Brevet FR2747792A1 — publié le 19971024

PROCEDE DE FORMATION DE FAISCEAUX ADAPTATIVE POUR UN RADAR DE SURVEILLANCE DU SOL, ET RADAR METTANT EN OEUVRE LE PROCEDE La présente invention concerne un procédé de formation de faisceaux adaptative pour un radar de surveillance du sol, et un radar mettant en oeuvre le procédé. Le domaine particulier de la surveillance du sol connaît à l'heure actuelle une évolution récente sur le champ de bataille, caractérisée par une intégration croissante entre les différents systèmes utilisés. La conséquence directe est une diversification de la menace à prendre en compte pour chaque système d'arme. En particulier, les besoins opérationnels d'un radar de surveillance de sol doivent tenir compte de l'emploi de véhicules et d'hélicoptères. Le radar devra donc détecter et pister simultanément ces deux types de cibles, ainsi que des fantassins et, éventuellement, des drônes. Cette contrainte de pistage simultané de cibles à vitesse rapide (hélicoptères, drônes) et de cibles à faible vitesse (fantassins, véhicules) conduit d'emblée à une incompatibilité pour les antennes monofaisceaux, à balayage mécanique ou électronique, utilisées classiquement en surveillance du sol. En effet, le pistage de cibles rapides nécessite une cadence de renouvellement élevée, typiquement de l'ordre de la seconde, alors que la détection de cibles lentes impose une durée élevée du pointage de l'antenne dans chaque direction. D'autre part, une autre contrainte importante provient de la multiplication des moyens d'écoute électronique qui conduit à rechercher des radars aussi discrets que possible. Cette discrétion peut être obtenue, par exemple, en n'émettant qu'une très faible partie du temps, I'observation de toute la zone à surveiller étant effectuée en une seule rafale d'impulsions. Par ailleurs, la multiplication et l'augmentation des performances des brouilleurs imposent au radar de surveillance du sol de posséder des capacités d'antibrouillage et d'éliminer simultanément les signaux provenant des brouilleurs. Toutes ces nouvelles contraintes ont conduit la Demanderesse à étudier un radar de surveillance du sol utilisant à l'émission une antenne fixe éclairant un large secteur angulaire en gisement, et à la réception, un réseau fixe d'antennes élémentaires couvrant le même secteur, la formation de faisceaux étant assurée par le calcul, de façon adaptative. Le procédé de calcul pour la formation de faisceaux nécessite cependant d'être adapté aux problèmes spécifiques rencontrés en surveillance du sol: II est par exemple nécessaire de déterminer la vitesse des cibles, ce qui impose d'effectuer une analyse Doppler. Un objet de l'invention est d'associer au traitement de formation de faisceaux adaptative de l'antenne un filtrage Doppler, afin d'estimer la vitesse radiale des cibles en plus de leur localisation angulaire. Avantageusement, I'invention prévoit d'effectuer ce filtrage Doppler avant la FFC, afin d'éliminer au mieux les échos de sol, avant d'adapter le diagramme d'antenne. Par ailleurs, une caractéristique essentielle de l'invention consiste à effectuer le traitement adaptatif en gisement par cellule, une cellule étant définie soit par une case-distance, soit par une casedistance par bande de fréquence. Cette caractéristique permet de former un diagramme d'antenne approprié à chaque cellule, ce qui était irréalisable avec les types de traitements effectués jusqu'à présent. De plus, le traitement par cellule évite de répercuter les problèmes liés à la saturation de la dynamique dans une cellule (écho fixe de très forte puissance par exemple) dans les autres cellules. Enfin, le procédé selon l'invention tient compte de la présence, très probable en surveillance du sol, de cibles cohérentes, c'est-à-dire de cibles ayant la même vitesse dans la même cellule, ce qui perturbe les traitements de formation adaptative de faisceaux en l'absence de remède approprié. Plus précisément, I'invention concerne un procédé de formation de faisceaux adaptative pour un radar de surveillance du sol émettant des impulsions en rafales et comprenant un réseau de réception de N capteurs suivis de N voies de réception effectuant chacune un échantillonnage-codage à la période T des signaux complexes captés, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à - sélectionner, sur chaque voie j, j étant un entier variant de 1 à N, un nombre k d'échantillons temporels Xj(iT) desdits signaux captés, i étant un entier variant de 1 à k, lesdits échantillons temporels correspondant à une seule et même case-distance - effectuer, sur chaque voie j, un filtrage fréquentiel des k échantillons temporels Xj(iT) afin d'obtenir un nombre k d'échantillons fréquentiels Yj(if); - mémoriser lesdits échantillons fréquentiels Yj(if); - estimer, pour au plus P + 1 sous-réseaux de (N-P) capteurs successifs, L'entier P pouvant être nul, chaque sous-réseau d'indice n se déduisant du sous-réseau d'indice (n-1) par une translation d'au moins un capteur, les matrices interspectrales Rin relatives à des fréquences repérées par l'entier i, à partir des échantillons fréquentiels Yj(if) correspondants; - en déduire une matrice interspectrale globale R par moyennage à partir des matrices interspectrales Rin - calculer, pour au moins un vecteur de pointage Soe donné, dans une direction O où l'on désire former un faisceau, un filtrage spatial selon l'expression où SOù est le vecteur transposé dudit vecteur S et R-1, la matrice inverse de ladite matrice R ; - appliquer ledit filtrage spatial auxdits échantillons fréquentiels Yj(if) correspondant respectivement auxdites fréquences. La présente invention concerne également un radar de surveillance de sol pour la mise en oeuvre du procédé tel que décrit dans les revendications 1 à 6. La présente invention, ainsi que ses avantages, sera mieux comprise au vu de la description suivante faite en référence aux figures annexées - La figure 1 est un schéma-bloc du procédé selon l'invention; - La figure 2 est un exemple de réalisation possible d'un réseau de réception selon l'invention pour un radar de surveillance du sol. - La figure 3 est un autre exemple de réalisation du réseau de réception, utilisant des processeurs élémentaires. La figure 1 est un schéma-bloc du procédé selon l'invention appliqué à un radar comprenant un réseau de N capteurs, suivis de N voies repérées par un indice j. Sur cette figure, on peut voir que le procédé consiste, d'une manière générale, à effectuer un premier traitement 1 s'appliquant sur chacune des voies j, pour j variant de 1 à N, suivi d'un second traitement comprenant les étapes référencées 2 à 5, commun à toutes les voies. Avantageusement, I'invention prévoit de travailler sur les échantillons temporels reçus après l'émission d'une seule rafale d'impulsions. Pour chaque voie j, recevant des signaux complexes classiquement échantillonnés à une période T donnée, puis codés, le premier traitement 1 consiste tout d'abord à sélectionner, à l'étape 11, un nombre k d'échantillons temporels Xj(iT) des signaux captés correspondant à une seule et même case-distance, L'indice i variant de 1 à k. Comme il a été dit précédemment, le fait de travailler par casedistance permet de former un diagramme d'antenne optimal pour chaque case-distance, et surtout d'éviter la répercussion de tout problème (saturation) rencontré dans une case-distance sur les autres. L'étape suivante, référencée 12, est un filtrage fréquentiel des k échantillons temporels Xj (iT) de manière à obtenir k échantillons fréquentiels Yj (if). Une étape 13 mémorise alors ces k échantillons fréquentiels. A l'issue de ces N premiers traitements 1, effectués respectivement sur chacune des voies j, on est donc en mesure de récupérer k vecteurs Y(if) de dimension N dont les N composantes sont les échantillons fréquentiels Yj(if), à une fréquence repérée par l'entier i. Au commencement du second traitement, chaque vecteur Y(if) va être utilisé pour une étape 2 d'estimation d'une matrice interspectrale Ri de dimension (NxN) selon la formule R i = Y(if) Y+ (if) (1) où Y+ est le vecteur transposé du vecteur Y. L'étape suivante, référencée 3, consiste à calculer une matrice interspectrale R globale, c'est-à-dire commune à toutes les fréquences, en moyennant les k matrices Ri estimées à l'étape 2. La matrice interspectrale globale R est nécessaire pour la méthode de formation de faisceaux choisie, à savoir la méthode dite du maximum de vraisemblance généralisée, ou méthode de CAPON. Cette matrice R est en effet utilisée dans l'étape suivante, référencée 4, pour calculer le filtrage spatial suivant l'expression où Soe est ie vecteur de pointage dans la direction O où l'on désire former un faisceau S0 est le vecteur transposé du vecteur S+ e R-1 est la matrice inverse de la matrice interspectrale globale R. Dans le cas le plus général, le vecteur de pointage est de dimension N, et l'on peut écrire où d est la distance séparant deux capteurs et X, la longueur d'onde émise. Le procédé selon l'invention prévoit de découper le domaine angulaire observé en plusieurs directions angulaires 0e indicées par l'entier 1, de sorte qu'il existe plusieurs vecteurs de pointage S, et autant de filtrages spatiaux à calculer selon l'expression (2). Du fait de la haute densité potentielle des cibles, le pas d'échantillonnage du domaine angulaire par les faisceaux formés doit être suffisamment fin, c'est-à-dire plus fin que la résolution angulaire x théorique de l'antenne à savoir D rad. si D est la dimension de l'antenne. II garantit que chaque cible soit correctement échantillonnée angulairement et que la discrimination entre deux cibles voisines angulairement soit possible. A l'étape 5 de la figure 1, chaque filtrage spatial pour une direction Al est appliqué aux vecteurs Y(if), c'est-à-dire aux échantillons fréquentiels Yj(if) pour chaque fréquence. Le procédé selon l'invention permet donc d'obtenir une pluralité de faisceaux adaptés à chaque case-distance, et après exploitation, la position des cibles dans le plan (angle, fréquence Doppler), c'est-à-dire dans le plan (bye, if). Les brouilleurs à bruit, étalés en fréquence par définition, peuvent alors être aisément détectés et localisés angulairement du fait qu'ils occupent tout le domaine fréquentiel observé dans une direction Al. Cette détection peut être faite, par exemple, par un post-traitement à TFAC en fréquence, TFAC étant l'abréviation française de Taux de Fausse Alarme Constant. Préférentiellement, le procédé prévoit en outre l'élimination du fouillis diffus de sol en ne tenant pas compte des échantillons fréquentiels Yj(if) gênants, par exemple pour i = 1, 2 et k. La matrice interspectrale globale R est alors estimée à partir des matrices Ri relatives aux fréquences prises en compte, au nombre de (k-3) dans l'exemple pris ; de même, un filtrage spatial dans une direction 81 s'applique alors préférentiellement aux vecteurs Y(if) pour i correspondant aux fréquences prises en compte. Le procédé selon l'invention prévoit avantageusement la possibilité d'effectuer un filtrage passe-bas avant le filtrage fréquentiel 12, afin de limiter le domaine de vitesse observé. Cette précaution supplémentaire permet au radar de surveillance du sol de ne pas faire de calculs inutiles sur des signaux qui ne le concernent pas, comme par exemple des signaux provenant d'avions à réaction pour lesquels la fréquence est élevée. Le procédé selon l'invention, tel qu'il vient d'être décrit dans sa forme la plus générale pour une meilleure compréhension, ne résoud cependant pas le problème des cibles cohérentes qui, comme nous l'avons dit précédemment, ont une forte probabilité de présence. Dans le cas de ces cibles cohérentes, la matrice interspectrale globale R obtenue à l'étape 3 de la figure 1 est singulière, et ne peut par conséquent plus être inversée. Le calcul d'un filtrage spatial selon l'expression (2) est alors impossible. C'est pourquoi le procédé de l'invention prévoit avantageusement l'utilisation d'une technique dite de moyenne spatiale qui a pour effet de décorréler les signaux cohérents, et de rendre à la matrice R ses propriétés d'inversibilité. Cette technique consiste à découper le réseau de N capteurs en au plus P+1 sous-réseaux d'indice n de (N-P) capteurs successifs, chaque sous-réseau d'indice n se déduisant du sous-réseau d'indice (n-1) par une translation d'au moins un capteur. Pour chaque sous-réseau d'indice n, on applique le procédé de la figure 1 jusqu'à l'étape 2, de manière à estimer les matrices interspectrales Rin suivant la formule (1) dans laquelle les vecteurs Y(if) et Y+(if) ont alors la dimension du sousréseau n, à savoir (N-P). La matrice interspectrale globale R est alors estimée par moyennage à partir des matrices Rin, en commençant par exemple par effectuer une première moyenne sur tous les sous-réseaux, c'est-à-dire sur l'indice n, suivie d'une seconde moyenne sur toutes les fréquences, c'est-à-dire sur l'indice i. On peut, de cette manière, traiter au plus P cibles cohérentes, au détriment cependant du nombre de degrés de liberté du radar qui est réduit à la dimension des sous-réseaux. Enfin, I'invention prévoit également une autre version du procédé qui réalise non seulement le traitement par case-distance, mais aussi par bande de fréquences. Ceci permet avantageusement d'analyser au mieux des cibles se situant dans un domaine de vitesse donné, sans prendre en compte les cibles d'un autre domaine de vitesse qui seraient cependant situées dans la même case-distance. Pour ce faire, I'architecture du traitement est identique au procédé présenté sur la figure 1 jusqu'à l'étape 2 d'estimation des matrices Ri (ou des matrices Rin dans le cas où la technique de moyenne spatiale sur des sousréseaux est utilisée). Une matrice interspectrale globale Rbm par bandes de fréquences bm est ensuite calculée en moyennant sur l'indice i les matrices Ri (ou sur les indices n et i les matrices Rin) correspondant aux fréquences appartenant à la bande de fréquences bm. Les différents filtrages spatiaux suivant des directions 8 sont alors calculés suivant l'expression (2) dans laquelle R-1 est remplacée par Rbm Il va donc un filtrage spatial par angle 8 visé et par bande de fréquences bm. Chaque filtrage s'applique ensuite aux échantillons Yj(if) correspondant à la bande de fréquences considérée. La figure 2 représente une réalisation possible d'un réseau de réception selon l'invention pour un radar de surveillance de sol. Dans l'exemple non limitatif pris, le réseau comporte 16 capteurs 14 suivis de 16 voies de réception d'indice courant j. Une voie j de réception comprend tout d'abord un récepteur 15 qui effectue, de manière classique, la démodulation et l'échantillonnage-codage à une période T des signaux complexes captés, provenant des cibles en réponse à une rafale d'impulsions émise par le radar. Les échantillons sont alors transmis à des moyens de sélection 16, par exemple une mémoire, qui sélectionnent les échantillons temporels Xj(iT) correspondant à une même case-distance. Préférentiellement, chaque voie j du réseau de réception comporte, en sortie de la mémoire 16, un filtre passe-bas 17 qui limite le domaine de vitesse observé. Pour donner un exemple numérique, fixons le nombre d'impulsions d'une rafale à 512, la fréquence de récurrence du radar étant de l'ordre de 7 KHz. Les signaux reçus sont préférentiellement traités par bloc de 256 échantillons, les résultats étant ensuite moyennés sur tous les blocs. Le filtre passe-bas 17 couvre environ la moitié de la bande afin de traiter la bande Doppler utile, de 3,5 KHz dans l'exemple numérique pris. A l'issue du filtre passebas 17, il y a 128 échantillons temporels Xj(iT), i variant de 1 à 128. Les 128 échantillons temporels Xj(iT) sont alors filtrés fréquentiellement par des premiers moyens 18 effectuant de préférence une Transformée de Fourier rapide et fournissant 128 échantillons fréquentiels Yj(if). Conformément au procédé de la figure 1, le réseau de réception comporte plusieurs modules 19 pour estimer et stocker les matrices interspectrales Ri pour chaque fréquence indicée par l'entier i, un module 20 pour calculer la matrice globale R en moyennant les matrices Ri, un module 21 pour calculer la fonction de transfert d'au moins un filtre spatial à appliquer dans une direction de visée 81 selon la formule (2), et des seconds moyens 22 pour appliquer ce filtre spatial aux échantillons Yj(iT). Un module 23 calcule alors la norme au carré du résultat issu des moyens 22 afin de donner la valeur de la puissance reçue en fonction de l'angle de visée Et et de la fréquence considérés. Bien entendu, le réseau de réception peut être adapté pour effectuer le traitement des cibles cohérentes par la technique des moyennes spatiales, et/ou le traitement par bande de fréquences. Toutes les étapes de calcul s'effectuant sur des échantillons numériques, il est avantageux d'utiliser des processeurs élémentaires suivant une architecture telle que celle représentée sur la figure 3. Les processeurs élémentaires peuvent être constitués à partir de processeurs de traitement de signal du type ADSP 2100 commercialisés par Analog Devices ou TMS 320 de Texas Instrument. Rappelons qu'un processeur élémentaire est essentiellement constitué d'une mémoire programme dans laquelle est stocké le microcode, correspondant dans notre cas aux étapes du procédé sur la figure 1, d'une première mémoire de données dans laquelle est stocké le signal d'entrée, d'une unité de calcul, et d'une mémoire de données pour mémoriser les résultats de calculs intermédiaires et finaux. La figure 3 représente une architecture parallèle de processeurs élémentaires 25 traitant chacun Q' cases distance, L'entier Q' étant déterminé en fonction de la capacité de calcul d'un processeur élémentaire. Si Q est le nombre total de cases distances à traiter, il faudra alors un nombre q de processeurs élémentaires 25 égal à la partie entière de (Q/Q' + 1). Une interface d'entrée 24 permet de distribuer séquentiellement aux différents processeurs élémentaires 25 les N-uplets d'échantillons complexes provenant des N capteurs, après démodulation en phase et quadrature et codage numérique de ces derniers. L'interface d'entrée 24 est constituée par exemple de (q+ 11 mémoires permettant de stocker tous les q paquets de Q' N-uplets en réponse à une impulsion émise. L'écriture dans ces (q+ 1) mémoires s'effectue de façon cyclique de façon à pouvoir simultanément écrire dans l'une d'elles et lire dans une autre. Les données lues sont alors transmises aux premières mémoires de données des processeurs élémentaires qui peuvent alors effectuer les calculs de formation de faisceaux suivant le procédé de l'invention. Les résultats trouvés sont alors transmis à d'autres processeurs élémentaires 26 qui effectuent la détection proprement dite des cibles par toute technique connue, par exemple par un traitement à TFAC en fréquence. Une interface de sortie 27 permet alors de transmettre les résultats des analyses précédentes, par exemple à tout moyen de visualisation. REVENDICATIONS 1. Procédé de formation de faisceaux adaptative pour un radar de surveillance du sol émettant des impulsions en rafales et comprenant un réseau de réception de N capteurs suivis de N voies de réception effectuant chacune un échantillonnage-codage à la période T des signaux complexes captés, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à - sélectionner (11), sur chaque voie j, j étant un entier variant de 1 à N, un nombre k d'échantillons temporels Xj(iT) desdits signaux captés, i étant un entier variant de 1 à k, lesdits échantillons temporels correspondant à une seule et même case-distance - effectuer, sur chaque voie j, un filtrage fréquentiel (12) des k échantillons temporels Xj(iT) afin d'obtenir un nombre k d'échantillons fréquentiels Yj(if); - mémoriser (13) lesdits échantillons fréquentiels Yj(if > - estimer (2), pour au plus P+ 1 sous-réseaux de (N-P) capteurs successifs, L'entier P pouvant être nul, chaque sous-réseau d'indice n se déduisant du sous-réseau d'indice (nul) par une translation d'au moins un capteur, les matrices interspectrales Rin relatives à des fréquences repérées par l'entier i, à partir des échantillons fréquentiels Yj(if) correspondants; - en déduire (3) une matrice interspectrale globale R par moyen nage à partir des matrices interspectrales Rin - calculer (4), pour au moins un vecteur de pointage donné, dans une direction Al où l'on désire former un faisceau, un filtrage spatial selon l'expression où S+ est le vecteur transposé dudit vecteur S et R-1, la matrice inverse de ladite matrice R ; - appliquer (5) ledit filtrage spatial auxdits échantillons fréquentiels Yj(if) correspondant respectivement auxdites fréquences. 2. Procédé de formation de faisceaux adaptative selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite matrice interspectrale globale R est déduite des matrices interspectrales Rin en effectuant une première moyenne sur l'indice n des sous-réseaux, puis une seconde moyenne sur l'indice i desdites fréquences. 3. Procédé de formation de faisceaux adaptative selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on déduit une matrice interspectrale globale Rbm par bande de fréquences t en moyennant sur l'indice i les matrices Ri ou Rin correspondant aux fréquences appartenant à la bande de fréquences l+z, et en ce qu'un filtrage spatial par direction At et par bande de fréquences s est calculé suivant l'expression 4. Procédé de formation de faisceaux adaptative selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, à partir de l'étape d'estimation (2) des matrices interspectrales Rin, on élimine le fouillis de sol en prenant uniquement les échantillons fréquentiels Yj(if) pour i variant de 3 à (k-l). 5. Procédé de formation de faisceaux adaptative selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, avant l'étape de filtrage fréquentiel (12), on effectue un filtrage passe-bas pour limiter le domaine de vitesses observé. 6. Procédé de formation de faisceaux adaptative selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, L'entier P étant nul, on estime des matrices interspectrales Ri relatives à des fréquences repérées par l'indice i, et en ce que ladite matrice interspectrale R est déduite par la moyenne sur l'indice i des matrices interspectrales Ri. 7. Radar de surveillance du sol pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications 1 à 6, ledit radar émettant des impulsions en rafales et comprenant un réseau de réception de N capteurs suivis de N voies de réception effectuant chacune un échantillonnage-codage à la période T des signaux complexes captés, le radar étant caractérisé en ce que le réseau de réception comprend: - des moyens de sélection (16) d'un nombre k d'échantillons temporels Xj(iT) desdits signaux captés, i étant un entier variant de 1 à k, et j, un entier variant de 1 à N, lesdits échantillons temporels correspondant à une seule et même case-distance - des premiers moyens (18) qui effectuent une transformée de Fourier des k échantillons temporels Xj(iT) afin d'obtenir un nombre k d'échantillons fréquentiels Yj(if); - plusieurs modules (19) qui estiment et stockent, pour au plus P+1 sous-réseaux de (N-P) capteurs successifs, L'entier P pouvant être nul, chaque sous-réseau d'indice n se déduisant du sous-réseau d'indice (n-l) par une translation d'au moins un capteur, les matrices interspectrales Rin relatives à des fréquences repérées par l'entier i, à partir des échantillons fréquentiels Yj(if) correspondants - un module (20) qui calcule une matrice interspectrale globale R par moyen nage à partir des matrices interspectrales Rin ; - un module (21) qui calcule, pour au moins un vecteur de pointage S donné, dans une direction BL où l'on désire former un faisceau, la fonction de transfert d'un filtre spatial selon l'expression où SRt est le vecteur transposé dudit vecteur Sd9! et R-1, la matrice inverse de ladite matrice R ; - des seconds moyens (22) qui appliquent ledit filtre spatial auxdits échantillons fréquentiels Yj(if) correspondant respectivement auxdites fréquences - un module (23) qui calcule la norme au carré du résultat issu des seconds moyens (22). 8. Radar de surveillance du sol selon la revendication 7, caractérisé en ce que le réseau de réception comporte, en outre, sur chacune des N voies de réception, un filtre passe-bas (17) qui limite le domaine de vitesses observé. 9. Radar de surveillance du sol selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens de sélection (16) constituent une interface d'entrée (24), et en ce que lesdits premiers et seconds moyens (18, 22) et lesdits modules (19, 20, 21, 23) sont réalisés sous forme de processeurs élémentaires (25) auxquels l'interface d'entrée (24) fournit les N-uplets qu'elle a stockés.