Brevet FR2764749A1 — publié le 19981218

"Procédé et dispositif d'amélioration du rapport signal bruit, en particulier pour obtenir une information de mise à feu à partir du signal noyé dans le bruit d'une munition à fusée chercheuse" La présente invention concerne un procédé d'amélioration du rapport signal-bruit pour séparer un signal utile d'une information d'entrée noyée dans le bruit, par filtrage adaptatif, en particulier pour obtenir une information de mise à feu à partir d'un signal de détection noyé dans le bruit d'une munition à fusée chercheuse ainsi qu'un dispositif pour mettre en oeuvre ce procédé. On connait, par exemple par le brevet allemand 28 33 590, un filtrage adaptatif pour éliminer la compo- sante de bruit d'une information utile, dans le domaine du réglage de la restitution dans les montages phono. On trouve d'autres domaines, dans lesquels il faut faire res- sortir de façon distincte une information utile significa- tive du bruit superposé par filtrage adaptatif, par exemple, dans le cas de la surveillance et de l'exploitation des battements du coeur d'un être vivant. Dans le cas présent, on s'intéresse en particulier à l'obtention d'une information de mise à feu à partir du signal de détection noyé dans le bruit d'une munition guidée par capteur, donc à fusée chercheuse, dont la charge d'attaque brisant les blindages doit être amorcée, et ne doit l'être qu'au moment o, lors- que son détecteur à fonctionnement actif, semi-actif ou passif, réagissant en particulier à l'énergie rayonnante dans le domaine de l'infra-rouge ou des micro-ondes, dé- tecte au moins une fois, en explorant la zone des cibles par bandes, une cible réelle à attaquer effectivement, et l'a reconnue en tant que telle, dans un environnement rayonnant dans le même domaine spectral, mais avec une caractéristique d'amplitude différente. Une munition pourvue d'un détecteur fonctionnant ainsi est décrite avec davantage de détails, par exemple dans la demande de brevet allemand P 3333517.6 ou dans la demande de brevet allemand P 33 45 601.1 de la Demanderes- se; en ce qui concerne l'équipement de tels munitions avec des détecteurs, on se référera aux demandes allemandes P 34 10 942.0 et P 33 45 529.5 de la Demanderesse, et en ce qui concerne les possibilités d'exploitation des signaux de tels détecteurs, à la demande P 332519.8 de la Demande- resse, pour éviter dans cette mesure les répétitions dans le cas présent. L'invention a pour objet d'améliorer les mesures de ce genre de façon à pouvoir obtenir, à partir d'un signal fortement noyé dans le bruit, dont on connaît le comporte- ment statistique de sa composante de signal utile, en amélio- rant le rapport signal-sur-bruit, un signal utile bien défini, approprié pour déclencher d'autres fonctions, comme notamment pour délivrer une information de mise à feu. Pour atteindre cet objectif, selon l'invention, on effectue avec les moyens de filtrage numérique optimisé sur le comportement statistique du signal de détection se composant d'un signal correspondant au bruit et d'un signal correspondant à la cible, un filtrage réducteur pour niveler le signal de bruit et, compte tenu du filtrage réducteur, un filtrage adaptatif selon le comportement statistique du signal de cible prédéterminé, et, d'autre part, le signal de détection dont la variation de l'ampli- tude en fonction du temps est échantillonnée est envoyé à un filtre d'uniformisation numérique à la suite duquel est monté un filtre numérique de coefficients adaptés au comportement statistique du signal de cible contenu dans le signal de détection, compte tenu de la caractéristique de filtrage du filtre d'uniformisation. La solution conforme à l'invention utilise donc, dans son principe, un filtre numérique, tel que celui décrit, par exemple, pour un cas d'application déterminé, dans la DE-A 20 25 098. Le filtre y est adapté à la façon d'un filtre d'égalisation, au comportement statistique connu du signal utile. Un filtre de prédiction, tel que celui décrit, pour un autre cas d'application spécial, dans la DE-A 114 078, sert à transformer le bruit à bande limitée distribué suivant une courbe de Causs en un bruit blanc; on obtient ainsi des conditions de corrélation optimales pour le signal utile dans le filtre qui lui est adapté. En ce qui concerne le dimensionnement d'un tel filtre de prédiction, on peut se reporter à la section 5.3.3. de l'ouvrage "Grundlagen der Theorie statistischer Signale" (fondements de la théorie de la statistique des signaux) de Eberhard Hansler et Hans Marko (Editions Sprin- ger, 1.983). L'invention permet non seulement d'extraire du signal de bruit de l'environnement de la cible un signal correspondant à la cible sans ambiguité, mais également d'adapter l'extraction du signal utile aux données instan- tanées de bruit, donc de terrain, que l'on rencontre dans l'environnement de la cible intéressante. On obtient une possibilité de différenciation entre les signaux utiles de cibles véritables et ceux de cibles trompeuses ou illusoires, en prévoyant (après l'ob- tention du signal de bruit environnant sans corrélation (blanc) dans une large mesure) des filtrages adaptés à des signaux de cible de largeurs variables, de façon que leur comparaison d'amplitude avec le signal utile aboutisse directement à un signal de détection de vraies cibles. Du fait qu'en raison du fonctionnement du filtre numérique adapté, celui-ci apparaît exactement à la fin de la surve- nance d'un signal de cible et, par suite, avec un décalage dans le temps défini par rapport au début du signal de cible prédéterminé et recherché, il est possible, avec une dérivation, réglée corrélativement par construction, de la direction de localisation des capteurs par rapport à la direction d'action de la munition, de délivrer l'in- formation de mise à feu en relation temporelle précise avec le balayage du centre de la vraie cible. D'autres caractéristiques, variantes et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre d'un exemple de réalisation préféré de l'inven- tion représenté sur la figure unique du dessin annexé sous forme de schéma blocs limité à l'essentiel. Le détecteur 1, dont est équipé une munition à fusée chercheuse 2, doit délivrer, en fonction de la détection d'une cible réelle (non représentée sur le dessin), une information de mise à feu 3 pour initier une charge de combat dirigée sur ladite cible. Le détecteur 1 fonctionne par exemple, passive- ment en dispositif de réception radiométrique qui, lorsque la mnution 2 pénètre dans la zone d'une cible, balaye cette dernière par sa caractéristique de réception et recherche une cible à attaquer. La cible réelle, par exemple un blindé, se caractérise, dans ce cas, par un effet de réflexion ou de masquage déterminé par rapport à l'environnement, pour le rayonnement micro-ondes provenant de l'espace et pénétrant dans la zone de la cible et s'y réfléchissant vers le détecteur 1. Le signal 4 du détecteur comprend donc essentiellement, dans le cas d'un tel détecteur radiomé- trique 1, un signal de bruit 5 typique pour les propriétés de réflexion de l'environnement, donc de la zone de la cible, présentant des variations d'amplitude à haute fré- quence qui se superposent au bruit du circuit électronique. A ce signal de bruit 5, il se superpose, lorsque la carac- téristique de réception du détecteur 1 balaye une cible réelle de façon additive et brièvement, un signal propre à la cible ou signal de cible 6 qui en diffère par son comportement statistique (comme on l'a indiqué symbolique- ment sur le dessin par l'opérateur d'addition 7. Dans le cas d'un détecteur opto-électronique thermique passif (1), il y aurait lieu de supposer que cette superposition est substitutive, du fait que les signaux provenant de la zone de la cible sont moins puissants, et de plus basse fréquence que le bruit électronique et se distinguent moins par leur caractéristique d'amplitude, en ce qui concerne les cibles réelles et les fausses cibles. Pour pouvoir effectuer la détection de la cible pour délivrer l'information de mise à feu 3 avec les moyens de la technique de traitement et de filtrage numérique des signaux, un convertisseur analogique-numérique 8 est monté à la suite du détecteur 1. Il échantillonne (explore point par point) le signal de détection 4 en observant le théorème d'échantillonnage de Shannon, pour transformer ses valeurs d'amplitude instantanées en informations codées numériquement, aux fins de traitement ultérieur du signal. Il détermine donc aussi la cadence 9 du filtrage numérique, donc discret. Alors que le signal de cible 6, ainsi donc que son comportement statistique, pour une cible réelle typique, seule intéressante, sont déjà connus en tenant compte des données d'échantillonnage de la caractéristique de réception du détecteur), il convient, pour obtenir une possibilité d'utilisation multiple de l'invention, de déterminer chaque fois séparément les données de comportement statistique du signal de bruit 5, donc le caractère de la zone de la cible dans l'environnement de la cible réelle recherchée. On effectue pour cela, par exemple, dans ce que l'on appelle ici un "calculateur de transformation" , une analyse de Fourier ou de corrélation rapide du signal de détection 4, avec des données auxquelles correspond probablement la non-détection instantanée d'une cible réelle par le détecteur 1. De telles données se présentent, par exemple, lorsque la munition 2 est encore à une très grande distance de la zone de la cible, que, par suite, une cible qui y est éventuellement détectée est très petite, et que, dans le signal de détection 4, la composante du signal de cible 6 est donc négligeable par rapport à la composante de bruit 5. Ainsi, le calculateur de transformation 10 fournit les coefficients numériques 11 pour l'adaptation optimale des filtres numériques (13, 15, 22) afin d'éliminer le signal de bruit 5 par rapport au signal de cible 6 dans le signal de détection 4, ce sur quoi l'on reviendra avec davantage de détails. Dans l'exemple représenté, pour des raisons de clarté, on a représenté un filtre d'élimination de signaux continus 12 séparés pour éliminer les composantes continues du signal de détection. Dans la pratique des appareillages, sa fonction est cependant déjà prévue, en général, avant le convertisseur analogique-numérique 8 et réalisée en particulier, par exemple, par les propriétés passe-haut de la stabilisation de température du capteur réalisées dans le détecteur 1. L'amélioration du rapport signal-bruit, donc du rapport entre les amplitudes du signal de cible 6 et du signal de bruit 5 dans le signal de détection 4, est effectuée essentiellement dans un filtre numérique adapté, dit "matché" 13. Sa réponse impulsionnelle, déterminée par ses coefficients du filtre 13, doit, comme il est connu, présenter aussi précisément que possible, les valeurs de la courbe d'amplitude symétrique vis-à-vis du temps du signal utile, donc du signal de cible 6, exploré, appliquées à la cadence correspndante du rythme 9, pour obtenir un résultat de corrélation optimum (effet d'égalisation, dans le sens d'une élimination des composantes du signal de bruit). Du fait que le comportement statistique du signal de cible 6 pour une cible réelle déterminée est déjà connu par des mesures ou des calculs, le calculateur de transCrmation 10 peut fournir ces coefficients 11 sur la base des corrélations connues du traitement statistique des signaux (en tenant compte des fonctions de transfert des filtres qui sont en série avec lui. Le filtre 13 réglé sur la fonction symétrique du signal de cible 6 à attendre ne fonctionne de façon optimale que lorsque les composantes du signal de bruit dans le signal de détection 4 présentent une aussi faible corrélation que possible par ailleurs avec le signal de cible 6 spécifique, ainsi qu'entre elles. Pour cela, le filtre adapté 13 est précédé d'un filtre 14 appelé ici "filtre d'uniformisation". Il comprend essentiellement un filtre de prédiction 15. Ses coefficients 11 sont calculés, selon le comportement statistique instantané du signal de bruit (essentiellement un bruit à bande limitée à distri- bution gaussienne), qui est de nouveau analysé par le cal- culateur de transformation 10, pour transformer la compo- sante de bruit du signal 16 d'entrée du filtre en un bruit présentant la corrélation la plus faible possible, donc blanc. Il faut, dans ce cadre, tenir compte du fait qu'une élimination des composantes continues a été effectuée (par exemple, par un filtre 12), ou qu'une composante continue du signal 4 (par l'intermédiaire de la fonction de covarian- ce), doit être incorporée dans le projet du filtre de pré- diction 15. Pour éliminer les fractions corrélées du signal de bruit réel 5 dans le détecteur 4, le résultat d'extra- polation ou de prédiction du filtre de prédiction 15 est encore soustrait, dans un organe soustracteur 18, de son information d'entrée 17, ce qui donne, par nivellement d'amplitude, une réduction de la composante de bruit, guère plus corrélée alors, du signal d'entrée 16 du filtre adapté 13. Par suite, le filtre 13 fonctionne de façon optimale en filtre d'égalisation (avec une réponse impulsionnelle qui représente le symétrique du signal de cible 6 dans le signal d'entrée 16); ainsi, seules les composantes utiles corré- lées, donc dépendant de la cible, du signal d'entrée 16 fournissent une contribution au signal d'exploitation 19 d'un rapport signal/bruit amélioré par rapport au signal de détection 4. Ce signal d'exploitation 19, qui présente certes une allure à oscillations instables, présentant une ampli- tude plus élevée relativement étroite en présence d'un si- gnal de cible 6 dans le signal de détection 4, convient ce- pendant bien, en raison de son rapport signal/bruit rela- tivement très bon, pour un étage adaptatif 20 à seuil à détecteur de crêtes29. En effet, le bon rapport signal/ bruit du signal d'exploitation 19 permet de mettre le seuil central en ligne à un niveau élevé, ce qui entraîne directe- ment une diminution du taux de fausses alarmes (délivrance de l'information de mise à feu 3 dès qu'une cible apparente Cou trompeuse est détectée), pour une même puissance de détec- tion des cibles réelles. En effet, le détecteur de crêtes 29 adapte constamment la hauteur du seuil justement actif à la valeur moyenne à court terme du signal 19, pour ne fournir, dans la mesure du possible, que des signaux utiles 21 cor- respondant à des cibles_ Selon le scénario qui se déroule dans la zone de la cible, il peut cependant arriver que le détecteur 1 délivre aussi des signaux de cible 6 qui ne proviennent pas d'une vraie cible, mais de fausses cibles (cibles trom- peuses ou apparentes). Elles sont dues, par exemple, à des étendues d'eau, ou à des plaques réflectrices destinées au camouflage qui produisent, par exemple, un effet de marquage ou de réflexion pour l'énergie micro-ondes inci- dente analogue à celui d'une cible réelle intéressante à attaquer. De ce fait, il s'est avéré qu'en pratique une caractéristique de différenciation essentiele entre les signaux 6 de cibles réelles et de fausses cibles consiste en ce que, dans ce dernier cas, le signal de cible 6 est nettement plus court ou plus long que lorsqu'une vraie cible est détectée par le détecteur 1. Pour pouvoir, dans les signaux d'exploitation 19, effectuer la distinction entre des signaux provenant de cibles réelles et des signaux provenant de fausses cibles, on applique en outre le signal 16 fourni par le filtre d'uniformisation 14 à au moins un autre filtre numérique adapté 22. Le choix des valeurs de ses coefficients 11 est fondamentalement le même que pour le filtre adapté 13 précité, mais le traitement pas à pas s'étend à présent, en raison du signal de cible 6 plus court ou plus long dans le cas d'une fausse cible typique, à un nombre corré- lativement supérieur ou inférieur de cycles 9. Le signal 23 apparaissant précédemment est donc, en tant que signal de comparaison 25, transféré dans un circuit à retard 24, par exemple un registre à décalage progressant au rythme 9 et, par suite, mémorisé, jusqu'à ce que l'autre signal, par exemple le signal utile 21, apparaisse. Pour de fausses cibles plus longues, le signal 21 doit donc être mémorisé. Ce tampon à retard est choisi en général suffisamment long pour que les fausses cibles typiques puissent être reconnues nettement. Lorsqu'on a pris soin, lors du calcul des coef- ficients 11 des filtres adaptés 13 et 22 que leurs signaux d'exploitation 19, respectivement 23, présentent une même Àc0 énergie pour leurs spectres de densité de puissance, bien que les filtres 13 et 22 fonctionnent avec un nombre de cycles 9 différent, le signal de comparaison 25 et le maximum du signal utile 21 peuvent être envoyés directement, après un retard correspondant, aux entrées de comparaison d'un comparateur d'amplitudes 26. Comme pour un signal de cible instantané 6 (qui peut provenir d'une cible réelle, mais aussi d'une fausse cible) le signal utile 21 filtré sur la longueur du signal de la cible réelle apporte une amplitude plus élevée que le signal de comparaison 25 provenant du filtre 22 non optimisé sur la cible réelle en ce qui concerne son rythme de traitement (mais ajusté, par exemple, à une valeur plus faible), le comparateur d'amplitude 26 fournit un signal de détection de cible 27 lorsque et seulement lorsque le signal de détection 4 achemine un signal de cible réelle. Son instant d'apparition est décalé dans le temps d'autant de cycles 9 qu'en a besoin le filtre 13 pour le processus de filtrage numérique (séquentiel) par rapport au début effectif du signal de cible 6 dans son signal d'entrée 16. Du fait que, selon la dérivation de localisation, la délivrance de l'information de mise à feu 3 de durée augmentée par rapport à l'exploration de la zone de la cible, est prédéterminée, la délivrance de l'information de mise à feu 3 peut avoir lieu, pour le processus d'échantillonnage typique du système, statisti- quement précisément lors de la détection du centre de la cible réelle. En effet, le retard résultant de la chaine de filtrages numériques (donc connu d'avance) peut être réduit dans un montage de décalage préalable 28, exactement de la moitié de ce retard, ce qui veut dire que l'information de mise à feu 3 correspondant à la cible réelle est délivrée, selon la dérivation connue imposée par le système, lors de l'exploration de la zone de la cible, précisément lors de la détection du centre d'une cible réelle à attaquer. A Lorsque la dérivation de localisation imposée par le système est suffisamment importante, il en est ainsi non seulement pour des signaux de fausses cibles courts 6, mais également pour des signaux (non représentés sur le dessin) plus longs que les signaux de cibles réelles 6. Il suffit alors, comme on l'a indiqué, de prendre garde de retarder corrélativement le maximum du signal 21, c'est-à-dire que les détecteurs de crêtes 29 et 24 doivent être dimensionnés tous deux sur l'intervalle de temps d'exploitation maximum prévisible. REX37END I C A T I ONS 1. Procédé d'amélioration du rapport signal- bruit pour séparer un signal utile d'une information d'entrée, noyée dans le bruit, par filtrage adaptatif, en particulier pour obtenir une information de mise à feu à partir d'un signal de détection noyé dans le bruit de munition à fusée chercheuse, caractérisé en ce qu'on effectue avec les moyens du filtrage numérique optimisé sur le comportement statis- tique du signal de détection se composant d'un signal corres- pondant au bruit et d'un signal correspondant à la cible, un filtrage réducteur pour niveler le signal de bruit et, compte tenu du filtrage réducteur, un filtrage adaptatif selon le comportement statistique du signal de cible prédé- terminé. 2. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que, pour effectuer le filtrage réducteur, on soustrait l'un de l'autre le signal de détection échantil- lonné et un signal de prédiction obtenu à partir de lui, dont les coefficients sont déterminés par la fonction d'auto- corrélation du signal de bruit. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 et 2, caractérisé en ce qu'on effectue deux filtrages adaptatifs réglés sur des longueurs différentes de signaux de cible, pour des contenus énergétiques semblables des spectres de densité de puissance des signaux utiles qu'ils fournissent, que l'on soumet à une comparaison d'amplitude. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on fait subir au signal utile du filtre adapté à une cible réelle, avant la comparaison d'amplitude, une détection de crêtes et on le fait passer par un étage à un seuil adapté. 5. Dispositif d'amélioration du rapport signal/bruit pour séparer un signal utile (21), d'une information d'entrée noyée dans le bruit au moyen de filtres adaptatifs(15,13,22) en particulier pour obtenir une information de mise à feu (3) à partir d'un signal de détection (4) de munition à fusée chercheuse (2), noyé dans le bruit pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications, caracté- risé en ce que le signal de détection (4) dont la variation de l'amplitude en fonction du temps est échantillonnée est en- voyé à un filtre d'uniformisation (14) à la suite duquel est monté un filtre numérique (13) de coefficients (11) adaptés au comportement statistique du signal de cible (6) contenu dans le signal de détection (4) compte tenu de la caractéris- tique du filtre d'uniformisation (14).15 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le filtre d'uniformisation (14) comporte à sa sortie un élément soustracteur (18) auquel son signal d'entrée (17) est amené d'une part directement et, d'autre part, par l'in- termédiaire d'un filtre de prédiction (15) dont les coeffi- cients (11) sont prédéterminés selon la fonction d'autocorré- lation du signal de bruit à bande limitée (5) contenu dans le signal de détection (4). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications et 6, caractérisé en ce qu'à partir du filtrecuniformisation (14), plusieurs filtres adaptés (13,22) sont alimentés en pa- rallèles, filtres parmi lesquels l'un est calculé sur un si- gnal de cible (6) plus court et/ou plus long que le premier. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que des montages à retard (24) sont montés à la suite des filtres adaptés (22) calculés à des plus faibles durées. 9. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 5 à 8, caractérisé en ce qu'un étage à seuil adaptatif (20) est monté à la suite du premier filtre adapté (13). 10. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 7, 8 et 9, caractérisé en ce qu'un comparateur d'amplitudes (26) est monté à la suite des filtres adaptés (13, 22). 11. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 5 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte un montage de décalage préalable (28).