Brevet FR2948198A1 — publié le 20110121

SYSTEME RADAR COMPLEMENTAIRE POUR LA DETECTION DE CIBLES EVOLUANT A BASSE ALTITUDE AU-DESSUS D'UN CHAMP D'EOLIENNES. L'invention concerne le domaine général de la détection radar basse altitude d'espaces aériens. Elle concerne de manière générale la localisation d'objets évoluant à basse altitude au-dessus de zones à forte réflectivité susceptible de masquer l'espace aérien situé au-dessus d'elles. Elle concerne plus particulièrement les systèmes de détection basse altitude destinés à couvrir une zone de l'espace dans laquelle se trouve situé un groupe d'éoliennes formant un espace communément appelé "champ" d'éoliennes. L'invention traite du problème de la cohabitation entre les radars et les éoliennes. La généralisation de l'implantation d'éoliennes constitue une gêne croissante pour les systèmes, des systèmes radar par exemple, en charge de la couverture de zones déterminées de territoires, en particulier dans le cas d'une couverture moyenne ou basse altitude. Parmi ces systèmes, on peut par exemple citer les radars de couverture basse altitude mis en oeuvre pour surveiller l'espace dans lequel évoluent des aéronefs à l'approche d'un aéroport. Pour de tels systèmes, l'existence de champs d'éoliennes dans la zone surveillée constitue une gêne majeure qui conditionne fortement les 20 performances de détection du radar dans la zone considérée. S'agissant généralement de radars 2D réalisant une détection simplement en gisement et distance, la zone perturbée par un champ d'éolienne s'étend alors du sol jusqu'à l'altitude maximale couverte par le diagramme de rayonnement du radar. 25 Par suite, la piste radar d'un aéronef volant à basse altitude dans une zone d'approche d'un aéroport peut dans un tel contexte être perdue pendant l'intervalle de temps durant lequel l'aéronef passe au-dessus du champ d'éoliennes, l'écho réfléchi par l'aéronef étant alors couvert par le signal de forte puissance réfléchie par les éoliennes constituant le champ. De manière 30 analogue, le radar étant rendu aveugle dans le secteur de l'espace englobant un champ d'éoliennes, un secteur densément peuplé en aéronefs comme un secteur d'approche d'aéroport englobant un champ d'éoliennes devient un espace à haut risque de collision. Les effets négatifs de la présence d'éoliennes sur les capacités de détection d'un radar chargé de la surveillance basse altitude d'un secteur de l'espace englobant une zone dans laquelle sont installées ces éoliennes sont ainsi principalement: - une désensibilisation provoquée par l'augmentation du niveau moyen de la réflectivité de la zone considérée, cette augmentation étant due à la présence des éoliennes qui constituent autant de sources de réflexions parasites, - une saturation des moyens de réception du radar, due à la forte surface équivalente des parties fixes (mât, nacelle) des éoliennes, - une augmentation des fausses alarmes provoquées par la présence des parties mobiles (pales), Pour prévenir ces inconvénients, la solution actuellement mise en oeuvre consiste à limiter l'implantation d'éoliennes dans des zones sensibles nécessitant une bonne couverture radar, à basse altitude en particulier. Un autre type de solution consiste à prendre en compte les effets négatifs cités précédemment lors de la conception des éoliennes afin de les limiter, en réduisant par exemple la surface équivalente radar des éoliennes. Un autre type de solution consiste encore à adapter les radars destinés à fonctionner dans un tel contexte, par exemple en leur adjoignant des moyens de traitement complémentaires, de façon à les rendre moins sensible à la gêne occasionnée par la présence d'éoliennes. Ces deux derniers types de solutions conduisent à l'augmentation des coûts de développement et de réalisation des équipements tant au niveau de la réalisation des éoliennes que de la modification des moyens de détection existants. Un but de l'invention est de proposer une solution alternative aux solutions évoquées précédemment. Un autre but est de développer des moyens applicables aussi bien au parc d'équipements de détection existant qu'aux équipements à venir. A cet effet l'invention a pour objet un système radar, pour réaliser la couverture basse et très basse altitude de la zone de l'espace située au-dessus d'un champ d'éoliennes. Le système selon l'invention comporte une pluralité d'éléments, émetteurs et/ou récepteurs, montés sur certaines des éoliennes, configurés pour réaliser conjointement la couverture de la portion de l'espace aérien considéré située au-dessus du champ d'éoliennes. Selon l'invention, le nombre et la disposition des éléments sont fonction du nombre d'éoliennes et de la surface occupée par celles-ci. Selon une forme de mise en oeuvre préférée, chaque élément comporte une antenne dirigée vers le zénith configurée et agencée pour présenter un diagramme de rayonnement omnidirectionnel en azimut. Selon l'invention, les moyens de réception peuvent comporter des moyens pour assurer l'élimination des échos de sol et des réflexions multiples occasionnées par la présence des éoliennes. Selon l'invention, chaque élément peut comporter des moyens de communication avec le système de gestion centrale du système qui effectue l'exploitation globale des informations acquises. Les moyens de communication sont alors configurés pour utiliser la liaison de communication qui équipe l'éolienne sur laquelle est monté l'élément considéré. Selon l'invention, chaque élément peut comporter des moyens pour tirer son alimentation électrique de l'énergie électrique produite par l'éolienne. Dans un mode de réalisation particulier du système selon l'invention, 30 les signaux émis par les éléments émetteurs sont des impulsions périodiques. Dans un autre mode de réalisation particulier du système selon l'invention, les signaux émis par les éléments émetteurs sont des ondes 35 continues. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux appréciés grâce à la description qui suit, description qui expose l'invention au travers d'un mode de réalisation particulier pris comme exemple non limitatif et qui s'appuie sur les figures annexées, figures qui représentent: - les figures 1 à 3, des illustrations relatives à un premier mode de réalisation du système selon l'invention; - les figures 4 à 6, des illustrations relatives à un second mode de 10 réalisation du système selon l'invention; Pour résoudre la difficulté pour les radars existants de traiter correctement le problème de la détection des cibles survolant les champs d'éoliennes (car les éoliennes provoquent à la fois des faux échos et une 15 perte de détection des cibles utiles), et ceci, même pour les cibles en haute altitude lorsque le radar est de type 2D (comme la quasi-totalité des radars "en-route", des radars d'aéroport et des radars côtiers), l'invention consiste à mettre en oeuvre un système de surveillance annexe courte portée, installé au niveau du champ d'éoliennes. 20 Selon l'invention, le système est constitué d'éléments émetteurs et/ou récepteurs placés sur certaines des éoliennes constituant le champ et dont les diagrammes de rayonnement sont définis de façon à couvrir l'espace aérien au-dessus du champ d'éoliennes. Selon un mode de réalisation préféré, le système selon l'invention est 25 constitué d'émetteurs et de récepteurs séparés, chaque élément étant placé sur une éolienne distincte, l'ensemble étant agencé pour constituer un radar multistatique courte portée capable d'assurer la couverture désirée à la verticale du champ d'éoliennes. Les éléments émetteurs et récepteurs sont équipés d'antennes fixes dont les diagrammes de rayonnement sont 30 omnidirectionnels en azimut, ces antennes étant orientées au zénith. Ces éléments sont par exemple montés sur les nacelles des éoliennes considérées. Selon l'invention, chaque élément du système, comporte 35 avantageusement des moyens pour communiquer avec l'organe de gestion centrale du système. Cet organe effectue notamment l'exploitation globale des informations acquises par les différents récepteurs. Il peut également transmettre aux différents éléments du système des ordres leur indiquant le mode de fonctionnement à adopter, et en particulier la forme d'onde que doit utiliser tel ou tel émetteur. Ces moyens de communication sont ici avantageusement configurés pour utiliser la liaison de communication qui équipe l'éolienne sur laquelle est monté l'élément considéré émetteur et/ou récepteur. Selon l'invention encore, chacun des éléments du système comporte des moyens pour tirer son alimentation électrique de l'énergie électrique produite par l'éolienne. S'agissant d'un système de courte portée, la consommation d'un élément, émetteur ou récepteur, peut être aisément supportée par une éolienne. En outre, chaque élément comporte des moyens permettant son alimentation à partir d'une réserve d'énergie, de type batterie par exemple, durant les périodes où, faute d'un vent suffisant, le rotor de l'éolienne reste à l'arrêt. Une telle réserve d'énergie peut par exemple être localisée au sol, au pied de l'éolienne. Dans un mode de mise en oeuvre préféré, le système selon l'invention est relié par le réseau existant au centre d'exploitation du ou des radars déjà installés et pour lesquels un complément de couverture est rendu nécessaire. La suite de la description s'intéresse à deux modes de réalisation particuliers du système selon l'invention, présentés à titre d'exemples non limitatifs. Dans un premier mode de réalisation, le système est un système multistatique, à ondes continues ("cw"), constitué d'éléments émetteurs (Tx) et récepteurs (Rx) séparés, chaque élément étant disposé au sommet d'une éolienne. Les émetteurs utilisent des antennes ayant un rayonnement omnidirectionnel en azimut. Ils mettent en oeuvre des formes d'onde continues (cw) qui permettent de garantir la portée désirée avec une puissance crête réduite. En outre afin de permettre à chacun des récepteurs d'identifier l'origine d'un signal reçu, les émetteurs sont configurés pour émettre des formes d'ondes distinctes tout en occupant globalement une bande de fréquences acceptable, grâce, par exemple, à l'utilisation de codes orthogonaux. Parallèlement, les récepteurs sont configurés pour pouvoir couvrir la totalité de cette bande de fréquences globale. Ainsi chaque récepteur peut déterminer l'origine des signaux qu'il reçoit. Les récepteurs composant le système selon l'invention sont également munis d'antennes omnidirectionnelles en azimut. Ils comportent en outre des moyens pour mettre en oeuvre un traitement de type FFC (formation de faisceau par le calcul) sur les signaux reçus. De la sorte, il leur est avantageusement possible, à la fois, de supprimer les signaux directs provenant des émetteurs et d'avoir une sélectivité angulaire permettant d'optimiser la détection des cibles utiles. Selon l'invention, chaque récepteur comporte des moyens pour traiter les échos provenant de la réflexion, sur les objets évoluant dans la zone couverte, des signaux transmis par tous les émetteurs. La fusion des informations de détection bistatique fournies par chaque récepteur permet de faire une localisation 3D précise des cibles détectées par un ou plusieurs récepteurs. La localisation précise est par ailleurs réalisée, par exemple, grâce à une méthode de multilatération (intersection des ellipsoïdes de localisation correspondant à un même objet détecté par plusieurs bases bistatiques (émetteur/récepteur). Les figures 1 à 3 illustrent un exemple de réalisation de ce premier mode de mise en oeuvre. Le système pris comme exemple comporte quatre émetteurs cw, représentés par les cercles 11, et un récepteur, représenté par l'étoile 12, répartis de la façon illustrée par la figure 1. Les émetteurs 11 et le récepteur 12 sont placés au sommet d'éoliennes, ce qui les situe à une hauteur d'environ 60 m au-dessus du sol. L'émission CW est par ailleurs réalisée en bande L, sur une bande de fréquence instantanée de 2.5 MHz, la puissance crête émise par chaque émetteur étant d'environ 5 watts. Les représentations 2-a et 2-b de la figure 2 rendent compte des performances obtenues au moyen du système selon l'invention, en matière de couverture en altitude, pour la détection d'objets volumineux de type "avion de ligne" dont la surface équivalente radar (SER) est de l'ordre de 100 m2. Les cibles sont ici considérées comme volant à une vitesse de 75 m/s et les performances sont calculées en présence de réflexions parasites sur le sol. La figure 2 considère un plan vertical médian 21, passant par le récepteur 12, tel que celui illustré par la représentation 2-a. La courbe 22 de la représentation 2-b, montre le lieu des points délimitant le domaine dans lequel la couverture réalisée par le système pris comme exemple correspond à une probabilité de détection instantanée de 90%. On précise ici que le caractère "instantané" est ici évalué au regard de la durée d'intégration qui est nécessaire au radar pour filtrer les signaux et obtenir le rapport signal à bruit nécessaire. Cette durée est typiquement de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de millisecondes. Cette durée correspond aussi à la cadence de renouvellement des informations (par exemple des "plots") qui peuvent être transmises au système d'exploitation. Ainsi, comme on peut le constater, le domaine délimité s'étend avantageusement d'une altitude d'environ 200m à une altitude d'environ 10000 m, de sorte qu'un avion de ligne est détecté dans la zone située au-dessus des éoliennes jusqu'à une altitude d'au moins 10000m. La couverture ainsi réalisée s'étend en outre sur un vaste domaine en altitude et en distance. Pour une altitude de 2000 m, par exemple, cette couverture est réalisée de manière omnidirectionnelle en azimut, sur un domaine de distances ayant un rayon supérieur à dix kilomètres. Les représentations 3-a et 3-b de la figure 3 donnent quant à elles, une idée des performances obtenues au moyen du système selon l'invention, en matière de couverture en altitude, pour la détection d'objet de petite taille de type "drone" (UAV) dont la surface équivalente radar (SER) est de l'ordre de 1 m2. Les cibles sont ici encore considérées comme volant à une vitesse de 75 m/s. Comme la figure 2, la figure 3 considère un plan vertical médian 31, passant par le récepteur 12, tel que celui illustré par la représentation 3- 8 a. La courbe 32 de la représentation 3-b, montre le lieu des points délimitant le domaine dans lequel la couverture réalisée par le système pris comme exemple correspond à une probabilité de détection instantanée de 90%, les performances étant calculées en présence de réflexions sur le sol. Ainsi, comme on peut le constater, le domaine délimité s'étend avantageusement d'une altitude d'environ 200m à une altitude d'environ 4000m de sorte qu'un drone (un UAV) est détecté dans la zone située au-dessus des éoliennes dans un domaine s'étendant d'une altitude de 200m jusqu'à une altitude d'au moins 3000m. Un drone (un UAV) évoluant dans cette zone, est par conséquent détecté. Dans un second mode de réalisation, le système est un système multistatique à impulsions, constitué d'éléments à la fois émetteurs et récepteurs, chaque élément étant disposé au sommet d'une éolienne. Selon l'invention, chacun des éléments constituant le système utilise une antenne omnidirectionnelle simple, par exemple un dipôle implanté au-dessus d'un plan de masse, utilisée alternativement pour l'émission et pour la réception. De même que dans le cas du radar multistatique continu décrit précédemment, les récepteurs du radar multistatique pulsé traitent les échos provenant de la réflexion sur les cibles de tous les émetteurs. La fusion des informations fournies par chaque récepteur permet de faire une localisation précise des cibles grâce à une méthode de type multilatération. Les antennes d'émission et de réception sont comme précédemment orientées au zénith. Cependant, à la différence du système multistatique à onde continue décrit précédemment, la suppression des signaux issus des émetteurs par trajet direct est assurée par l'utilisation même du mode pulsé et ne nécessite aucun moyen spécifique. Les figures 4 à 6 illustrent quant à elles un exemple de ce second mode de réalisation. Le système pris comme exemple comporte 4 éléments émetteurs-35 récepteurs 41 répartis de la façon illustrée par la figure 4. Les émetteurs- 9 récepteurs sont placés au sommet d'éoliennes, ce qui les situe, comme dans l'exemple précédent, à une hauteur d'environ 60 m au-dessus du sol. L'émission est par ailleurs réalisée en bande L, sur une bande de fréquence instantanée de 2.5 MHz, la puissance crête émise par chaque émetteur étant d'environ 100 watts. La durée des impulsions émises est de 0.2 ps et la période de répétition moyenne des impulsions est de 50 ps. Les cibles sont ici, comme précédemment, considérées comme volant à une vitesse de 75 m/s et les performances sont calculées en présence de réflexions sur le sol. Les représentations 5-a et 5-b de la figure 5 rendent compte des performances obtenues au moyen du système à impulsions selon l'invention, en matière de couverture en altitude, pour la détection d'objets volumineux de type "avion de ligne" dont la surface équivalente radar (SER) est de l'ordre de 100 m2. La figure 5 considère un plan vertical médian 51 tel que celui illustré par la représentation 5-a. La courbe 52 de la représentation 5-b, montre le lieu des points délimitant le domaine dans lequel la couverture réalisée par le système pris comme exemple, correspond, comme dans l'exemple précédent, à une probabilité de détection instantanée de 90%. Les représentations 6-a et 6-b de la figure 6 rendent compte, quant à elles, des performances obtenues au moyen du système selon l'invention, en matière de couverture en altitude, pour le pistage d'objet de petite taille de type drone (UAV) dont la surface équivalente radar (SER) est de l'ordre de 1 m2. La figure 6 considère un plan vertical médian 61 tel que celui illustré par la représentation 6-a. La courbe 62 de la représentation 6-b, montre le lieu des points délimitant le domaine dans lequel la couverture réalisée par le système pris comme exemple correspond, comme dans l'exemple précédent, à une probabilité de détection instantanée de 90%. L'exemple précédent permet de constater que, au moins dans le domaine d'altitude intéressant la surveillance basse et moyenne altitude, les performances obtenues avec un système multistatique à impulsions sont similaires à celles obtenues avec un système multistatique à onde continue (cw). Le choix de l'un ou l'autre système sera donc fonction de critères 10 comme la complexité d'installation ou encore le coût. Quelle que soit la configuration adoptée, les moyens de réception constituant le système radar selon l'invention, les récepteurs de radars dans les deux configurations exposées précédemment, sont préférentiellement munis de deux fonctions spécifiques, destinées à traiter les particularités liées à la proximité des pales de l'éolienne qui portent les éléments du système ainsi que celles des éoliennes voisines. 10 La première fonction est destinée à compenser les déformations du diagramme d'antenne provoquées par le déplacement des pales de l'éolienne porteuse. La perturbation créée par une pale d'éolienne vis à vis des moyens de réception positionnés sur cette même pale peut être comparée à celle occasionnée par un cylindre métallique de lm de diamètre 15 et située à une dizaine de mètres d'un radar en bande L comportant une antenne de petite dimension comparée à la taille du cylindre. Cette perturbation se traduit, dans le cas d'un radar monostatique, par une chute de l'ordre de 12 dB du rapport signal à bruit. Cette chute se traduit finalement par une diminution par deux de la portée pour les cibles situées dans l'ombre 20 géométrique de la pale, ainsi que par l'existence de phénomènes complexes d'interférences entre l'onde incidente émise par les moyens d'émission et les ondes réfléchies par la pale. Dans la mesure où les pales tournent, les effets de ce phénomène varient en outre périodiquement dans l'espace et dans le temps. II y a donc 25 lieu de compenser cet effet par toute méthode adaptée connue. II est par exemple possible d'utiliser les informations sur la position des pales de l'éolienne dont peut par ailleurs disposer le radar monté sur l'éolienne considérée et d'appliquer un traitement a posteriori sur les plots radars produits par les moyens d'extraction du radar considéré. 30 La seconde fonction met en oeuvre tout procédé approprié pour lutter contre les échos parasites pouvant être constitués par la réflexion du signal émis par un radar élémentaire sur les pales des autres éoliennes et en particulier des éoliennes voisines de celle sur laquelle il est placé. 35 Ces deux fonctions peuvent être réalisées par la mise en oeuvre de tout procédé connu, par exemple par mise en oeuvre du procédé objet de la demande de brevet français N° 0807211 déposé le 18/12/2008 par la demanderesse.5 REVENDICATIONS1. Système radar, pour réaliser la couverture basse et très basse altitude de la zone de l'espace située au-dessus d'un champ d'éoliennes, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'éléments, émetteurs (11) ou récepteurs (12), montés sur certaines des éoliennes, ces éléments étant configurés pour réaliser conjointement la couverture de la portion (22, 32) de l'espace aérien considéré située au-dessus du champ d'éoliennes, le nombre et la disposition des éléments (11, 12) étant fonction du nombre d'éoliennes et de la surface occupée par celles-ci. 2. Système radar selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque élément comporte une antenne dirigée vers le zénith configurée et agencée pour présenter un diagramme de rayonnement omnidirectionnel en azimut. 3. Système radar selon la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments récepteurs (12) comportent des moyens pour assurer l'élimination des échos de sol et des réflexions multiples occasionnées par la présence des éoliennes. 20 4. Système radar selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque élément (11, 12) comporte des moyens de communication avec le système de gestion centrale du système qui effectue l'exploitation globale des informations acquises, les 25 moyens de communication étant configurés pour utiliser la liaison de communication qui équipe l'éolienne sur laquelle est monté l'élément considéré. 5. Système radar selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, 30 caractérisé en ce que chacun des éléments (11, 12) comporte des moyens pour tirer son alimentation électrique de l'énergie électrique produite par l'éolienne.15 6. Système radar selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les signaux émis par les éléments émetteurs (11) sont des impulsions périodiques. 7. Système radar selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les signaux émis par les éléments émetteurs (11) sont des ondes continues.