Brevet FR2763135A1 — publié le 19981113

La présente invention concerne des systèmes à radar destinés à mesurer la hauteur au-dessus du sol (c'est-à-dire des altimètres). Il est devenu de plus en plus important d'obte- nir la plus grande capacité possible en hauteur pour les altimètres, avec une énergie limitée d'émission, par réalisation du système de manière qu'il s'adapte parfaitement à la hauteur. Dans le cas des altimètres à impulsions, l'adap- tation à la hauteur est particulièrement importante car un système ayant une largeur fixe d'impulsion etc., aurait un rapport signal-sur-bruit (S/N) variant -3 avec la hauteur h qui est proportionnel à h. La capacité résultante maximale en hauteur serait donc15 très limitée. Si la largeur T des impulsions est rendue pro- portionnelle à la hauteur mais si la largeur de bande B du récepteur reste constante, le rapport maximal signal-sur-bruit des échos du sol est proportionnel20 à h. Bien que ce rapport signal-sur-bruit soit supé- rieur à 1, on peut montrer que l'erreur de poursuite des impulsions des signaux est proportionnelle à 1/(B/ S/N). Lorsque la largeur de bande B est accrue, le rapport signal-sur-bruit varie comme...., et ainsi les erreurs de poursuite varient aussi proportionnelle- ment à.... Ainsi, un système récepteur (non adapté) dans lequel le produit BT est bien supérieur à 1 donne habituellement la meilleure précision de poursuite.30 Il s'agit de la forme d'altimètre qui se présente naturellement dans les systèmes dans lesquels la largeur d'impulsion est augmentée proportionnellement à la hauteur, mais la largeur de bande du récepteur est maintenue constante; une telle forme convient lorsque35 la hauteur maximale est encore modérée et lorsque les limites spécifiées de l'erreur de poursuite n'augmentent pas avec la hauteur. L S'il est souhaitable d'augmenter la capacité maximale en hauteur encore plus cependant, il faut tenir compte de la situation dans laquelle le rapport signal- sur-bruit de crête est négatif, sur la base d'une impul- sion unique, et de nombreuses impulsions sont intégrées dans la boucle de poursuite, etc. La précision sur la hauteur n'est pas accrue dans ces conditions par utili- sation d'une plus grande largeur de bande de réception que dans le filtrage adapté (BT est approximativement10 égal à 1). Un objet de la présente invention est la réalisa- tion d'un système à radar qui est plus précis aux plus grandes altitudes. Selon la présente invention, un système à radar destiné à déterminer l'altitude comprend un émetteur et un récepteur radar à impulsions, et un système de poursuite destiné à suivre les impulsions renvoyées sous forme d'échos, le système à radar ayant un circuit de commande destiné à ajuster, sous forme d'une paire20 approximativement adaptée, à la fois la largeur des impulsions émises et la largeur de bande du récepteur en fonction de la hauteur de recherche-poursuite, et dans lequel le système de poursuite est destiné à être déclenché par des parties du flanc antérieur des impul-25 sions renvoyées d'échos de radar. Dans un mode de réalisation, le circuit de commande est destiné à assurer, pendant le fonction- nement, l'ajustement de la largeur des impulsions émises proportionnellement à la hauteur de recherche-poursuite30 alors que le récepteur a un filtre dont la largeur de bande est ajustée, pendant le fonctionnement, en propor- tion inverse de la hauteur de recherche-poursuite. Dans un premier mode de réalisation, le circuit de commande comporte un circuit de hauteur de recherche- poursuite destiné à mémoriser et remettre à jour des données relatives à la hauteur de recherche-poursuite et à transmettre des signaux qui dépendent de la hauteur à l'émetteur afin que la largeur des impulsions émises soit ajustée, un circuit d'échantillonnage couplé au filtre du récepteur afin qu'il obtienne des échantillons de bruit et de signal dans le train filtré des impulsions5 d'écho, un circuit de comparaison de signaux couplé au circuit d'échantillonnage et destiné à recevoir des données relatives aux échantillons de bruit et de signaux, à comparer ces données à un facteur de polarisation et à transmettre un signal de réaction le long d'une ligne de réaction au circuit de hauteur de recherche- poursuite, et un processeur couplé au circuit d'échan- tillonnnage et au circuit de hauteur de recherche-pour- suite et destiné à calculer le moment o la condition de verrouillage de poursuite a été obtenue.15 Dans un mode de réalisation préféré, ce facteur de polarisation dépend de la hauteur, le processeur étant couplé au circuit de comparaison de signaux afin qu'il transmette des données relatives au facteur de polarisation.20 L'utilisation d'un filtre approximativement adapté dans le récepteur, rendant maximal le rapport signal-sur-bruit de crête sur la base d'une seule impul- sion pour une cible ponctuelle, permet aussi une inté- gration plus efficace à la fois dans une impulsion,25 pour une cible étendue telle que le sol (plus faible perte efficace d'échantillonnage) et sur de nombreuses impulsions, par l'intermédiaire d'une boucle de poursuite, etc. (plus faible perte du détecteur). Pour les grandes hauteurs, les facteurs de limitation des performances30 du système radar peuvent être l'aptitude de l'altimètre à se verrouiller sur les échos provenant du sol initiale- ment (procédure de détection-acquisition), puis à véri- fier, avec un rafraîchissement raisonnable des données, que le verrouillage a été maintenu pendant la poursuite35 apparente. L'acquisition et le maintien du verrouillage dépendent directement du rapport signal-sur-bruit de crête optimisé par l'utilisation d'un filtrage adapté 4. dans le récepteur. Un système parfait d'adaptation dans lequel la largeur d'impulsion est proportionnelle à la hauteur et la largeur de bande du récepteur est à peu près adaptée à la largeur de l'impulsion convient donc le mieux aux altimètres à impulsions destinés à avoir une grande capacité maximale en altitude et pour lesquels les limites spécifiées pour l'erreur de poursuite augmentent sous forme d'un pourcentage fixe de la hauteur. Le rapport de crête signal-sur-10 bruit, pour un tel système altimétrique à adaptation complète, ne varie que comme h1. L'utilisation d'un filtrage (approximativement) adapté pour la poursuite en distance de cibles isolées, par exemple un aéronef, a déjà été proposée. Le système15 de poursuite, dans ces situations, est cependant norma- lement du type à "fenêtre réduite", destiné à équilibrer les moitiés antérieure et postérieure des impulsions d'écho et ainsi à suivre le centrolde de la cible. L'alternative, dans le cas des cibles isolées, est20 la poursuite sur le flanc antérieur au cours de laquelle une poursuite normalement de type dérivé est utilisée à la fois aux flancs antérieur et postérieur de l'écho (séparément), la moyenne donnant approximativement le centre de la cible. Pour certaines des raisons données précédemment, un filtrage approximativement adapté (avec poursuite associée du centroide à fenêtre réduite) doit être préféré aussi au rapport signal-sur-bruit négatif dans le cas des cibles isolées. L'application altimétrique diffère de celle des cibles isolées à30 deux égards. D'abord, il est souhaitable que les alti- mètres destinés à donner une précision de poursuite en pourcentage adaptent la largeur des impulsions à la hauteur de recherche-poursuite, si bien que le fil- trage adapté implique ainsi une adaptation de la largeur35 de bande du récepteur. Deuxièmement, le système de poursuite d'un altimètre repose obligatoirement sur le flanc antérieur du train d'écho, même dans le cas d'un filtrage approximativement adapté, puisqu'il est souhaitable de suivre l'écho du sol le plus proche: le train total d'écho renvoyé après chaque impulsion peut être très long, étant donné les échos provenant5 de sources placées au sol et plus éloignées, si bien que la poursuite du centroide avec une fenêtre réduite ne convient pas. La présente invention est décrite plus en détail à titre illustratif en référence aux dessins annexés qui représentent, sous forme schématique, un système à radar selon un mode de réalisation de la présente invention. Le système à radar comprend un système de pour- suite qui utilise deux points d'échantillonnage dans une impulsion filtrée renvoyée sous forme d'un écho, avec des retards différents depuis l'émission de chaque impulsion. Le retard, pour l'un des points d'échantillon- nage, le point d'échantillonnage de signal, détermine la hauteur actuelle de poursuite ou de recherche, c'est-20 à-dire h, pour l'altimètre, après correction en fonction des facteurs connus de dérive. L'autre point d'échantil- lonnage, le point d'échantillonnage de bruit, précède le point d'échantillonnage de signal d'un intervalle suffisant pour que l'échantillon du signal de bruit25 ne contienne pas d'écho du sol, pourvu que l'échantillon du signal suive ou précède les échos du sol le plus proche. Cet intervalle est normalement une fraction fixe du retard total de l'échantillon du signal, par exemple 10 %. Le récepteur comporte un dispositif de30 comparaison des amplitudes des deux échantillons, soit directement, soit indirectement, par rapport à des seuils (système numérique). La situation d'équilibre pour la boucle de poursuite est celle dans laquelle l'échan- tillon du signal dépasse l'échantillon de bruit d'une35 quantité prédéterminée dépendant de la hauteur possible ou d'un multiple de cette quantité, en moyenne. Les écarts à la situation d'équilibre provoquent la création d'un signal de réaction destiné à modifier le retard temporaire de l'échantillon du signal, ou, de manière équivalente, la hauteur actuelle de recherche-poursuite h, pour les impulsions suivantes. La hauteur h de recher- che-poursuite est alors utilisée pour le réglage d'un certain nombre de paramètres, comprenant (i) la largeur T des impulsions, qui est proportionnelle à h, dans un système à adaptation complète, (ii) la largeur de bande B du récepteur qui est inversement proportionnelle à h dans un système à adaptation complète, (iii) la polarisation utilisée pour la comparai- son des échantillons du signal et du bruit, (iv) les retards des échantillons du signal et du bruit. A tous égards sauf pour le point (iv), les ajustements peuvent être réalisés normalement à une fréquence bien inférieure à la fréquence de répétition des impulsions (prf), puisqu'un réglage fin & la valeur20 exacte de h n'est pas nécessaire et, en fait, un filtrage supplémentaire d'un type ou d'un autre peut être souhai- table avant que le signal de sortie de hauteur soit transmis à des dispositifs externes. Le système décrit précédemment donnerait un point médian de poursuite correspondant à un déplacement, le long du flanc antérieur du train d'échos, qui dépend du rapport signal-sur-bruit de crête de l'écho convenant au pouvoir réflecteur local du terrain, à la hauteur au-dessus du sol, à l'altitude de l'aéronef, etc. Ceci30 donne des erreurs systématiques non compensées sur la hauteur, pour l'altimètre, pouvant atteindre + une demi- largeur d'impulsion qui, dans le cas d'un système à adaptation complète, constitue un pourcentage fixe de la hauteur véritable. Un perfectionnement du système35 précédent qui fait l'objet d'une autre demande de brevet, est l'incorporation d'un réglage de gain (AGC) à la puissance d'émission afin que le rapport signal-sur- bruit de crête du train des échos soit maintenu cons- tant dans des conditions variables. Ceci réduit les erreurs systématiques, puisque le point médian de pour- suite doit alors toujours être approximativement le5 même point sur le flanc antérieur. On se réfère plus précisément aux dessins; une horloge 2 est disposée et, lorsqu'elle fonctionne, elle transmet un signal, par une ligne 4, à un circuit 6 de synchronisation destiné à commander le début de l'impulsion à la fréquence prf du radar (et comprenant éventuellement des oscillations parasites autour de la fréquence médiane prf). Des signaux de minutage prove- nant 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 transmettre une impulsion de largeur T qui varie avec un signal reçu par une ligne 16, en provenance d'un circuit 18. Ce dernier est destiné à mémoriser et remettre à jour20 la hauteur actuelle h de recherche-poursuite, et il transmet des signaux dépendant de la hauteur par la ligne 16 à l'émetteur 12 afin qu'il ajuste la largeur T de l'impulsion émise, et aussi suivant une ligne 20 vers un filtre 22 du récepteur afin qu'il permette25 l'ajustement de la largeur de bande B du filtre 22 du récepteur en fonction de la hauteur actuelle h de recherche-poursuite. La largeur T des impulsions et la largeur B de la bande sont approximativement adaptées et, dans un mode de réalisation préféré, la largeur30 T des impulsions est réglée proportionnellement à la hauteur h alors que la largeur de bande B est réglée afin qu'elle soit inversement proportionnelle à la hau- teur h. La puissance de l'émetteur, dans un mode de réalisation, peut être réglée par une boucle de réglage automatique de gain AGC qui n'est pas représentée, dont les signaux sont transmis par une ligne 24 provenant d'un processeur 26. Le signal de sortie du filtre 22 du récepteur est transmis par une ligne 28 au circuit 14 d'échan- tillonnage qui reçoit aussi des données relatives à5 la hauteur h de recherche-poursuite, provenant du circuit 18, par une ligne 30. Le circuit 14 d'échantillonnage est destiné à obtenir des échantillons de bruit, de signal et éventuellement d'autres échantillons du train filtré d'échos avec des retards, par rapport au début10 de l'impulsion, qui dépendent de la hauteur actuelle h de recherche-poursuite. Les échantillons de bruit et du signal sont transmis à un circuit 32 de comparaison par des lignes 34 et 36 respectivement, et ils sont aussi transmis au processeur 26 par des lignes respectives15 38 et 40. D'autres échantillons sont transmis au proces- seur 26 par une ligne 42. Le circuit 32 compare les échantillons de bruit et du signal à des facteurs de polarisation (dépen- dant éventuellement de la hauteur) reçus du processeur20 26 par une ligne 44 afin qu'un signal de réaction destiné au circuit 18 soit formé. Le signal de réaction est transmis par une ligne 46 par l'intermédiaire d'un circuit 48 de correction de réaction de hauteur, au circuit 18, le circuit 48 étant couplé de manière qu'il reçoive des signaux du processeur 26 par l'intermédiaire d'une ligne 50. Des données relatives à la hauteur actuelle h de recherche-poursuite sont renvoyées au processeur 26 par une ligne 52. Le processeur 26 est utilisé par exemple pour la détermination du fait que le verrouillage a été obtenu, pour un filtrage supplémentaire de la hauteur h, avant affichage sur un dispositif extérieur (non représenté) couplé à une ligne 54 de sortie, et pour l'ajustement des paramètres dépendant de la hauteur. Il faut noter que le dessin ne représente que les éléments essentiels de ce mode de réalisation. Par exemple, des mélangeurs utilisés pour la transformation des fréquences entre les hautes fréquences et la bande de base, ne sont pas représentés. Bien qu'on ait décrit la présente invention en référence à un mode de réalisation particulier, il faut noter que des modifications peuvent être apportées dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système à radar destiné à déterminer une altitude, comprenant un émetteur et un récepteur radar à impulsions, et un système de poursuite destiné à suivre des impulsions renvoyées d'écho, dans lequel le système radar a un circuit de commande destiné à ajuster, sous forme d'une paire approximativement adaptée, à la fois la largeur de l'impulsion émise et la largeur de bande du récepteur en fonction d'une hauteur de recherche-10 poursuite, et dans lequel le système de poursuite est destiné à être commandé par des parties du flanc antérieur d'impulsions renvoyées sous forme d'échos de radar. 2. Système radar selon la revendication 1, dans lequel le circuit de commande est destiné, lors du fonctionnement, à ajuster la largeur de l'impulsion émise proportionnellement à la hauteur de recherche- poursuite alors que le récepteur a un filtre dont la largeur de bande est réglée en proportion inverse de la hauteur de recherche- poursuite.20 3. Système à radar selon l'une des revendica- tions 1 et 2, dans lequel le circuit de commande comporte un circuit de hauteur de recherche-poursuite destiné à mémoriser et remettre à jour des données relatives à la hauteur de recherche-poursuite et à transmettre à l'émetteur des signaux dépendant de la hauteur et permettant l'ajustement de la largeur de l'impulsion émise, un circuit d'échantillonnage couplé au filtre du récepteur et destiné à obtenir des échantillons de bruit et de signal du train filtré d'impulsions d'écho,30 un circuit de comparaison de signaux couplé au circuit d'échantillonnage et destiné à recevoir des données relatives aux échantillons de bruit et de signal, à comparer ces données à un facteur de polarisation et à transmettre un signal de réaction le long d'une ligne de réaction au circuit de hauteur de recherche-poursuite, et un processeur couplé au circuit d'échantillonnage et au circuit de hauteur de recherche-poursuite et destiné à calculer le moment o une condition d'une boucle de poursuite a été atteinte. 4. Système à radar selon la revendication 3, dans lequel le facteur de polarisation dépend de la hauteur, le processeur étant couplé au circuit de compa- raison de signaux afin qu'il transmette des données relatives au facteur de polarisation. 5. Système à radar tel que décrit en référence au dessin et représenté sur celui-ci.