Brevet FR2751420A1 — publié le 19980123

SYSTEME RADAR DE SURVEILLANCE A IMPULSIONS A ANTENNE FIXE La présente invention se rapporte à un système radar de surveillance à impulsions à basse fréquence d'émission et à antenne fixe. Dans le cadre de la surveillance du champ de bataille et de la détection des menaces, notamment aériennes, il est nécessaire de prévoir des systèmes radars de surveillance disposés à proximité de la ligne de contact avec l'ennemi pour détecter toutes les menaces à très basse o10 altitude, telles qu'avions, hélicoptères, missiles, drones etc... La détection des menaces constituées par des avions volant à très basse altitude implique de pouvoir exercer une surveillance sur 360 en gisement. Par ailleurs, il faut pouvoir détecter la menace constituée par des hélicoptères masqués derrière de la végétation. Une solution connue pour détecter ce deuxième type de menace consiste à utiliser un radar avec une fréquence d'émission relativement basse, par exemple en V.H.F., couvrant un secteur limité de l'espace. L'un des problèmes posé alors est la taille des antennes à utiliser. L'utilisation d'antennes réseaux est une solution possible mais elle est limitée à un réseau constitué d'un faible nombre de sources rayonnantes si on veut rester dans des limites raisonnables de coût et d'encombrement. On aboutit donc à des antennes à faisceau large qui, compte tenu de leur faible directivité, ne donnent pas par elles-mêmes une résolution angulaire suffisante. Un premier objet de l'invention est donc un système radar capable de détecter toutes les menaces à très basse altitude, même masquées par la végétation, avec une résolution satisfaisante et un encombrement limité autorisant sa mobilité. Un autre objet de l'invention est un système radar à basse fréquence d'émission et à antenne réseau fixe utilisant un balayage électronique à l'émission et une formation de faisceaux par le calcul à la réception. Selon un premier aspect de l'invention, il est donc prévu un système radar de surveillance à impulsions à basse fréquence d'émission et à antenne fixe, caractérisé en ce que l'antenne fixe comprend 2P réseaux plans couvrant respectivement des secteurs adjacents de l'espace à surveiller, en ce que ledit système radar comporte des moyens émetteurs pour alimenter lesdits réseaux plans séquentiellement, des moyens de gestion pour commander lesdits moyens émetteurs de manière à effectuer un balayage électronique de chaque secteur par ledit réseau plan associé et des moyens récepteurs pour effectuer la réception des signaux radars provenant des directions successives illuminées par lesdits réseaux plans et lesdits moyens émetteurs, lesdits moyens de gestion commandant lesdits moyens récepteurs pour réaliser une formation de faisceaux par le calcul. Par ailleurs, compte tenu des grandes longueurs d'onde de 1o fonctionnement et des réflexions sur le sol qui, pour des cibles très basse altitude, créent un phénomène de franges claires et obscures dues à l'interférence entre les ondes directes et réfléchies, les franges obtenues ont des écarts très importants en distance, ce qui laisse subsister des creux non illuminés o une détection de cible est quasiment impossible. Pour remédier à cet inconvénient, l'invention prévoit d'émettre et recevoir dans chaque direction en gisement successivement à plusieurs fréquences d'émission différentes. Selon un autre aspect de l'invention il est donc prévu, dans un système radar tel que défini ci-dessus, que lesdits moyens émetteurs comprennent des moyens générateurs commandés par lesdits moyens de gestion pour émettre dans chaque direction de faisceau plusieurs rafales d'impulsion de fréquence d'émission différentes. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints o: - la figure 1 est un exemple d'antenne réseau utilisable dans un système selon l'invention; - la figure 2 est un mode de réalisation d'une antenne fixe pour le système radar selon l'invention; - la figure 3 illustre un schéma d'émetteur utilisable dans le système radar selon l'invention; - la figure 4 montre partiellement un diagramme de rayonnement d'antenne fixe du système selon l'invention; - la figure 5 illustre les séquences de fonctionnement du système pour la couverture à 360 de l'espace; -la figure 6 est un diagramme explicatif du fonctionnement à l'émission et - la figure 7 est un schéma du système radar selon l'invention. Comme on l'a déjà mentionné, on va considérer le cas d'un système radar de surveillance couvrant 360 en gisement bien que l'invention puisse aussi s'appliquer à la couverture d'un secteur de l'espace plus réduit si nécessaire. D'autre part, on considère un système radar fonctionnant en V.H.F à titre d'exemple pour permettre la détection d'une cible masquée par o la végétation. La figure 1 illustre un exemple d'antenne réseau V.H.F. permettant de couvrir un secteur limité de l'espace. Ce réseau est composé d'un panneau plan 10 formé ici, à titre d'exemple, de quatre sources rayonnantes identiques 11 à 14. Chaque source est formée de deux dipôles élémentaires 15, 16 constitué par des doublets repliés en plaque alimentés par une ligne 18, elle-même alimentée centralement en 19 par un câble coaxial. Les doublets et la ligne 18 sont réalisés sur un circuit imprimé double face disposé devant un plan réflecteur (non représenté). Le couplage d'énergie avec la ligne 18 s'effectue au niveau des fentes telles 17 sur la figure 1. Une telle antenne, disposée verticalement comme sur la figure, fournit un faisceau large du fait du faible nombre de sources mais conserve des dimensions globales raisonnables de l'ordre de quelques longueurs d'onde de fonctionnement. Le faisceau a une largeur de l'ordre de 30 en gisement et de 40 en site. La figure 2 représente, en perspective un mode de réalisation possible d'antenne fixe pour un système radar selon l'invention, permettant de couvrir 360 en gisement. Ici, on a choisi d'utiliser quatre panneaux 1, 2, 3, 4 identiques chacun au panneau de la figure 1. Ces quatre panneaux sont disposés en carré, chaque panneau devant couvrir 90 en gisement. Plus généralement, on pourrait choisir un nombre quelconque de panneaux disposés selon un polygone régulier. De préférence selon l'invention, on choisit un nombre pair 2P de panneaux ou réseaux plans comme on le verra ultérieurement. Chaque réseau doit alors couvrir un secteur en gisement de 2P Bien entendu, si nécessaire, on peut se 2P contenter de couvrir un angle en gisement inférieur à 360 avec les 2P réseaux. Pour illuminer un secteur de l'espace de 90" en gisement à l'aide d'un panneau tel que celui de la figure 1, on utilise un balayage électronique à au moins trois pointages différents puisque le faisceau d'antenne a une largeur de 30 . Ceci est obtenu en alimentant les sources d'un réseau par un émetteur classique tel que celui de la figure 3. Les sources 11 à 14 sont reliées à travers des circulateurs 201 à 204 d'une part à l'émetteur de la figure 3 et d'autre part à un récepteur (non représenté). L'émetteur comprend un générateur d'onde à bas niveau 240 déterminant la fréquence d'émission, suivi d'un étage basse puissance 230 divisant en quatre la puissance fournie à quatre déphaseurs 221 à 224 commandés par une unité de gestion 5. L'énergie radiofréquence déphasée est ensuite amplifiée dans des étages de puissance 201 à 204 reliés aux circulateurs. Cette disposition permet aux déphaseurs de travailler à bas niveau, ce qui simplifie leur réalisation du fait des performances en puissance moindres exigées. La direction du faisceau émis par le panneau d'antenne 10 est déterminée par le choix des déphasages commandés par l'unité de gestion 5. Sur la figure 4 on a représenté un diagramme partiel du rayonnement de l'antenne de la figue 2, en se limitant pour l'essentiel à la couverture du secteur de 90 xOx' par le réseau 1. On a choisi le cas o le balayage électronique permet de pointer le faisceau dans trois directions différentes. Les trois faisceaux formés correspondent aux courbes D1-1, D2-1 et D3-1 respectivement. Au-delà de Ox', on a représenté le premier faisceau D1-2 fourni par le réseau 2. Il faut noter tout d'abord qu'il n'est guère possible d'étendre au- delà de 90 la couverture d'un réseau tel que celui de la figure 1. En effet, pour des angles d'émission, par rapport à la normale au réseau, supérieurs à 45 , on constate une chute rapide du gain d'antenne liée à la surface effective décroissante de cette antenne. D'autre part, on peut choisir un nombre N de faisceaux émis plus grand que trois. Par exemple l'utilisation de quatre faisceaux par réseau plan 1, 2, 3, 4 permet de réduire très légèrement les variations du gain d'antenne en fonction de l'angle d'exploration. Mais cela a l'inconvénient de conduire à une perte du gain de traitement car une cible donnée est observée moins longtemps et cette perte est supérieure au renforcement du gain d'antenne dans les directions o il est le plus faible. On peut aussi déterminer le pointage des différents faisceaux pour équilibrer au mieux les gains d'antenne dans les directions défavorisées. A la réception, le faisceau d'antenne est pointé dans la direction du faisceau émis grâce à une technique de traitement du type formation de ol0 faisceau par le calcul. Selon une caractéristique de l'invention, on utilise un seul émetteur radar pour alimenter successivement tous les réseaux plans. Pour cela, l'émetteur radar va être utilisé pour alimenter à chaque séquence deux réseaux plans opposés. Ainsi, la figure 5 représente la succession des six séquences T1 à T6 permettant d'alimenter chacun des quatre panneaux 1 à 4 selon les trois directions de faisceaux successives. Ainsi lors de la séquence T1 l'émetteur fournit des signaux avec des déphasages tels que chacun des deux panneaux 1 et 3 fournit un faisceau (F1.2, en trait plein, F3.4 en pointillé) dans la première direction. Lors de la séquence T2, on passe à la direction suivante. A partir de la séquence T4, on passe à l'alimentation des panneaux 2 et 4. A la fin de T6 on a donc illuminé par balayage électronique et commutation toutes les directions sur 360 . Il est clair que, puisque à chaque séquence, l'émetteur alimente deux réseaux, il doit être connecté à ces deux réseaux par l'intermédiaire d'un diviseur de puissance à deux sorties (ou plutôt de quatre diviseurs, un pour chaque paire de sources opposées). Cependant, une solution avantageuse consiste à entrelacer les émissions de deux réseaux opposés. Ceci permet d'utiliser l'émetteur pour alimenter à chaque instant un seul réseau en commutant l'émetteur sur le réseau opposé entre deux impulsions appliquées à un réseau, selon le schéma de la figure 6. Sur ce schéma les impulsions hachurées correspondent aux impulsions alimentant le réseau 1, la période de répétition du radar étant TR. Entre deux émissions successives vers le réseau 1, l'émetteur est commuté sur le réseau 3 pour émettre une impulsion (avec des pointillés sur la figure). Ce mode de réalisation a deux avantages. D'une part, cela permet de se passer des diviseurs de puissance (par contre on utilise des commutateurs). D'autre part, cela permet de ne pas doubler la puissance crête de l'émetteur, puisque à chaque instant il n'alimente qu'un seul réseau et non deux. Par contre, on double la puissance moyenne que doit fournir l'émetteur. En ce qui concerne la réception, on doit par contre utiliser deux récepteurs puisque les périodes de réception pour deux réseaux opposés se io chevauchent dans le temps. Comme on l'a déjà mentionné dans l'introduction, la surveillance à très basse altitude conduit à l'existence de franges claires et sombres fortement espacées en distance laissant donc subsister des creux non illuminés. La position des franges dépend de la longueur d'onde utilisée. Selon un autre aspect de l'invention, on comble approxima- tivement les creux non illuminés à une première fréquence en émettant à plusieurs autres fréquences telles que les franges correspondantes soient convenablement entrelacées pour ne pas laisser subsister de "zones d'ombre" importantes. Pour cela, on émet plusieurs rafales d'impulsions à des fréquences différentes, par exemple F1, F2, F3. On peut notamment penser à émettre trois rafales successives à F1, F2, F3 pendant chaque séquence T1 à T6. Ainsi, on arrive au schéma de système radar selon l'invention de la figure 7. Les quatre réseaux plans 1 à 4 n'ont pas été représentés ni les circulateurs associés. Ce système comprend à l'émission un émetteur 20 tel que celui de la figure 3 avec les éléments 211 à 214, 221 à 224 et 230. Le générateur d'onde est remplacé par un ensemble synthétiseur/chaîne pilotée qui fournit au moment voulu le signal bas niveau à la fréquence d'émission désirée. Les quatre sorties de l'émetteur sont reliées à un commutateur 50 qui commute ces quatre sorties vers l'un des réseaux plans 1 à 4. A la réception, deux commutateurs 6.12 et 6.34 connectent respectivement les signaux de deux réseaux opposés (1 et 3 ou 2 et 4) vers deux récepteurs 7.12 et 7.34. Les signaux reçus obtenus correspondant aux quatre sources pour chaque réseau et récepteur associé sont envoyés à un dispositif de formation de faisceaux par le calcul 8 qui peut être double ou encore être unique si on l'utilise en partage dans le temps pour les deux récepteurs. Les signaux de cible correspondant aux diverses directions de I'espace sont ensuite envoyés à un ensemble utilisateur et de visualisation 9 de tout type connu. Une unité de gestion 30 gère les différents blocs du système radar. L'unité de gestion 30 commande d'abord la chaîne pilotée 40 pour io déterminer la fréquence d'émission des impulsions et la synchronisation générale. L'unité 30 commande l'émetteur 20 et notamment les déphaseurs pour déterminer à chaque instant la direction de faisceau à émettre. L'unité de gestion commande aussi le commutateur 50 pour sélectionner en alternance deux réseaux plans opposés en fonction de la séquence en cours d'exécution. D'autre part, I'unité de gestion commande en synchronisme les commutateurs à la réception 6.12 et 6.34 pour relier les réseaux en cours d'émission aux récepteurs 7.12 et 7.34. Enfin l'unité 30 commande aussi le choix de coefficients pour le dispositif 8 qui correspondent à la direction balayée à chaque instant. Grâce à ces caractéristiques de réalisation selon l'invention, notamment l'utilisation d'un seul émetteur et de seulement deux récepteurs avec une antenne fixe, on obtient une couverture de 360 avec un système radar suffisamment compact et peu encombrant pour être utilisé comme radar de l'avant, notamment sur véhicule. Bien entendu, les exemples de réalisation décrits ne sont nullement limitatifs de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système radar de surveillance à impulsions à basse fréquence d'émission et à antenne fixe, caractérisé en ce que l'antenne fixe comprend 2P réseaux plans (1, 2, 3, 4) couvrant respectivement des secteurs adjacents de l'espace à surveiller, en ce que ledit système radar comporte des moyens émetteurs (201, 212-214; 221... 224, 230, 240; 20, , 50) pour alimenter lesdits réseaux plans séquentiellement, des moyens de gestion (5; 30) pour commander lesdits moyens émetteurs de manière à o10 effectuer un balayage électronique de chaque secteur par ledit réseau plan associé et des moyens récepteurs (6.12, 6.34, 7.12, 7. 34, 8, 9) pour effectuer la réception des signaux radars provenant des directions successives illuminées par lesdits réseaux plans et lesdits moyens émetteurs, lesdits moyens de gestion (30) commandant lesdits moyens récepteurs pour réaliser une formation de faisceaux par le calcul. 2. Système radar selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de gestion (30) sont prévus pour commander lesdits moyens émetteurs (20, 40, 50) de manière que chaque réseau plan émette N faisceaux successifs adjacents couvrant le secteur associé et pour commander lesdits moyens récepteurs (6.12, 6.34, 7.12, 7.34, 8, 9) de manière à former N faisceaux correspondants pour chacun desdits secteurs. 3. Système radar selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens émetteurs comprennent des moyens générateurs (40) commandés par lesdits moyens de gestion (30) pour émettre dans chaque direction de faisceau plusieurs rafales d'impulsion de fréquence d'émission (F1, F2, F3) différentes. 4. Système radar selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens émetteurs comprennent un seul émetteur (20) et des moyens commutateurs (50) pour que, à chaque séquence (Tn) correspondant à l'émission d'un faisceau, ledit émetteur alimente les réseaux p et P+p, avec p variant de 1 à P. 5. Système radar selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de gestion (30) sont prévus pour commander lesdits moyens commutateurs (50) et ledit émetteur (20) de manière à alimenter de manière entrelacée ledit réseau p et ledit réseau P+p pendant les séquences (Tn) associées. 6. Système radar selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens récepteurs comprennent deux récepteurs (7.12, 7.34), des moyens commutateurs (6.12, 6.34) pour relier respectivement lesdits io récepteurs aux réseaux p et P+p qui sont en cours d'émission et des moyens de calcul (8) pour réaliser pour chaque réseau en question la formation d'un faisceau dans la direction dans laquelle celui-ci émet. 7. Système radar selon l'une quelconque des revendications l à 6, i5 caractérisé en ce qu'il comprend une antenne fixe couvrant 360" en gisement et formée de quatre réseaux plans (1, 2, 3, 4) comprenant chacun un panneau de quatre sources rayonnantes (11 à 14), lesdits panneaux étant disposés selon les faces verticales d'un cube pour couvrir chacun 90" en gisement et en ce que lesdits moyens émetteurs sont commandés de manière à faire balayer électroniquement par chaque réseau trois directions distinctes également réparties dans le secteur de 90 associé. 8. Système radar selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque source rayonnante (l1 à 14) comprend deux doublets repliés en plaque (15, 16) formant un sous-réseau vertical et alimentés en parallèle.