Brevet FR2861850A1 — publié le 20050506

L'invention concerne le domaine des simulateurs de cibles de radar et plus particulièrement, de tels simulateurs qui simulent des cibles de radar complexes. Le matériel dans les boucles de test (HWIL ou HIL) de missiles à tête chercheuse active en radiofréquence (RF) nécessite une simulation précise de cibles que le dispositif de poursuite, soit la tête chercheuse ou les têtes chercheuses, est susceptible de rencontrer en service. De tels tests sont bien entendu significativement moins chers que de réels tirs de test de tels systèmes de missiles, de sorte qu'un corps significatif de recherche est maintenant dirigé vers le développement d'installation de test de simulation HWIL de précision. Une cible complexe peut être décrite comme une cible ressemblant plus par exemple à un avion avec sa structure étendue associée, par opposition à une cible plus simple, comme un disque réflecteur plat ou un angle trièdre. Des émetteurs de cibles complexes sont utilisés pour générer des signaux RF dans l'espace pour simuler les retours de radar des cibles radar complexes, de tels retours incluant des caractéristiques telles que la scintillation de la cible et les variations des scintillations angulaires, ainsi que des simulations d'échos radar parasites. Le retour radar d'une cible radar complexe varie lorsque les positions relatives et les orientations de la cible et de la tête chercheuse changent. Ceci est du aux effets de la rétrodiffusion associée à des surfaces de réflexion complexes. Une tête chercheuse à radar RF doit détecter sa cible et fournir une estimation continue de la direction de la cible, de manière à diriger un missile vers son but. Les variations du signal de cible peuvent influencer la capacité de détection de la cible ainsi que la précision de toutes les mesures de direction. Les émetteurs de cibles radar complexes de l'état de l'art simulent leurs cibles par le mouvement aléatoire effectif d'un point lumineux que la tête chercheuse poursuit. De tels émetteurs fournissent le mouvement effectif d'un point lumineux par l'utilisation de la variation commandée de l'amplitude d'émission RF de typiquement trois ou quatre pavillons émetteurs. De manière à simuler le contrôle requis du front d'onde produit par un tel système, les amplitudes des pavillons émetteurs sont modifiées de manière à effectivement incliner le front d'onde. Les relations de phase entre les pavillons émetteurs dans un tel système sont fixées de sorte que le mécanisme par lequel les mouvements effectifs du point lumineux sont contrôlés dépendent uniquement des variations des amplitudes respectives générées par les pavillons émetteurs et non en vertu d'une quelconque relation de phase. Les têtes chercheuses RF de l'état de l'art peuvent avoir plusieurs canaux de réception, de sorte que pour fournir une simulation de précision d'un signal d'écho parasite, un générateur d'échos parasites doit être capable d'exciter tous les canaux de réception. Le mécanisme de l'état de l'art actuel grâce auquel des échos parasites sont introduits dans une cible de radar simulée, est par l'utilisation d'un unique pavillon émetteur RF. Une telle entrée peut seulement fournir un unique angle à partir duquel une tête chercheuse peut recevoir un signal, de sorte qu'il ne produit aucune modification angulaire du champ représentatif d'un vrai retour d'un écho parasite distribué. Ainsi, il est fourni un simulateur de cibles radar complexes compre- nant: un émetteur de cibles radar complexes comprenant la commande indépendante de trois caractéristiques de champ de rayonnement radiofréquence, lesdites caractéristiques de champ comprenant: i) les composantes réelles et imaginaires de l'amplitude complexe du champ de rayonnement; ii) la dérivée spatiale des composantes réelles et imaginaires de l'amplitude complexe dans l'un des deux plans orthogonaux; et iii) la dérivée spatiale des composantes réelles et imaginaires de 25 l'amplitude complexe dans l'autre desdits deux plans orthogonaux. Les plans orthogonaux peuvent être le plan horizontal et le plan vertical par rapport à un sol théorique par exemple. Un mode de réalisation préféré de l'invention est un système émetteur de cibles radar complexes 5 décrit ci-dessous en référence à la figure 1. Dans une tête chercheuse monopulse, il y a typiquement trois canaux de recherche variables qui sont combinés pour fournir l'information requise pour poursuivre continûment une cible. Le canal de somme est excité par l'amplitude du champ, tandis que les canaux de différence d'azimut et d'élévation sont excités par la dérivée spatiale transverse de l'amplitude du champ. L'unité d'émetteur fournit la commande indépendante des entrées séparées de ces trois canaux, à partir du monde extérieur, incluant à la fois la phase et l'amplitude. En conséquence des variations la dérivée spatiale de champ, le front de phase d'un champ RF peut devenir incliné (c'est-à-dire scintillation angulaire). Les têtes chercheuses RF tentent de déterminer la direction d'une cible en estimant l'orientation du front de phase par le traitement des signaux dans leurs canaux de somme et de différence. Il y a différentes manières de réaliser ceci, mais elles sont toutes sensibles à la fois à la phase et à l'amplitude des trois signaux. En termes de critères de test HWIL, de manière à évaluer la précision des mesures d'angle de la tête chercheuse, il est nécessaire de commander les variations de phases et d'amplitudes de l'ensemble des trois signaux. Il n'est pas suffisant comme cela est fait dans les techniques de l'état de l'art, de simplement commander uniquement l'amplitude du signal et l'orientation du plan de phase, car les têtes chercheuses sont sensibles aux variations de phase ainsi que d'amplitude. L'invention fournit un émetteur de cibles radar complexes qui peut fournir une commande indépendante des trois caractéristiques d'un champ de rayonnement RF à la tête chercheuse, nécessaires pour une simulation HWIL précise et réaliste. Les trois caractéristiques qui sont commandées par l'invention sont: 1) l'amplitude complexe du champ de rayonnement RF (composantes réelle et imaginaire, de manière équivalente amplitude et phase) ; 2) dérivée spatiale de l'amplitude complexe dans le premier des deux plans orthogonaux (composantes réelle et imaginaire) ; et 3) dérivée spatiale de l'amplitude complexe dans le second des deux plans orthogonaux (composantes réelle et imaginaire). Ce sont les caractéristiques d'un champ RF dans l'espace, et elles sont indépendantes de la tête chercheuse. Les retours radar d'échos parasites, (principalement le sol mais également la pluie et d'autres réflecteurs non désirés), interfèrent avec le signal de la cible que la tête chercheuse utilise pour détecter et poursuivre la cible. Les signaux d'échos parasites entrent par les canaux de différence de somme des trois antennes, dégradant potentiellement la mesure et la direction de la cible. Potentiellement, des retours d'écho parasite peuvent arriver d'un grand étalement de directions. Générer des signaux de toutes les directions pour des tests de tête chercheuse HWIL, nécessiterait un vaste et coûteux réseau d'émetteurs. Dans l'invention, les caractéristiques des signaux destinés à être reçus par les trois canaux d'antenne de la tête chercheuse, sont calculées et l'unité d'émetteur de cibles radar complexes peut exciter des signaux dans les trois canaux avec des caractéristiques correctes simulant leur arrivée à partir d'une gamme entière de directions générant ainsi des signaux avec les amplitudes et dérivées spatiales correctes. Une compensation est appliquée pour des décalages angulaires entre la ligne de visée de l'antenne de la tête chercheuse et la direction de l'unité d'émetteur. Pour les échos radar parasites, l'unité d'émetteur fournit une corn- mande indépendante des signaux dans le canal de somme et dans les deux canaux de différence de l'antenne de la tête chercheuse, représentant les signaux d'échos parasites reçus intégrés sur toutes les directions, et pondérés par les diagrammes polaires de somme et de différence de l'antenne, avec les profils spectraux Doppler appropriés et avec les corrélations appropriées entre les ca- naux. Une caractéristique importante de l'invention réside dans l'utilisation de cinq pavillons rayonnants, avec les pavillons dans chacune des deux paires extérieures, liée en opposition de phase. Les émetteurs de l'état de l'art emploient généralement quatre pavillons émetteurs RF, chacun desquels est corn- mandé indépendamment avec les signaux requis distribués entre eux. Dans l'exemple suivant, les plans orthogonaux utilisés sont les plans horizontaux et verticaux respectivement, par rapport à un sol théorique. Sur la figure 1, l'entrée 30 de l'émetteur est atténuée par un atténuateur 24 avant d'être séparée en un des trois chemins amenant respectivement vers le pavillon central 1, la première paire de pavillons extérieurs 2,3 ou la seconde paire de pavillons extérieurs 4, 5. L'atténuateur 24 contrôle le niveau moyen du signal selon l'équation de portée radar. Ceci permet à l'émetteur de simuler des cibles à différentes distances de la tête chercheuse. L'unité d'émetteur de cibles radar complexes commande l'amplitude du champ, en utilisant le pavillon central 1, par l'entrée de la somme des varia- tions des composantes réelle et imaginaire 6, par un vecteur de modulation 12. L'émetteur contrôle les dérivées spatiales transverse de la manière suivante: la dérivée horizontale est commandée, en utilisant la première paire de pavillons extérieurs 2, 3 par l'entrée des variations de composantes réelles et imaginaires 8 par un vecteur modulateur 14. La dérivée verticale est commandée, en utilisant la seconde paire de pavillons extérieurs 4, 5, par l'entrée des variations de composantes réelles et imaginaires 10 par un vecteur modulateur 16. Avant d'arriver aux vecteurs modulateurs 14, 16, l'entrée de l'émetteur 30 est premièrement atténuée par des atténuateurs 34, 36 respectifs, pour s'assurer que les dérivées spatiales transverses ont leurs amplitudes moyennes désirées. Les atténuateurs 24, 34 et 36 sont commandés par les entrées 18, 20 et 22 respectivement. L'entrée de l'émetteur 30 est typiquement prise d'un échantillon qui a été mixé, permettant ainsi au système de travailler et au traitement d'être achevé à des fréquences significativement basses (par exemple dans la gamme des technologies des téléphonies mobiles GSM). Les pavillons extérieurs 2 et 3, et 4 et 5 sont excités strictement en opposition de phase pour s'assurer qu'ils génèrent des champs dérivés, mais par voie de conséquence, ne contribuent pas à l'amplitude du champ reçu par la tête chercheuse 32, dans lequel la superposition annule les signaux. Les signaux rayonnés à partir de trois sources, à savoir le pavillon 1, la paire en opposition de phase 2 et 3 et la paire en opposition de phase 4 et 5, sont modulés indépendamment à la fois en phase et en amplitude. Pour assurer en outre une simulation précise d'une cible radar cornplexe, les signaux modulés sont obtenus à partir de modèles de cibles appropriées, qui peuvent comprendre soit des modèles stochastiques de génération de signaux en tant que variables aléatoires avec la distribution statistique correcte et des caractéristiques spectrales correctes, soit des modèles déterministes basés des caractéristiques de dispersion électromagnétique de types de cibles spécifiques. Un signal d'écho parasite est généré par l'émission de signaux à partir de trois canaux émetteurs (c'est-à-dire le pavillon 1 et les deux paires de pavil- Ions extérieurs en opposition de phases 2 et 3, et 4 et 5) qui sont tous modulés indépendamment. Ces signaux modulés sont calculés de manière à exciter les signaux requis dans les trois canaux de réception de la tête chercheuse (à savoir le canal de somme et les canaux de différence d'azimut et d'élévation de l'antenne). La capacité à exciter le signal interne de la tête chercheuse reçue repose sur le fait qu'il y a précisément le même nombre de degré de liberté dans les signaux de tête chercheuse que dans les signaux de l'unité d'émetteur, à sa-voir trois variables complexes dans chaque cas, et les variables de la tête chercheuse sont reliées aux variables de l'unité d'émetteur par une transformation linéaire (complexe) qui est inversible. La matrice de transformation dépend des orientations relatives de l'unité d'émetteur et de l'antenne de tête chercheuse, ainsi que des diagrammes polaires de l'antenne de tête chercheuse, et doit être conçue comme une fonction de l'orientation relative de l'antenne de tête chercheuse et de l'unité d'émetteur, dépendant tour à tour de la position de l'unité d'émetteur, de l'orientation de la table de vol du missile, et de l'angle de déviation de l'antenne de la tête chercheuse. Tous ces paramètres sont nécessaires en tant qu'entrées, pour le logiciel de commande. Les signaux de tête chercheuse requis sont obtenus à partir d'un modèle d'écho parasite adapté, et les signaux de modulation de l'unité d'émetteur sont obtenus par l'application de l'inverse de la matrice de transformation. L'invention offre de nombreux avantages sur les systèmes d'émetteur à quatre pavillons conventionnels, incluant la correspondance une à une entre les signaux devant être générés (à savoir les composantes réelles et imaginaires de l'amplitude du champ RF et de ces deux dérivées spatiales), et les canaux de l'unité d'émetteur (à savoir le canal central et les deux canaux extérieurs), avec commande indépendante des composantes réelles et imaginaires des signaux émis par chaque canal). Avec quatre pavillons, il y a soit trop de commande (à savoir quatre signaux complexes pour commander seulement trois variables complexes du champ RF), soit trop peu (par exemple, phase fixe dans le pavillon, avec uniquement une commande d'amplitude pour appliquer l'atténuation de section transversale et la distorsion du front de phase du radar, mais sans variations de phase). En outre, l'invention fournit une commande substantiellement améliorée sur un champ RF et ses dérivés de phase et d'amplitude, ce qui est obtenu par le découplage des canaux de l'unité d'émetteur. Ainsi, quand plus d'un seul pavillon est requis pour générer une unique variable de champ RF (par exemple deux pavillons en opposition de phase pour générer un champ dérivé), les rela- tions de phase et d'amplitude entre ces pavillons doivent être commandées très sévèrement pour empêcher le couplage de puissance d'une ligne des autres variables de champ. Si le signal dérivé venait à être séparé entre des modulateurs séparés commandant des pavillons différents (comme cela serait nécessaire dans un arrangement à quatre pavillons traditionnels), alors des calibrations très précises sur les dispositifs de modulation seraient nécessaires. Cependant, avec l'arrangement à cinq pavillons, les relations de phase et d'amplitude entre les deux pavillons de chaque paire extérieure, sont fixes et peuvent être ajustées au cours de la procédure de paramétrage dans la chambre de test pour s'assurer que les signaux des pavillons sont en exacte opposition de phase à la position de la tête chercheuse. Par ailleurs, l'invention fournit une gestion améliorée de gammes dynamiques. Dans un arrangement traditionnel à quatre pavillons, les signaux d'amplitude et de dérivés de champ, sont nécessaires pour être distribués entre les quatre pavillons, qui doivent de ce fait, accommoder les gammes dynamiques combinées de toutes les variables. Cependant, avec le nouvel arrangement à cinq pavillons, seulement les deux canaux extérieurs doivent supporter la gamme dynamique maximale pour les termes dérivés du champ. D'autres avantages et améliorations sur le système de l'état de l'art, seront facilement apparents à ceux compétents dans l'art et de tels modes de réalisation et des modes de réalisation alternatifs qui utilisent le concept inventif de la présente divulgation sont considérés comme inclus dans la portée de l'invention revendiquée. REVENDICATIONS 1. Emetteur de cibles radar complexes comprenant la commande indépendante de trois caractéristiques de champ de rayonnement radiofréquence, lesdites caractéristiques de champ comprenant: i) les composantes réelles et imaginaires de l'amplitude complexe du champ de rayonnement; ii) la dérivée spatiale des composantes réelles et imaginaires de l'amplitude complexe dans l'un de deux plans orthogonaux; et iii) la dérivée spatiale des composantes réelles et imaginaires de l'amplitude complexe dans l'autre desdits deux plans orthogonaux. 2. Emetteur de cibles radar complexes selon la revendication 1, dans lequel ledit émetteur comprend cinq pavillons pour émettre des rayonnements radiofréquences. 3. Emetteur de cibles radar complexes selon la revendication 2, dans lequel l'un desdits cinq pavillons est utilisé pour commander l'amplitude du champ de rayonnement radiofréquence, et les quatre pavillons restants sont arrangés en deux paires, les pavillons de chacune des deux paires étant reliés en opposition de phase, les deux paires de pavillons étant utilisés pour générer les dérivées spatiales des composantes réelle et imaginaire de l'amplitude complexe dans chacun desdits deux plans orthogonaux respectifs.