Brevet FR2747790A1 — publié le 19971024

La présente invention a pour objet un radar permettant la détection des cibles immobiles. L'application plus particulièrement concernée par l'invention, bien que non limitative, est celle d'un radar fixe, par exemple basé au sol, dont la mission principale est la détection de cibles immobiles sur une zone donnée, du type champ de bataille, pour une ou plusieurs directions de visée. De façon générale, la détection des cibles dans les radars classiques est effectuée par une analyse Doppler, du type transformée de Fourier, des signaux réfléchis pour chaque case distance, de manière à déterminer la puissance reçue pour chaque case vitesse possible. La puissance reçue dans une cellule distancelvitesse est alors comparée à la puissance moyenne reçue dans les cellules environnantes par un détecteur à taux de fausse alarme constant, et une détection est décidée si ce rapport est notablement supérieur à 1, par exemple égal à 10. Ces radars classiques, appelés radars Doppler, sont tout à fait adaptés à la détection de cibles mobiles, pour des applications sol-sol ou sol-air. Par contre, les cibles immobiles apparaissent dans les mêmes cellules distancelvitesse que les échos de sol, et n'ont pas, en raison de la résolution en distance et en gisement utilisée, typiquement supérieure respectivement à quelques dizaines de mètres et quelques degrés, une Surface Equivalente Radar, ou SER, supérieure à celle de ces échos de sol. Les radars Doppler ne sont donc pas capables de réaliser une discrimination entre les cibles immobiles et les échos de sol. On connaît par ailleurs, dans les applications de cartographie airsol, la technique des radars embarqués à vision latérale, ou radars SAR (SAR étant les initiales anglo-saxonnes de Synthetic Aperture Radar), permettant de séparer tous les points d'un terrain en azimut, à une distance donnée, par analyse Doppler du signal reçu. Cette technique n'est cependant pas transposable aux applications dans lesquelles le radar est fixe. Par conséquent, les radars classiques sont totalement inadaptés à la détection de cibles immobiles. La présente invention a pour principal objectif de proposer un radar capable de détecter les cibles immobiles noyées dans le fouillis naturel (arbre, talus, etc...). Plus précisément, la présente invention a pour objet un radar pour la détection de cibles immobiles, caractérisé en ce qu'il comporte: des moyens d'émission périodique d'une onde selon une polarisation d'émission prédéterminée, dans au moins une direction de visée des moyens de réception sur une première et une seconde voie des signaux réfléchis selon respectivement une première et une seconde polarisations sensiblement orthogonales; un module de traitement du signal comprenant des premiers moyens de détection qui déterminent sur un nombre N donné de périodes d'émission, I'évolution temporelle de l'état de polarisation des signaux réfléchis à une pluralité de distances du radar, et reçus sur la première et la seconde voies, puis qui détectent, à partir de ladite évolution temporelle et pour chacune des distances, si une cible immobile est présente. Comme nous le verrons par la suite, la détection de cibles immobiles peut être avantageusement améliorée par l'utilisation de traitements supplémentaires tels que l'évaluation du contraste spatial de puissance etlou de la puissance des signaux reçus sur les deux voies de réception, les résultats des différents traitements étant combinés de façon logique. Dans un mode de réalisation particulièrement performant du radar selon l'invention, le module de traitement de signal comporte en outre un module de reconnaissance de cible comparant la signature bipolarisation des cibles immobiles détectées à différents modèles de cibles utiles, de manière à éliminer les artefacts (pylônes, poteaux, clôtures, maisons, etc...). Par ailleurs, le radar précédent peut en outre réaliser une détection des cibles mobiles en prévoyant, dans le module de traitement de signal, des moyens de détection de cibles mobiles qui calculent le rapport de puissance instantanée des signaux reçus pour chaque distance à une moyenne temporelle de la puissance des signaux reçus sur un intervalle de temps antérieur, et en déduisent la présence d'une cible mobile si ce rapport est suffisant, par exemple égal à 10. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description ci-après, faite en référence aux figures annexées, dans lesquelles: - La figure 1 illustre, sous forme de synoptique général, un exemple de structure d'un radar selon l'invention; - La figure 2 détaille, sous forme de blocs fonctionnels, les différents traitements que peut effectuer un radar conforme à l'invention. La discrimination des cibles immobiles par rapport au fouillis naturel mise en oeuvre dans le radar objet de l'invention repose sur l'observation, pour une direction de visée donnée du radar, de la stationnarité temporelle de chaque case distance radar. En effet, des études ont montré que le fouillis naturel est constitué d'un grand nombre de réflecteurs, légèrement mobiles, et renvoyant des échos dont la combinaison en phase donne un état de polarisation fluctuant au cours du temps. A l'inverse, une combinaison en phase des signaux réfléchis par une cible immobile donne un état de polarisation stationnaire dans le temps. De façon à mettre en oeuvre simplement le critère précédent, que nous appellerons par la suite critère Doppler Polarimétrique, le radar objet de l'invention comporte, comme indiqué sur la figure 1, des moyens 1, 2 d'émission périodique d'une onde selon une polarisation d'émission prédéterminée, et ce, dans au moins une direction de visée, ainsi que des moyens 3, 4 de réception sur deux voies des signaux réfléchis, selon respectivement une première polarisation et une seconde polarisation orthogonale à la première. Les signaux reçus sur les deux voies sont délivrés à un module 5 de traitement de signal, avantageusement numérique, destiné à effectuer au minimum la détection des cibles immobiles, et, selon des variantes avantageuses que nous détaillerons par la suite, une discrimination des cibles immobiles utiles etlou une détection des cibles mobiles. De manière préférentielle, le radar dispose d'une haute résolution spatiale, c'est-à-dire d'une haute résolution en distance, par exemple meilleure que le mètre, et une haute résolution en gisement, typiquement meilleure que un degré, de manière à ce que le signal réfléchi par une cible à une distance donnée, pour une direction de visée donnée, soit supérieur à celui reçu du fouillis. La haute résolution en gisement est obtenue en utilisant une onde d'émission à très haute fréquence, par exemple comprise dans la bande Ka ou dans la bande W, selon la portée du radar que l'on souhaite. Dans le mode de réalisation non limitatif de la figure 1, le radar possède une haute résolution en distance par l'utilisation d'une onde d'émission continue modulée linéairement en fréquence. Les moyens d'émission de cette onde sont constitués d'un émetteur classique 1 que nous ne détaillerons pas ici, et d'une antenne d'émission 2 à polarisation d'émission prédéterminée. Du fait du caractère continu de l'onde émise, les moyens de réception sont constitués ici d'une antenne bipolarisation 3 distincte de l'antenne d'émission 2, fournissant sur la voie 1 et la voie 2, par l'intermédiaire d'un Té magique non représenté, les signaux reçus selon la première et la seconde polarisations, à un récepteur 4. Le récepteur 4 effectue classiquement une amplification, un filtrage, et de préférence une numérisation des signaux reçus sur chacune des voies. II reçoit en outre de l'émetteur 1 toutes les informations nécessaires au bon fonctionnement du radar, notamment les horloges et la réplique de l'onde émise. Les échantillons obtenus sont fournis à un module 5 de traitement numérique du signal, dont nous détaillerons les fonctionnalités possibles en référence à la figure 2. Les résultats du traitement sont ensuite délivrés à un module d'exploitation 6, permettant par exemple la visualisation de ces résultats. Sur la figure 2, sont représentés, sous forme de blocs fonctionneis, les différents moyens de traitement que peut comporter le module 5 de traitement de signal du radar selon l'invention: En supposant que l'onde émise par le radar est une onde continue modulée linéairement en fréquence, les signaux délivrés par le récepteur 4 sur les deux voies selon les deux polarisations sont d'abord traités dans un module 50 de compression d'impulsion de façon à obtenir la résolution distance souhaitée sans avoir besoin d'augmenter la puissance à l'émission. Selon une caractéristique essentielle du radar selon l'invention, le module 5 de traitement comporte des premiers moyens 51 réalisant la détection des cibles immobiles en déterminant, sur un nombre N de périodes d'émission prédéterminé, compris par exemple entre 4 et 8, I'évolution temporelle de l'état de polarisation des signaux réfléchis à chaque distance j du radar et reçue sur les deux voies 1 et 2, puis en déduisant si une cible immobile est présente ou non à la distance j considérée. Dans une première variante de réalisation possible du radar selon l'invention, la détermination de l'évolution temporelle de l'état de polarisation est effectué en évaluant, sur le nombre N de périodes d'émission, le degré de cohérence Cj des signaux reçus sur les deux voies par calcul de la relation suivante: dans laquelle sont les paramètres de Stokes moyens des signaux reçus. Dans une autre variante de réalisation, mise en oeuvre par les premiers moyens 51 de la figure 2, on évalue, sur le nombre N de périodes d'émission, le degré de polarisation moyen Pi de ces mêmes signaux par le calcul de la relation suivante: Pour ce faire, les premiers moyens 51 comportent un premier module 510 qui calculent les paramètres de Stokes instantanés selon les relations: dans lesquelles: . El est le champ complexe reçu depuis la distance j à un instant 'i i sur la voie i ; Fi El est le champ complexe reçu depuis la distance j à l'instant i sur la voie 2; El est le conjugué de EJ I 2 . | | est l'opérateur "norme au carré"; . Re [ ] est l'opérateur "partie réelle", et . Im[ ] est l'opérateur "partie imaginaire". Un second module 511 calcule alors les paramètres de Stokes moyens à partir des paramètres de Stokes instantanés délivrés par le premier module 510 sur le nombre N de périodes d'émission. A partir de ces paramètres de Stokes moyens, un troisième module 512 évalue le degré de polarisation moyen PJ selon la relation (2) donnée précédemment. Ce degré de polarisation moyen Pi est ensuite comparé, dans un module de comparaison 513, à un seuil de référence Pseuil prédéfini, compris entre 0 et 1. Ce module permet de décider de la présence d'une cible immobile à la distance j lorsque le degré de polarisation moyen Pi est supérieur au seuil de référence. La détection des cibles immobiles peut être avantageusement améliorée en effectuant d'autres discriminations des signaux reçus selon des critères supplémentaires: Un premier critère possible, appelé critère de contraste spatial de puissance, consiste à évaluer, pour chaque distance j, le contraste de puissance instantanée des signaux reçus à un instant i avec la puissance instantanée des signaux reçus au même instant, dans les cases distances j-k, j+k situées de part et d'autre de la distance j. On peut par exemple considérer qu'il y a une cible immobile à la distance j si la puissance instantanée, donnée directement par le paramètre sl calculé par le premier o, module 510, est supérieure au maximum, au minimum, ou à une moyenne des puissances moyennes instantanées des cases distance environnantes s-' par données par les paramètres de Stokes, Sl k Sl "" .... 50j+k, k étant un entier prédéfini et I un entier fonction de l'anneau de garde entourant la case distance j considérée. Pour appliquer ce critère, le module 5 de traitement de signal comporte par exemple des deuxièmes moyens (52) qui évaluent le contraste précédent à partir des paramètres précédents, et le comparent à un seuil égal par exemple à 10. Un autre critère possible, appelé critère de puissance, consiste à éliminer d'office tous les signaux reçus dont la puissance instantanée est inférieure à une puissance de référence PCIU prédéterminée, car ils sont caractéristiques d'objets dont la SER est trop faible pour constituer celle d'une cible. Pour appliquer ce critère, le module 5 de traitement de signal peut comporter des troisièmes moyens 53 qui comparent la puissance instantanée, c'est-à-dire le paramètre de Stokes instantané Sl, à la puissance de référence PCIUX et qui ne conserve que les signaux pour lesquels Si est supérieur à Pclu Un ET logique 54 combine alors les sorties des premiers moyens 51, des deuxièmes moyens 52 et des troisièmes moyens 53 pour délivrer les signaux satisfaisant simultanément aux trois critères précédents, relatifs aux cibles immobiles qui ont été détectées. A ce stade du traitement, on doit considérer que les cibles immobiles détectées appartiennent à un ensemble comprenant, d'une part, les cibles utiles, à savoir les cibles militaires, et d'autre part, les cibles inutiles, à savoir les artéfacts composés d'édifices humains tels que les pylônes, les maisons et les clôtures. Avantageusement, le module 5 de traitement de signal peut comporter un module 57 de reconnaissance de forme qui va permettre de discriminer les deux types de cibles immobiles précédents, en comparant la signature bipolarisation des cibles immobiles détectées, soit en sortie des premiers moyens 51, soit en sortie des moyens logiques 54, à différents modèles de cibles utiles pré-mémorisés. La comparaison est effectuée soit par des méthodes classiques du type "plus proche voisin", soit par des méthodes d'intelligence artificielle du type "réseau de neurones". Le module 57 peut également comporter des moyens lui permettant d'appliquer un critère sur les longueurs des cibles immobiles détectées. Le module 57 permet, outre l'élimination des artéfacts, la classification des cibles immobiles utiles détectées. D'autres traitements peuvent être ajoutés au radar précédent: On peut notamment désirer faire de la détection des cibles mobiles. Pour ce faire, on considère qu'une cible mobile se comporte, à un instant donné, comme une cible immobile dans une case distance j donnée, la seule différence étant que cette cible ne pouvait être détectée dans cette même case distance à des périodes d'émission précédentes. Ce principe étant posé, le module 5 de traitement de signal comporte des moyens 55 de détection de cibles mobiles qui calculent, à chaque instant i, le rapport de la puissance instantanée des signaux reçus pour chaque case distance j, donnée par le paramètre de Stokes instantané So, , à une moyenne temporelle de la puissance des signaux reçus sur un intervalle de temps antérieur à l'instant i. Cette moyenne temporelle est par exemple donnée par le paramètre de Stokes Sl calculé à l'instant précédent par le module 511 sur N périodes d'émission. Si le rapport est supérieur à 1, les moyens 55 décident de la présence d'une cible mobile à la distance j. Pour améliorer la précision dans la détection des cibles mobiles, le résultat issu des moyens 55 peut être avantageusement combiné par le ET logique 56 avec la sortie des deuxièmes moyens 52 et la sortie des troisièmes moyens 53. Comme précédemment, le module de reconnaissance de forme 57 peut alors réaliser une classification des cibles mobiles détectées par comparaison des signatures bipolarisation avec les modèles de cibles utiles pré-enregistrés. Beaucoup de variantes peuvent être apportées au radar tel qu'il vient d'être décrit, sans sortir du cadre de la présente invention: On a notamment décrit ci-dessus le traitement permettant la détection des cibles immobiles, et éventuellement mobiles, pour un radar ayant une unique direction de visée. Bien entendu, le radar peut également balayer un secteur en émettant dans une pluralité de directions pendant une période d'émission. Si le secteur couvre 360 , on peut alors utiliser une antenne tournante, la période d'émission couvrant un tour d'antenne. Le temps d'illumination, ou temps de passage, à chaque balayage est très faible, typiquement de l'ordre de 5 ms, par rapport à celui d'un radar Doppler sol-sol classique. La cadence de renouvellement de l'information, c'est-àdire la durée séparant deux balayages successifs, est de l'ordre de quelques secondes. Par ailleurs, il est également possible d'avoir un radar émettant en bande synthétique, auquel cas une seule et même antenne peut être utilisée pour l'émission en monopolarisation, et la réception en bipolarisation. Dans tous les cas de figures, les polarisations utilisées en réception sont préférentiellement horizontale et verticale. Pour obtenir des amplitudes quasi-identiques sur les deux voies de réception, on utilise avantageusement une polarisation circulaire à l'émission. REVENDICATIONS 1. Radar pour la détection de cibles immobiles, caractérisé en ce qu'il comporte: des moyens (1, 2) d'émission périodique d'une onde selon une polarisation d'émission prédéterminée, dans au moins une direction de visée; des moyens (3, 4) de réception sur une première et une seconde voie des signaux réfléchis selon respectivement une première et une seconde polarisations sensiblement orthogonales; un module (5) de traitement du signal comprenant des premiers moyens (51) de détection qui déterminent sur un nombre N donné de périodes d'émission, I'évolution temporelle de l'état de polarisation des signaux réfléchis à une pluralité de distances (j) du radar, et reçus sur la première et la seconde voies, puis qui détectent, à partir de ladite évolution temporelle et pour chacune des distances (J), si une cible immobile est présente. 2. Radar selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens (51) déterminent l'évolution temporelle de l'état de polarisation des signaux reçus en évaluant le degré de cohérence des signaux reçus sur la première et la seconde voies, sur le nombre N de périodes d'émission. 3. Radar selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens (51) déterminent l'évolution temporelle de l'état de polarisation des signaux reçus en évaluant le degré de polarisation moyen (Pi) des signaux reçus sur la première et la seconde voies, sur le nombre N de périodes d'émission. 4. Radar selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens (51) comportent: un premier module (510) calculant les paramètres de Stokes instantanés pour chaque distance (j); un second module (511) calculant les paramètres de Stokes moyens à partir des paramètres de Stokes instantanés délivrés par le premier module sur le nombre N de périodes d'émission; un troisième module (512) évaluant le degré de polarisation moyen (Pi) à partir des paramètres de Stokes moyens, et un module (513) de comparaison du degré de polarisation moyen (PJ) à un seuil de référence (Pseuil) prédéfini, compris entre 0 et 1, et en ce qu'une cible immobile est détectée lorsque ledit degré de polarisation moyen est supérieur au seuil de référence. 5. Radar selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le module (5) de traitement du signal comporte en outre des deuxièmes moyens (52) qui évaluent le contraste de puissance instantanée des signaux reçus pour chaque distance (j) avec la puissance instantanée des signaux reçus pour des distances voisines (j-k, j+k), de manière à éliminer les signaux réfléchis par le fouillis diffus. 6. Radar selon i'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le module (5) de traitement du signal comporte en outre des troisièmes moyens (53) qui comparent la puissance instantanée des signaux reçus pour chaque distance (j) à une puissance de référence (Pclu) prédéfinie, et délivrent uniquement les signaux dont la puissance instantanée est supérieure à la puissance de référence. 7. Radar selon les revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le module (5) de traitement du signal comporte des premiers moyens logiques (54) qui combinent les sorties des premiers moyens (51), des deuxièmes moyens (52) et des troisièmes moyens (53), de façon à améliorer la détection de cibles immobiles. 8. Radar selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le module (5) de traitement du signal comporte en outre un module (57) de reconnaissance de forme comparant la signature bipolarisation des cibles immobiles détectées à différents modèles de cibles utiles, de manière à éliminer les artefacts. 9. Radar selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le module (5) de traitement du signal comporte en outre des moyens (55) de détection de cibles mobiles qui calculent le rapport de puissance instantanée des signaux reçus pour chaque distance (j) à une moyenne temporelle de la puissance des signaux reçus sur un intervalle de temps antérieur, et comparent ce rapport à un seuil. 10. Radar selon les revendications 5, 6 et 9, caractérisé en ce que le module (5) de traitement du signal comporte des seconds moyens logiques (56) qui combinent les sorties des deuxièmes moyens (52), des troisièmes moyens (53) et des moyens de détection de cibles mobiles, de façon à améliorer la détection des cibles mobiles 11. Radar selon les revendications 8 et 9, caractérisé en ce que le module (57) de reconnaissance de forme compare la signature bipolarisation des cibles mobiles détectées aux modèles de cibles utile de manière à établir une classification des cibles détectées. 12. Radar selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'émission comportent une antenne d'émission (2) tournante émettant dans une pluralité de directions de visée, et en ce que le module (5) de traitement du signal réalise la détection des cibles pour chaque direction de visée. 13. Radar selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'onde émise possède une fréquence appartenant à la bande Ka. 14. Radar selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que l'onde émise possède une fréquence appartenant à la bande W. 15. Radar selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'onde émise est une onde continue modulée linéairement en fréquence, et en ce que les moyens de réception comportent une antenne bipolarisation distincte de l'émission. 16. Radar selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'il émet en bande synthétique. 17. Radar selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première et la seconde polarisations sont respectivement horizontale et verticale. 18. Radar selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que la polarisation d'émission est circulaire. 19. Radar selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il possède une résolution distance meilleure que le mètre.