Brevet FR2773269A1 — publié le 19990702

La présente invention a pour objet un dispositif de détection de systèmes émettant des ondes électromagnétiques, notamment radars ou systèmes de communication, susceptible d'être embarqué par exemple sur un satellite, qui soit large bande et qui soit en outre de relativement faible coût. Les évolutions actuelles des radars et des systèmes de communication conduisent ceux-ci à émettre des signaux élaborés pour rendre leur détection difficile par des systèmes hostiles, par exemple par modulation de fréquence ou de phase, sauts de fréquence ou autres techniques d'étalement de spectre. En effet, le système de détection hostile reçoit alors un signal dont le niveau peut être faible par rapport à celui du bruit environnant et, ne connaissant pas la technique utilisée par l'émetteur, le système de détection ne sera pas à même de retrouver ce signal par le calcul. La présente invention a pour objet un dispositif de détection qui soit capable de détecter des radars ou des systèmes de communication émettant un signal dont le niveau reçu par le dispositif est faible par rapport au bruit et, ce, avec une résolution suffisante, le dispositif devant être en outre large bande, de faible coût et de préférence embarquable. A cet effet, le dispositif comporte deux antennes perpendiculaires, formées chacune d'au moins un élément rayonnant et d'un réseau réflecteur à contrôle de phase, le réseau effectuant un balayage électronique d'une zone de l'espace selon un plan; la première antenne fournit un faisceau allongé selon une première direction (OY), qui balaie l'espace selon un plan (XOZ) de préférence sensiblement perpendiculaire à la première direction; la deuxième antenne fournit plusieurs (p) faisceaux allongés selon ledit plan et balayant l'espace selon le même plan (XOZ), en synchronisme avec la première antenne, de sorte que le faisceau de la première antenne ait a tout instant une surface d'intersection avec chacun des faisceaux de la deuxième antenne. Le dispositif comporte en outre des moyens assurant la corrélation des signaux reçus par les deux antennes. Le calcul montre que, dans ces conditions, la répartition du bruit dans les signaux reçus par les deux antennes est tel que l'opération de corrélation permet de s'affranchir en très grande partie de ce bruit. En outre, l'utilisation de réseaux réflecteurs à contrôle de phase pour la réalisation de chacune des antennes permet de réaliser un système large bande, léger, peu coûteux et éventuellement embarquable. Plus précisément, I'invention a pour objet un dispositif de détection d'un système émettant une onde électromagnétique, caractérisé par le fait qu'il comporte: - une première antenne, comportant au moins un élément rayonnant et un réseau réflecteur à contrôle de phase, fournissant un faisceau allongé selon une première direction qui balaie l'espace selon un plan sensiblement perpendiculaire à la première direction; - une antenne, comportant au moins un élément rayonnant et un réseau réflecteur à contrôle de phase, fournissant une pluralité de p faisceaux allongés selon ledit plan, qui balaient l'espace selon ce même plan, le balayage du faisceau de la première antenne et celui des faisceaux de la deuxième antenne étant effectués en synchronisme de sorte que le faisceau de la première antenne ait à tout instant une surface d'intersection avec chacun des faisceaux de la deuxième antenne; - des moyens de corrélation des signaux reçus par les deux antennes, fournissant un pic de corrélation en présence d'un système à détecter dans l'une des surfaces d'intersection. D'autres objets, particularités et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple et illustrée par les dessins annexes, qui représentent: - la figure 1, un schéma général d'un mode de fonctionnement du dispositif selon l'invention; - la figure 2a, un mode de réalisation pratique du réflecteur à contrôle de phase utilisé dans la première des deux antennes et la figure 2b, un mode de réalisation du réflecteur à contrôle de phase utilisé dans la seconde antenne. Sur ces différentes figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments. La figure 1 est donc un schéma général du fonctionnement du dispositif selon l'invention. On a représenté sur la gauche de la figure les deux antennes A1 et A2 du dispositif selon l'invention et, sur la droite de cette figure, la trace dans lo un plan, par exemple au sol, des faisceaux qu'elles émettent. L'antenne A, émet un faisceau noté F1 dont la trace a une forme allongée selon une direction OY. Ce faisceau F1 balaie une certaine zone Z selon un plan XOZ, de préférence sensiblement perpendiculaire à la direction OY précédente. On a représenté les traces f1...f13... fi de ce faisceau à différents instants et une flèche f. montrant, dans le plan XOY, la direction de balayage. L'antenne A2 émet plusieurs faisceaux simultanément, repérés F21, F22... F21...F2p. Le nombre p de ces faisceaux est tel que, à tout instant, ils recouvrent sensiblement tout l'espace éclairé par le faisceau F1. Chacun de ces faisceaux F2i est de forme allongée sensiblement selon le plan XOZ et balaie l'espace selon le plan XOZ (flèche f2 dans le plan XOY). Comme précédemment, on a représenté la trace de chacun des faisceaux F2Z à plusieurs instants (deux sur la figure), ces traces étant notées f213, f2li pour le faisceau F21. Comme il a été dit ci-dessus, à un instant donné chacun des faisceaux F2i a une surface d'intersection avec le faisceau F1; ces surfaces d'intersection sont représentées à titre d'exemple sur la figure pour la trace f13 du faisceau F1 et sont notées R21, R22...R2p. Le dispositif de détection selon l'invention comporte des moyens assurant la corrélation des signaux reçus par les deux antennes A1 et A2 (non représentés sur la figure). Ainsi qu'il est connu (voir article intitulé " Detection of spread-spectrum signais using the time-domain filtered cross spectral density " de A.W. HOUGHTON et C.D. REEVE paru dans l.E.E. Proc.-Radar, Sonar Navig., Vol. 142, N 6, December 1995), en présence d'un système à détecter, radar par exemple, dans l'une des surfaces d'intersection, par exemple R22, la corrélation des signaux fournis par les deux antennes permet d'obtenir un pic de corrélation correspondant au signal émis par le système à détecter, pic qui est identifiable du fait que le bruit, lui, ne corrèle pas. Cela est vrai à condition que les antennes soient suffisamment découplées entre elles, ce qui s'obtient en jouant notamment sur la distance entre antennes et sur la directivité des faisceaux émis. On filtre ensuite temporellement le pic de corrélation obtenu pour améliorer encore le rapport signal/bruit. La présence d'un tel pic de corrélation permet donc d'identifier la présence d'un système émetteur dans la surface R22. On voit que la résolution du dispositif selon l'invention dépend de la taille des surfaces d'intersection R: plus elles sont petites, c'est-à-dire plus étroit est le faisceau F1 et plus nombreux sont les faisceaux F2i, meilleure est la résolution. La résolution est un des paramètres du compromis qui doit être réalisé, les autres paramètres étant la rapidité du balayage de la zone Z, qui conduit à choisir un faisceau F1 large et des faisceaux F2i larges ou nombreux, I'encombrement et le poids (notamment pour permettre au dispositif d'être embarquable), qui conduisent à choisir des faisceaux larges pour pouvoir réduire la taille de l'antenne, ainsi que le coût, qui conduit bien entendu à simplifier les structures. Dans le dispositif selon l'invention, on a choisi d'émettre des faisceaux de forme allongée selon deux plans sensiblement orthogonaux, de sorte à réduire à la fois les dimensions des antennes selon une direction et l'étendue des surfaces d'interaction R; par ailleurs, un bon compromis pour le nombre de faisceaux est p = 5. Enfin, il est toujours possible d'améliorer la localisation du système détecté par les procédés connus tels que écartométrie de phase ou d'amplitude ou formation de faisceaux par le calcul. Les deux antennes A1 et A2 sont donc sensiblement rectangulaires et ont été représentées sur la figure 1 comme disposées sensiblement perpendiculairement l'une à l'autre et à proximité l'une de l'autre. Cette orthogonalité n'est pas nécessaire: il suffit que les faisceaux F1 et F2 aient des surfaces d'intersection; en outre, les deux antennes pourraient être disposées de sorte à être superposées en croix. Lorsque le dispositif selon l'invention est embarqué, les antennes A, et A2 sont disposées de telle sorte qu'elles se déplacent selon une direction sensiblement parallèle à OY (flèche 10). De la sorte, la zone de balayage Z se déplace également selon la direction OY. Si le dispositif est embarqué sur satellite, on peut ainsi assurer une surveillance de tout l'espace situé sous le satellite, au sol et dans les airs, au fur et à mesure de l'avance de celui-ci. Les figures 2a et 2b représentent un mode de réalisation respectivement des antennes A1 et A2 de la figure précédente. L'antenne A, est donc un réseau réflecteur à déphaseurs commandables électroniquement, connu sous le nom de " reflect array " dans la littérature anglo-saxonne, qui s'étend dans le plan XOY et qui comporte un réseau d'éléments à contrôle de phase, ou réseau phasé, disposé devant des moyens réflecteurs, constitués par exemple par un plan métallique formant plan de masse. Le réseau réflecteur phase peut être réalisé de toutes façons connues. Il est constitué par exemple par un ensemble d'éléments rayonnants destinés à recevoir puis réémettre une onde hyperfréquence incidente, reliés à des moyens de déphasage électroniques qui permettent de conférer au signal à réémettre un déphasage commandable, ce qui permet à son tour de réaliser un balayage électronique de l'espace, de façon connue. A titre d'exemple, une antenne à réseau réflecteur phase est décrite dans la demande de brevet français n 91-16376. Ce réseau réflecteur phase peut être constitué également par un ensemble de cellules élémentaires réalisant la réflexion et le déphasage (variable sur commande électronique) de l'onde hyperfréquence qu'elle reçoit. De tels réseaux phases peuvent utiliser des technologies du type circuit imprimé, aussi bien pour les éléments rayonnants que pour les cellules déphaseuses, ce qui permet d'inclure aisément les circuits de commande dans le dispositif, conduisant ainsi à des structures relativement, peu onéreuses, peu encombrantes et légères. Sur la figure 2a seul est visible le réseau d'éléments, repérés 20, à contrôle de phase, comportant Ml éléments selon la direction OX (sa plus grande dimension 1) sur N1 éléments selon la direction OY (de longueur hl). Chacun des éléments de déphasage 20 peut faire varier la phase de l'onde reçue selon de préférence deux ou quatre valeurs prédefinies (codées sur 1 ou 2 bits, respectivement), la limitation du nombre de bits de dépthasage permettant à une telle structure d'avoir une large bande de fréquences de fonctionnement. Les M1 x N1 éléments sont de préférence regroupés en m sous-réseaux, notés SR: SR1, SR2...SRm. Chacun des sous- réseaux SR est éclairé par un élément rayonnant S (S1, S2...Sm), par exemple du type cornet, susceptible de recevoir l'onde hyperfréquence réfléchie par le sous- réseau correspondant. Chacun des sous-réseaux balaie une portion d'espace selon le plan XOZ selon la commande électronique appliquée à chacun des éléments de 0 déphasage 20 qui le composent. En outre, chacun des éléments rayonnants Si..., est relié à un déphaseur PH,...m, les phases imposées par ces éléments PH étant telles qu'elles compensent le décalage des centres de phase de chacun des sous-réseaux SR: cela permet d'obtenir un faisceau unique F1 tel que représenté sur la figure 1. A cet effet, les déphaseurs PH sont plus précis que les éléments de déphasage 20 du réseau réflecteur, typiquement de 4 à 6 bits. Ils sont constitués par exemple par des déphaseurs à ferrite. La figure 2b représente de façon analogue l'antenne A2. Celle-ci s'étend dans le plan XOY également, sa plus grande dimension étant selon la direction OY (12). De façon analogue à l'antenne A1, I'antenne A2 est formée d'un réseau de M2 (selon la dimension ó2) sur N2 (selon la dimension h2, parallèlement à OX) éléments à contrôle de phase 20, placé devant un réflecteur non représenté. Les éléments de déphasage sont également organisés en sous-réseaux, repérés SR1...SR,. Les n sousréseaux SR de la figure 2b peuvent ou peuvent ne pas être en même nombre, peuvent ou peuvent ne pas comporter le même nombre d'éléments de déphasage 20 que ceux de la figure 2a. De même, ces éléments de déphasage peuvent être ou non identiques pour les deux antennes. Comme précédemment également, chacun des sous-réseaux SR est éclairé par un élément rayonnant S (Si...S,) qui peut, ou non, être identique à ceux de la figure 2a. Chacun des éléments S est relié à une batterie de p déphaseurs, également repérés PH et qui peuvent ou non être identiques aux déphaseurs PH de l'antenne A1. Il est toutefois préférable que les deux antennes présentent la même polarisation, pour pouvoir effectuer une intégration cohérente des signaux reçus sur les deux antennes. En fonctionnement, chacun des sous-réseaux SR de l'antenne A2 est capable d'avoir un diagramme de rayonnement présentant p lobes simultanés, la direction de chacun des lobes étant définie par la valeur imprimée à la phase par chacun des p déphaseurs PH. La commande en synchronisme des déphaseurs PH de chacun des sous-réseaux permet d'obtenir dans chacune des p directions un seul lobe pour l'antenne A2 à partir des n sous-réseaux. Sur les deux figures 2a et 2b, on a représenté des antennes A1 et A2 constituées d'éléments de déphasage 20 à deux dimensions (2D), c'est-à- 0o dire répartis selon deux directions OX et OY. Cela n'est pas indispensable et l'antenne A, peut être limitée à M1 éléments selon OX et l'antenne A2 à M2 éléments selon OY. L'avantage de réseaux 2D est de permettre de rattraper le fait que le plan d'onde correspondant à l'élément S n'est pas plat mais sphérique, lorsque l'élément S est trop proche du sous-réseau SR: il est ainsi possible de rapprocher les éléments S des réseaux et de diminuer l'encombrement de l'antenne. Dans une variante de réalisation, on peut utiliser, pour chacun des éléments S, un élément rayonnant du type " réseaux phases, ceux-ci n'étant alors plus plans. Par ailleurs, le découpage de chacune des deux antennes A1 et A2 en sousréseaux SR (m et n sous-réseaux, respectivement) présente différents avantages, notamment de permettre de disposer les éléments rayonnants S plus prés des réseaux phases que si ceux-ci ne comportaient pas de sous-réseaux; il permet également de faire varier le diagramme des antennes, tant pour diminuer le niveau des lobes secondaires que pour réaliser des fonctions d'antibrouillage, en ajustant les lois de phase de chacun des sous-réseaux. Dans une variante de réalisation (non représentée) de l'antenne A2, on peut réaliser les p faisceaux F2i non pas physiquement en utilisant les déphaseurs PH1...PHp, mais par calcul sur le signal reçu, en utilisant les techniques connues de FFC (pour Formation de Faisceaux par le Calcul), les déphaseurs PH1...PHp étant alors supprimés. Dans une autre variante de réalisation (non représentée), les déphaseurs PH des antennes AI et A2 peuvent être disposées non pas du côté des sources S, mais du côté des sous-réseaux SR et commander chacun la phase de l'ensemble d'un sous-réseau. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection d'un système émettant une onde électromagnétique, caractérisé par le fait qu'il comporte: - une première antenne (A1), comportant au moins un élément rayonnant (S) et un réseau réflecteur à contrôle de phase, fournissant un faisceau (F1) allongé selon une première direction (OY) qui balaie l'espace selon un plan (XOZ) sensiblement perpendiculaire à la première direction; - une antenne (A2), comportant au moins un élément rayonnant (S) et un réseau réflecteur à contrôle de phase, fournissant une pluralité de p faisceaux (F2i) allongés selon ledit plan (XOZ), qui balaient l'espace selon ce même plan, le balayage du faisceau de la première antenne et celui des faisceaux de la deuxième antenne étant effectués en synchronisme de sorte que le faisceau de la première antenne ait à tout instant une surface d'intersection (R) avec chacun des faisceaux de la deuxième antenne; - des moyens de corrélation des signaux reçus par les deux antennes, fournissant un pic de corrélation en présence d'un système à détecter dans l'une des surfaces d'intersection. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chacun des réseaux réflecteur à contrôle de phase est organisé en sous- réseaux (SR), chacun des sous-réseaux étant éclairé par un élément rayonnant (S). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la première antenne (A1) comporte un déphaseur (PH) par sous-réseau. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la deuxième antenne (A2) comporte p déphaseurs (PH) par sous-réseau. 5. Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé par le fait que les déphaseurs (PH) sont reliés chacun à un élément rayonnant (S). 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le réseau réflecteur à contrôle de phase de la première antenne comporte une pluralité d'éléments de déphasage (20), chacun de ces éléments étant susceptible d'imprimer un déphasage codé sur 1 ou 2 bits. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le réseau réflecteur à contrôle de phase de la O deuxième antenne comporte une pluralité d'éléments de déphasage (20), chacun de ces éléments étant susceptible d'imprimer un déphasage codé sur 1 ou 2 bits. 8. Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé par le fait que les déphaseurs (PH) sont susceptibles d'imprimer un déphasage codé sur 4, 5 ou 6 bits. 9. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les éléments de déphasage (20) du réseau réflecteur à contrôle de phase de la première antenne sont disposés selon un plan. 10. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les éléments de déphasage (20) du réseau réflecteur à contrôle de phase de la deuxième antenne sont disposés selon un plan.