et b séparément par les relations (5). S'il y a plus d'un point brillant sur la droite, on peut se rendre compte de l'ambiguïté par les mêmes relations. Mais, comme le procédé selon l'invention décrit ci-dessus permet d'intégrer sur une durée pendant laquelle les paramètres du mouvement propre varient, cette variation peut être exploitée pour lever l'ambiguïté. Pour réaliser l'imagerie, il est nécessaire d'extraire les paramètres utiles à partir de l'équation (6). Celle-ci peut s'écrire: =i, +fiAy +j7 où: A partir d'un nombre suffisant d'échantillons de signaux #,#x,#y, on peut estimer or,ss et y. La durée d'estimation est adaptée aux vitesses d'évolution des paramètres. L'estimation peut se faire par exemple, sans que cela soit limitatif, en cherchant à minimiser la somme des moindres carrés: Pour cela, on peut écrire S sous la forme équivalente simplifiée: S = #|Z Iz- a1z1 - a2z2 - a3z3 2 avec z = 'i, Z1 = AxiZ z2 = #yi, Z3 = A A A et a, = a a2 = p, a3=j y ce qui conduit au système d'équations: dont &alpha;1,&alpha;2 et a3 sont solutions ce qui donne ,ss et y et, par les relations (8), les paramètres utiles #y,#x #y,#x et #yX- #xY. La figure 3 est le schéma d'un premier mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Le radar comporte de manière connue une antenne monopulse 10 fournissant les signaux composites ,Ax et Ay Elle est suivie de récepteurs 21 21 à 23 et d'un ensemble de traitement de signal 30 classique fournissant des informations de position et de mouvement global de l'objet détecté. Cet ensemble 30 fournit notamment la distance d de I'objet. II transmet aussi les échantillons de signaux vidéo ,Ax et hy et calcule en outre la dérivée ' de . Ces données sont envoyées à un dispositif 40 d'extraction des paramètres du mouvement propre de l'objet. Ces paramètres sont ensuite transmis avec la distance d à un dispositif 50 de traitement d'imagerie qui fournit les éléments d'image Im(a,b) de l'objet. Ces signaux d'image Im peuvent ensuite être utilisés par un dispositif d'identification de cible 60. Un autre mode de mise en oeuvre est représenté sur la figure 4, mode dans lequel on omet le traitement d'imagerie. Les mêmes références que sur la figure 3 désignent les mêmes éléments. Les paramètres du mouvement propre de l'objet issus du dispositif 40 sont appliqués directement à un dispositif d'identification 60' qui les compare à des jeux de paramètres contenus dans une bibliothèque 70. La figure 5 détaille la composition du dispositif 40 d'extraction des paramètres du mouvement propre de l'objet des figures 3 et 4. Un premier bloc de calcul 41 détermine les termes ajj et bk du système d'équations (9) selon les égalités suivantes: Le bloc de calcul 42 résout alors le système: ce qui donne les quantités a,P et y. Le bloc de calcul 43 en tire les paramètres du mouvement propre selon les relations (8). En ce qui concerne le traitement d'imagerie 50 représenté~plus en détail sur la figure 6, un bloc de calcul 51 commence par calculer la fonction f(t) donnée plus haut pour toutes les valeurs possibles a, b d'un point de I'objet. Puis un bloc de calcul 52 en extrait, à partir de la relation (7), les termes Im(a,b) selon la relation: Im(a,b) = f (t).eJF(t)dt On voit qu'on peut ainsi reconstituer l'image de points brillants de l'objet par filtrage adapté. Du fait que le procédé selon l'invention permet, quand les paramètres de mouvement propre varient au cours du temps, de lever les ambiguïtés qui peuvent apparaître dans le processus d'imagerie, il est donc bien adapté au traitement d'objets affectés de mouvement de type sinusoïdal ou pseudoaléatoire. Bien entendu, L'exemple de réalisation décrit n'est nullement limitatif de l'invention. En particulier bien qu'on ait choisi le cas d'une antenne monopulse pour exposer l'invention, il est clair qu'on pourrait aussi envisager l'utilisation d'une antenne à formation de faisceau par le calcul (FFC), optimisant le calcul de la dérivée spatiale. REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination des paramètres du mouvement propre d'un objet mobile pour radar cohérent capable de réaliser une analyse spatio-temporelle des signaux reçus par une antenne (10) selon une voie somme (#) et au moins une voie différence (x,Ay), ledit objet (3) étant rigide et animé d'un mouvement propre de rotation R(#x,#y,#:)] autour d'un point [S2(X,Y,Z)] fixe par rapport à l'objet et dans le repère radar (Ox,Oy,Oz) pendant la durée de ladite détermination, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à déterminer les paramètres (0 > x,03y, #yX-#xY) du mouvement propre de l'objet à partir des signaux composites (#,#x,#y) observés par le radar. 2. Procédé de détermination selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite détermination des paramètres du mouvement propre de l'objet consiste à: - estimer des quantités ez,ss,y à partir des échantillons de signaux composites somme #, et différences aux et #y selon ia relation: où ' est la dérivée du signal somme # et où avec À longueur d'onde du radar. L,-distance entre les centres de phase de l'antenne du radar, et d, distance entre un point donné [M(a,b)] de l'objet et le centre (o) de l'antenne; et - calculer les valeurs desdits paramètres (#x,#y,#yX -#xY) à partir des valeurs estimées des quantités =,ss et y. 3. Procédé de détermination selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'estimation des quantités Qfi, y consiste à chercher à minimiser la somme S des moindres carrés: où i est le rang des échantillons successifs dans le temps des signaux composites. 4. Procédé d'imagerie cohérente d'objet mobile pour radar cohérent capable de réaliser une analyse spatio-temporelle des signaux reçus par une antenne (10) selon une voie somme (E) et au moins une voie différence ledit ledit objet (3) étant rigide et animé d'un mouvement propre de rotation [R(#x,#y,#:] autour d'un point [Q(X,Y,Z)] fixe par rapport à l'objet et dans le repère radar (ox,oy,Oz) pendant la durée de l'imagerie, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend une étape de détermination des paramètres du mouvement propre de l'objet selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 et une étape consistant à faire l'imagerie dudit objet en réalisant, pour chaque point [M(a,b)] de l'objet, un filtre adapté au signal somme (0(t)) reçu dudit point en calculant les évolutions dudit signal somme à partir desdits paramètres. 5. Procédé d'imagerie selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite étape de faire l'imagerie de l'objet consiste a: - Calculer une fonction f(t) à partir des paramètres du mouvement propre de l'objet selon la relation: f(t) =4#[#x(b - Y) - #y, (a - X)] # pour tout point [M(a,b)] ; et - déterminer l'image Im(a,b) de l'objet selon la relation: où F(t) est une intégrale de la fonction f(t) . 6. Procédé d'imagerie selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape d'identification de l'objet à partir du modèle de points brillants obtenu par ladite étape de faire l'imagerie de l'objet. 7. Procédé d'imagerie cohérente d'objet mobile pour radar cohérent capable de réaliser une analyse spatio-temporelie des signaux reçus par une antenne (10) selon une voie somme (S) et au moins une voie différence (Ax,Ay) ledit objet (3) étant rigide et animé d'un mouvement propre de rotation [R( ., y, )] autour d'un point [Q(XrY,Z)] fixe par rapport à l'objet et dans le repère radar (Ox,Oy,Oz) pendant la durée de l'imagerie, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend une étape de détermination des paramètres du mouvement propre de l'objet selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 et une étape d'identification de l'objet à partir des paramètres obtenus lors de ladite étape de détermination des paramètres, par comparaison desdits paramètres avec une bibliothèque (70).