Brevet FR2903781A1 — publié le 20080118

L'invention concerne un procédé et un appareil de détection de l'angle de polarisation d'un rayonnement par-venant sur un aérien et de correction des erreurs provoquées par la polarisation du rayonnement. Des éléments d'antenne disposés dans des plans différents ont des réponses différentes à un rayonnement polarisé et, en outre, tout matériau, par exemple la paroi d'un radome, placé en avant de l'élément sur le trajet du rayonnement a tendance à absorber ou réfléchir le rayonnement polarisé dans un certain plan, si bien que le signal reçu par un élément donné peut être réduit. Le rayonnement réfléchi par une cible est en général polarisé dans une certaine mesure, et la distorsion provoquée par les effets d'absorption ou de réflexion au niveau de l'antenne peuvent donner des erreurs importantes sur l'estimation angulaire de la cible. L'erreur de chaque élément varie avec l'angle de polarisation et la position de la cible par rapport à l'élément. L'invention a pour objet la formation d'un signal représentatif de l'angle de polarisation d'un rayonnement incident et la réduction de la distorsion provoquée par cette polarisation. Dans un premier aspect de l'invention, un procédé de formation d'un signal représentatif de l'angle de polarisa- tion du rayonnement incident d'un aérien monté de manière que des éléments de l'aérien soient sensibles préférentiellement à un rayonnement polarisé dans des plans respectifs particuliers, comprend la combinaison des signaux de sortie de certains ou de la totalité des éléments afin qu'un signal dont l'amplitude varie avec l'angle de polarisation soit formé. Lorsque le rayonnement est reçu en provenance d'une cible et lorsqu'une estimation de la position de la cible est destinée à être dérivée des signaux de sortie des éléments, le procédé peut comprendre l'étape de compensation de la distorsion éventuelle de l'estimation, provoquée par la polarisation du rayonnement. 2903781 2 Lorsque le signal est tel qu'une amplitude donnée du signal correspond à deux angles associés de polarisation, le procédé comprend l'étape d'identification de l'angle convenable de polarisation. Cette étape peut comprendre la 5 création d'une fonction de l'angle de polarisation, une caractéristique de cette fonction subissant un changement détectable entre deux angles associés quelconques, la création d'un signal dépendant de la caractéristique de la fonction pour l'un au moins des angles associés, et en 10 conséquence l'identification de l'angle convenable de polarisation. La fonction peut être une mesure du couplage parasite dans un plan donné par rapport à l'antenne, ou une fonction des cosinus de la direction estimée de l'axe de visée de la cible et de l'angle de roulis de la cible. 15 L'angle de roulis de la cible est l'angle formé entre le plan contenant l'axe de visée de la cible et l'axe de roulis ou dirigé vers l'avant de l'antenne ("plan de la cible") et le plan contenant les axes de hauteur et dirigé vers l'avant de l'antenne ("plan de hauteur"). 20 L'étape d'identification de l'angle convenable de polarisation peut comporter, pour chacun des deux angles associés, l'application d'une correction prédéterminée qui dépend de l'angle estimé de polarisation, aux angles estimés d'azimut et de hauteur de la cible, afin qu'une posi- 25 tion corrigée de la cible soit formée, la projection des composantes d'azimut et de hauteur de l'axe de visée corrigé de la cible sur le plan contenant l'axe de roulis de l'antenne et perpendiculaire au plan contenant l'axe de roulis et l'axe de visée non corrigé de la cible, et la 30 combinaison des deux projections afin qu'elles forment une projection résultante, puis la comparaison des projections résultantes correspondant respectivement aux angles associés de polarisation, la plus petite projection résultante correspondant à l'angle convenable de polarisation. 35 Dans le cas d'une antenne ayant quatre éléments semblables, le signal peut être Ê - Ê - a 13 24 13 13 2903781 3 E A étant respectivement la somme et la différence des logarithmes des signaux de sortie des éléments i et j, et l'élément 1 étant l'élément le plus éloigné de la cible, adjacent aux éléments 2 et 4 et opposé à l'élément 3, X13 5 étant un paramètre prédéterminé relié aux éléments de hauteur 1, 2. Dans un autre aspect de l'invention, un ensemble à radar comporte un arrangement d'antenne monté de manière que les éléments de l'arrangement soient sensibles préfé- 10 rentiellement à un rayonnement polarisé dans des plans respectifs particuliers, et un dispositif destiné à créer un signal dépendant de certains ou de la totalité des signaux de sortie des éléments et dont l'amplitude varie avec l'angle de polarisation. 15 Des modes de réalisation de l'invention sont mainte- nant décrits en référence aux dessins annexés sur lesquels: les figures 1 et 1A représentent un arrangement d'antenne comprenant quatre éléments logés dans un radome ; la figure 2 représente des tracés de l'angle mesuré 20 de hauteur en fonction de l'angle de hauteur véritable pour une plage d'angles de polarisation ; les figures 3A, 3B et 3C représentent respectivement une fonction de discrimination de polarisation, une courbe d'erreur de facteur d'échelle et une courbe de couplage 25 parasite de l'antenne ; la figure 4 est un diagramme synoptique d'un circuit généralisé de détection et de compensation de polarisation ; et la figure 5 est un graphique représentant une fonc-30 tion de discrimination de polarisation et un discriminateur d'ambiguité. On se réfère à la figure 1 ; un arrangement de quatre éléments A, B, C, D est logé dans un radome 1 d'un engin. Une onde électromagnétique polarisée dans un plan 35 est réfléchie de façon optimale par une surface lorsque le plan de son vecteur électrique est parallèle au plan de la surface. Ainsi, le rayonnement polarisé verticalement a 2903781 4 tendance à être bien transmis aux éléments A et C, mais mal aux éléments B et D bien que les éléments soient fabriqués pour être polarisés circulairement et, dans un cas idéal, doivent être sensibles de manières égales à toutes les 5 polarisations. Inversement, un rayonnement polarisé horizontalement est bien transmis aux éléments B et D mais mal aux éléments A et C. L'effet global est complexe et met en oeuvre une absorption, une réflexion et une dispersion, et l'effet au niveau d'un élément quelconque ne peut pas être 10 facilement modélisé ou prévu. A moins que la cible ne se trouve à une même distance des deux éléments d'une paire d'éléments opposés (A, C ou B, D), le gain dans chaque élément de cette paire est nettement différent étant donné les angles différents d'incidence sur les différents éléments (voir figure 1A). La figure 2 représente un certain nombre de tracés d'angles mesurés de hauteur en fonction de l'angle véritable de hauteur, pour toute une gamme de polarisation d'incidence. On peut noter sur ce tracé que l'augmentation 20 ou la réduction de l'angle estimé, provoquée par la distorsion due à la polarisation, est appréciable. Un ensemble analogue de tracés peut être formé pour les angles d'azimut. La réduction de cette distorsion nécessite la connaissance de la variation de la distorsion avec l'angle de 25 polarisation du rayonnement incident. On doit donc construire une fonction de discrimination de polarisation telle que représentée sur la figure 3A. Comme on peut le noter sur la figure 1, c'est l'élé- ment le plus éloigné de la cible qui présente la plus 30 grande variation de gain par rapport au cas idéal, étant donné le plus petit angle d'incidence, si bien qu'il est essentiel que la fonction de discrimination implique le signal de sortie de cet élément. Dans le cas de l'antenne représentée sur les figures 1 et lA et d'une cible proche 35 de l'axe de visée en azimut mais placée au-dessous de l'axe de visée en hauteur, l'élément le plus éloigné de la cible est l'élément A. Le signal de sortie de chaque élément est 2903781 5 mis à une fréquence intermédiaire (IF) et est transmis à un "convertisseur logarithmique" dans lequel le signal à fréquence intermédiaire IF est enregistré. Les logarithmes sont utilisés afin que les signaux soient transformés en 5 décibel-watt, la plage des puissances étant alors réduite d'un facteur de dix afin que la manipulation soit facilitée. Une fonction convenable des signaux de sortie du convertisseur logarithmique est la suivante : 10 D = (Ê - E ) - À A ,A AC BD AC AC dans laquelle E est la somme estimée en dBW des loga-AC rithmes des signaux à fréquence intermédiaire des éléments A et C, et est la différence estimée entre les loga- AC rithmes des signaux à fréquence intermédiaire des éléments 15 A et C. Si X est un paramètre mémorisé choisi de manière AC que la fonction de discrimination donne de bons résultats pour les angles possibles de polarisation. La forme fonda-mentale de la fonction a été déterminée expérimentalement. Un procédé par itération est utilisé pour la détermination 20 de la meilleure valeur de X Dans ces conditions, un AC rayonnement dont la fréquence et le plan de polarisation sont connus est dirigé sur l'antenne à partir d'un angle connu. Le signal de sortie du discriminateur D est mesuré A et transmis à la fonction inverse de la fonction de discri- 25 mination afin qu'une estimation de l'angle de polarisation soit donnée. La figure 3a est un graphique représentant la variation de D en fonction de l'angle de polarisation et A on peut noter qu'il existe une ambiguité car deux valeurs de 4, donnent le même signal D . La fonction inverse est A 30 constituée en réalité en deux moitiés, la région dans laquelle 4, . MAX MAX MAX est la région de polarisation à la transition entre les deux courbes et correspond à une valeur minimale dans 2903781 6 l'élément D. Lorsque 4' 4, , la fonction inverse est MA 4 = d + d .k + d .j 0 1 2 +(d3 + d4 .k + d5.j) D +(d + d .k + d . j )D 6 7 8 3 +(d9 + d10.k + dll.j)D ...Eqn IFD c et d étant des fonctions de la fréquence, et j et k étant des fonctions des cosinus de la direction de l'axe de visée m, n. Au cours des essais, l'angle de polarisation 4, est 15 connu si bien que l'inversion convenable (c ou d) peut être choisie afin qu'elle donne la valeur estimée correspondant au signal mesuré D . La différence entre la valeur A véritable 4, et la valeur estimée 4, est réduite par réglage de a et du coefficient c ou d selon le cas. Le réglage de AC 20 - donne évidemment une nouvelle valeur de D . Ce pro- AC A cessus de réglage est répété dans toute la gamme des angles d'observation de fonctionnement jusqu'à ce que la valeur moyenne de 14 - 41 soit minimale. Ceci donne un en- vrai semble de coefficients c, d, XAC pour le rayonnement à la 25 fréquence utilisée pendant les essais. Un ensemble séparé de coefficients est formé pour chacune de plusieurs fréquences différentes ou dans de petites gammes de fréquences. Dans une variante, le processus de réglage peut être réalisé dans la plage d'angles d'observation et de 30 fréquences afin qu'un seul ensemble de coefficients convenant à l'estimation de 4, soit obtenu dans toutes les circonstances. La fonction de discrimination a un degré élevé de corrélation avec la variation du facteur d'échelle du ré- 35 cepteur, une dépendance minimale vis-à-vis de l'angle d'ob- servation et une dépendance maximale vis-à-vis de l'angle de polarisation 4. La courbe du facteur d'échelle est 5 10 2903781 7 représentée sur la figure 3B. Elle représente la correction nécessaire de l'estimation de l'angle de poursuite. Comme indiqué sur la figure 2, c'est le facteur qui ramène les courbes sur la courbe d'égalité de l'angle mesuré et de 5 l'angle vrai O. La figure 3c représente la variation de 4, avec l'aberration transversale. Il s'agit d'une mesure du cou-plage, du canal de hauteur au canal d'azimut (par exemple), observée pour l'antenne utilisée avec une cible dans le 10 plan de hauteur. L'information relative à la variation du facteur d'échelle et à l'aberration transversale est conservée pour être utilisée dans l'opération de correction décrite dans la suite. D est la fonction de discrimination convenant aux A 15 cibles du quadrant de l'espace le plus éloigné de l'élément A. Pour des emplacements de cibles différentes, la fonction peut être exprimée par les mêmes signaux somme et différence : D = - (E - E ) - a A B AC ä BD BIS BD DC - ( AÇ EBQ ) + + a AC SAC D AC BD) BD -BD L'angle de polarisation estimé à partir de D , D ou B C D doit être tourné d'un ou deux angles droits afin que la D cible se trouve dans le quadrant respectif. Les signaux 25 dérivés E , E ,A ,A peuvent être obtenus avec le cir-AC BD AC BD cuit classique d'antenne qui est normalement réalisé afin qu'il transmette les sommes et les différences des signaux correspondants aux éléments opposés. De préférence cepen-dant, le signal (E - E ) est directement dérivé par les AC BD 30 circuits. Dans une variante de réalisation de la fonction de discrimination, tous les signaux différence AAB, AAC, A , A , A et A peuvent être utilisés mais le circuit AD BC BD CD associé est beaucoup plus complexe. Lors du fonctionnement, l'angle de polarisation est 35 inconnu et le signal reçu du discriminateur est utilisé afin qu'il donne une estimation de l'angle de polarisation. Cependant, comme indiqué précédemment, une valeur donnée 20 2903781 8 de D correspond à deux angles différents de polarisation. Cette ambiguité doit être résolue, essentiellement afin que l'aberration transversale puisse être compensée, cette aberration, comme représenté sur la figure 3C, ayant une 5 amplitude qui varie et un sens qui peut aussi varier, et une fausse estimation de 4, peut conduire à une fausse "correction" de l'aberration transversale et peut avoir des conséquences désastreuses. La figure 4 est un diagramme synoptique d'un circuit 10 général de détection et de compensation de polarisation. Le signal du discriminateur est formé (11) avec les signaux de sortie d'antenne après traitement par les étages logarith- miques à fréquence intermédiaire, et à l'aide des para- mètres dépendant de la fréquence et des cosinus de direc-15 tion de l'axe de visée tirés du système électronique de poursuite angulaire (EAT). Le signal D est transmis à la fonction inversion (12) encore avec les paramètres dépen- dant de la fréquence et l'information relative à l'axe de visée. Un drapeau ID d'identification de quadrant, permet- 20 tant une rotation le cas échéant, et un drapeau IPA de résolution d'ambiguité qui indique dans quelle région de la courbe D/4) se trouve la valeur estimée , sont aussi néces- saires. La levée de l'ambiguité est décrite dans la suite. A partir de cette information, la fonction inversion (12) 25 donne une estimation de l'angle de polarisation O. L'angle 4) est transmis à un ensemble de correction (13) qui corrige l'aberration transversale et les erreurs relatives au fac- teur d'échelle d'après l'angle de polarisation. Ces correc- tions dépendent de l'angle d'observation et des paramètres 30 dépendant de la fréquence si bien que l'information doit à nouveau être transmise. Les signaux de sortie de l'ensemble de correction sont un angle d'observation en azimut 1p et L un angle d'observation en hauteur 8 , tous deux compensés L en fonction de la polarisation. 35 Le drapeau IPA est le résultat du schéma (14) de levée de l'ambiguité due à la polarisation qui détermine si 6 est donné par l'équation IFC ou IFD de la fonction 2903781 9 inverse. L'information nécessaire à un tel schéma est une estimation de l'angle de roulis de cible (tel que défini précédemment), et des cosinus de la direction de l'axe de visée tirés de l'ensemble EAT. Pour la valeur mesurée D du 5 signal de discriminateur, les deux angles possibles de polarisation 4, et 4, donnés par les équations IFC et IFD c d sont évalués. Pour chaque angle de polarisation, les angles d'observationLC, âLC et Ld, âLd sont calculés, puis subissent une compensation d'après l'aberration transver- 10 sale et l'erreur de facteur d'échelle à l'aide de courbes qui sont équivalentes de celles des figures 3B et 3C pour la fréquence mesurée et les angles d'observation (non com- pensés). La levée de l'ambiguité nécessite la détermination du couplage parasite qui peut être dû aux deux ensembles 15 d'angles d'observation. Le couplage parasite doit être mesuré dans le plan perpendiculaire au plan de la cible, c'est-à-dire le plan contenant l'axe de visée et l'axe avant de l'antenne (dans le cas d'une antenne montée dans un engin guidé, l'axe de roulis de l'engin) pour que le 20 résultat soit sans ambiguité. Le couplage du plan de la cible au plan perpendiculaire doit être nul dans un cas idéal. Pour chaque paire de composantes corrigées d'angle d'observation, les composantes de l'axe de visée corrigées parallèlement à l'axe vertical et à l'axe horizontal de 25 l'antenne sont évaluées, ces composantes étant respective- ment sinâ et sin1, â étant l'angle d'observation en hauteur et 4) étant l'angle d'observation en azimut. Les composantes sont projetées sur le plan contenant l'axe de roulis et perpendiculaire au plan contenant l'axe de visée et l'axe 30 de roulis de l'engin et sont combinées afin qu'elles don- nent une projection résultante dans ce plan normal. (Les deux projections se trouvent sur la même droite car aucune composante n'est placée le long de l'axe de roulis). Ainsi, pour les deux angles possibles de polarisation 4, et cl, , c d 35 les projections résultantes sont les suivantes : M = cospsinj - sine sine c Ld Lc M = cosPsin) - sine sine d Ld Ld 2903781 10 est l'angle estimé de roulis de la cible, c'est-à-dire l'angle formé par le plan contenant l'axe de visée et l'axe de roulis de l'engin et le plan de hauteur de l'antenne. 5 La valeur convenable de ' est celle qui donne la projection résultante la plus petite, puisque ceci indique le moindre couplage parasite et en conséquence celle des deux positions corrigées estimées qui est la plus proche de la cible. Ainsi, lorsque 10 1MCI F et lorsque F est négatif, IPA=-l; TH lorsque IFS > F et F est positif, IPA=+1 et, dans les TH autres cas, IPA=O. F est un seuil dépendant de la fré-TH quence. 10 Il faut noter que d'autres fonctions que la fonction F précédente conviennent à la levée de l'ambiguité, la condition étant simplement qu'une caractéristique quel-conque de la fonction, telle que sa polarité, son amplitude ou son gradient, change d'une manière détectable entre deux 15 paires d'angles de polarisation présentant une ambiguité. En général, il existe une région de la fonction dans la-quelle la distinction entre les deux points concernés est difficile. Dans le cas de la fonction F représentée sur la figure 5, cette région se trouve au point médian à l'en- 20 droit où la fonction F recoupe l'axe de d, et le bruit du signal peut facilement conduire à une fausse lecture par exemple. On peut noter, en référence à la fonction de discrimination indiquée précédemment, que cette région de F doit être prise en compte lorsqu'une valeur de D proche de 25 la valeur minimale D est utilisée. Ceci correspond à min deux angles de polarisation différant légèrement seulement et les corrections respectives de couplage parasite sont toujours très faibles. En conséquence, dans cette région, seule la correction du facteur d'échelle est appliquée. 30 Lorsqu'une estimation sans ambiguité de l'angle de polarisation a été obtenue, la distorsion des estimations angulaires peut être corrigée, et en général, l'angle de polarisation lui-même n'est pas transmis, bien que cette caractéristique puisse être facilement obtenue. L'aberra- 35 tion transversale est compensée initialement et la compensation du facteur d'échelle est réalisée ensuite. Si l'on suppose que les estimations des cosinus de 2903781 12 la direction, après changement d'échelle, provenant du circuit électronique de poursuite angulaire (EAT) sont m et n, les cosinus de la direction, corrigés en fonction de l'aberration transversale, deviennent 5 m'=(m-BAZ )cosP + (n-BEL )sinP n'=(n-BELP)cosPPEL - (m-BAZp)sinPPEL p PAZ p PAZ BAZ et BEL étant les cosinus de direction correspondant auxP polarisations en azimut et en hauteur pour une polari- sation d'incidence donnée, et P et P étant les angles PAZ PEL 10 de compensation de roulis pour une polarisation incidente donnée. Les facteurs d'échelle en azimut et en hauteur appliqués pour un angle estimé donné de polarisation, sont définis sous la forme KAZ = P a + bl a + b 1 PA PA 15 20 a + bl KEL = P est le cosinus de la direction de l'axe 25 de visée dans la direction de l'axe de roulis de l'engin (direction x), et PE = PA + 90 . Les cosinus de direction, après changement d'échelle (di-rections y et z) sont les suivants : 30 m" = KAZ .m' n" = KELP.n' et les anglesPcorrigés d'observation sont alors -1 II) = sin (m') 8 = -sin (n') a + b 1 PE PE dans laquelle- a et b sont des constantes dépendant de la fréquence, L REVENDICATIONS 1. Procédé de formation d'un signal représentatif de l'angle de polarisation (4') d'un rayonnement tombant sur un aérien monté de manière que des éléments (A,B,C,D) de l'aérien soient sensibles préférentiellement à un rayonne-ment polarisé dans des plans respectifs particuliers, comprenant la combinaison des signaux de sortie de certains ou de la totalité des éléments afin qu'un signal D dont l'amplitude varie avec l'angle de polarisation soit créé. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le rayonnement est reçu à partir d'une cible et une estimation de la position de la cible est destinée à être dérivée des signaux de sortie des éléments, le procédé comprenant l'étape de compensation d'une distorsion éventuelle de l'estimation, provoquée par la polarisation du rayonnement. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le signal est tel qu'une amplitude donnée du signal correspond à deux angles associés de polarisation, et le procédé comprend l'étape d'identification de l'angle conve- nable de polarisation. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l'étape d'identification de l'angle convenable de polarisation comprend la création d'une fonction de l'angle de polarisation, une caractéristique de cette fonction présen-tant un changement détectable entre deux angles associés quelconques, la création d'un signal dépendant de la caractéristique de la fonction pour l'un au moins des angles associés, et en conséquence l'identification de l'angle convenable de polarisation. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la fonction est une mesure du couplage parasite entre les canaux d'azimut et de hauteur de l'antenne. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel l'étape d'identification de l'angle convenable de polarisa- tion comprend, pour chacun des deux angles associés, l'ap- plication d'une correction prédéterminée qui dépend de l'angle de polarisation, aux angles estimés d'azimut et de 2903781 14 hauteur de la cible, afin qu'une position corrigée de cible soit formée, la projection des composantes d'azimut et de hauteur de l'axe corrigé de visée de la cible sur le plan contenant l'axe de roulis de l'antenne et perpendiculaire 5 au plan contenant l'axe de roulis et l'axe non corrigé de visée de la cible, et la combinaison des deux projections afin qu'elles forment une projection résultante, puis la comparaison des projections résultantes correspondant respectivement à l'angle associé de polarisation, la projec- 10 tion résultante la plus petite correspondant à l'angle convenable de polarisation. 7. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la fonction est une fonction des cosinus estimés de la direction de l'axe de visée de la cible et de l'angle de roulis 15 de la cible. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la caractéristique est la polarité de la fonction. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 20 précédentes, dans lequel, pour une antenne ayant 4 éléments semblables, ledit signal est A A A E - E X X 13 24 13 13 f p étant respectivement la somme et la différence des ij i logarithmes des signaux de sortie des éléments i et j, 25 l'élément 1 étant le plus éloigné de la cible, adjacent aux éléments 2 et 4 et opposé à l'élément 3, et a étant un 13 paramètre prédéterminé. 10. Ensemble à radar comprenant un aérien monté de manière que des éléments de l'aérien soient sensibles pré- 30 férentiellement à un rayonnement polarisé dans des plans respectifs particuliers, et un dispositif destiné à créer un signal qui dépend de certains au moins des signaux de sortie des éléments et dont l'amplitude varie avec l'angle de polarisation. 35 11. Ensemble à radar selon la revendication 10, comprenant un dispositif destiné à corriger une distorsion éventuelle des angles estimés, due à la polarisation du 2903781 15 rayonnement incident. 12. Ensemble à radar destiné à la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9. 13. Ensemble à radar pratiquement tel que décrit 5 précédemment en référence aux dessins annexés. 14. Procédé pratiquement tel que décrit précédemment en référence aux dessins annexés.