Brevet FR2972055A1 — publié le 20120831

PROCEDE DE DETERMINATION D'UN RANG D'AMBIGUÎTE EN DISTANCE D'UN SIGNAL RECU PAR UN RADAR DOPPLER A IMPULSIONS L'invention se situe dans le domaine des radars Doppler à impulsions, en particulier dans le traitement des signaux émis et reçus par de tels radars. Elle concerne un procédé de détermination d'un rang d'ambiguïté en distance d'un signal d'écho reçu par un radar Doppler à impulsions. Un radar Doppler à impulsions émet une onde électromagnétique au travers d'une série d'impulsions périodiques encore appelée train d'impulsions. II permet de caractériser une cible éclairée par le faisceau du signal radar suivant deux paramètres. Le premier paramètre est la distance io D séparant la cible du radar. Cette distance se déduit du retard a séparant l'instant d'émission d'une impulsion de l'instant de réception de son écho rétrodiffusé par la cible. La distance est égale au produit du retard a par la vitesse c de propagation de l'onde électromagnétique, divisé par deux (D= z.c/2 ). Le deuxième paramètre est la vitesse de rapprochement V, de 15 la cible par rapport au radar. Cette vitesse est estimée en émettant un train de N impulsions périodiques et en effectuant une analyse spectrale (par Transformée de Fourier) sur les N signaux reçus et démodulés par la fréquence d'émission de l'onde électromagnétique. L'espacement temporel séparant l'émission de deux impulsions consécutives du train d'impulsions 20 est appelé période de récurrence. L'inverse de cette période de récurrence fournit la fréquence de récurrence, notée fr. Après démodulation, le signal constitué par les N échos rétrodiffusés par la cible est un signal périodique dont la fréquence, appelée fréquence Doppler fd , est proportionnelle à la vitesse de rapprochement de la cible Vr . La vitesse de rapprochement Vr est 25 égale au produit de la fréquence Doppler fd par la longueur d'onde 2 de l'onde électromagnétique, divisé par deux (V, = fd.2/2). Le signal constitué par les N échos rétrodiffusés est échantillonné à la fréquence de récurrence f, . En raison de la forme discrète de ce signal, seule la valeur ambiguë de la fréquence Doppler (c'est-à-dire la valeur de la fréquence Doppler modulo fr ) 30 peut être estimée. Afin d'augmenter la vitesse maximale de rapprochement pouvant être déterminée sans ambiguïté, il faut utiliser une valeur d'ambiguïté Doppler, et donc d'ambiguïté vitesse, la plus haute possible. Autrement dit, il faut utiliser des formes d'onde avec une fréquence de récurrence élevée. Cependant, une augmentation de la fréquence de récurrence se fait au détriment de la mesure en distance. En effet, un écho reçu à un instant t peut a priori être issu de n'importe laquelle des impulsions s émises avant l'instant t. Ce phénomène « d'ambiguïté distance » fait qu'il est impossible de distinguer une cible située à une distance D d'une cible située à une distance D+Damb, cette « distance ambiguë » étant inversement proportionnelle à la fréquence de récurrence : Damb = c/(2 fr ). Plus généralement, la distance entre le radar et une cible ne peut être connue io qu'à un rang d'ambiguïté r près (D+ r.Damb ), où r est un entier naturel. Dès lors que les signaux rétrodiffusés peuvent s'étendre sur une plage de distance supérieure à la distance ambiguë, on parle de forme d'onde ambiguë en distance. ls En conséquence, pour un radar Doppler à impulsions, le choix de la fréquence de récurrence résulte d'un compromis. Une fréquence de récurrence relativement haute conduit à une valeur d'ambiguïté Doppler relativement haute, mais à une distance ambiguë relativement faible. A l'inverse, une fréquence de récurrence relativement basse conduit à une 20 distance ambiguë relativement haute, mais à une valeur d'ambiguïté Doppler relativement basse. Afin de permettre d'utiliser une fréquence de récurrence relativement haute tout en permettant de fournir une mesure de distance non ambiguë, une solution connue consiste à émettre successivement plusieurs trains d'impulsions en faisant varier la fréquence de récurrence d'un train à 25 l'autre. La valeur de la distance ambiguë est donc différente pour chaque train d'impulsions. L'ambiguïté en distance est alors levée en dupliquant pour chaque train d'impulsions l'image associée dans le domaine Distance - fréquence Doppler, de manière à couvrir entièrement le domaine Distance - fréquence Doppler non ambigu, et en superposant les images associées aux 30 différents trains d'impulsions. La position non ambiguë de la cible correspond à la position du pixel où la cible est présente sur l'ensemble des images. Cette solution présente l'inconvénient d'empêcher d'effectuer un traitement cohérent sur l'ensemble des trains d'impulsions, dans la mesure où le signal n'est plus échantillonné avec une fréquence de récurrence constante sur toute la durée d'une acquisition. Un autre inconvénient est qu'elle nécessite l'utilisation de plusieurs trains d'impulsions. Un but de l'invention est notamment de remédier à cet inconvénient en fournissant un procédé permettant de déterminer une mesure de distance non ambiguë tout en utilisant une fréquence de récurrence relativement haute et une fréquence de récurrence constante sur toute la durée d'une acquisition. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de détermination d'un rang d'ambiguïté en distance d'un signal io d'écho reçu par un radar Doppler à impulsions, comprenant les étapes successives suivantes : ^ émettre un signal radar comportant un train de N impulsions périodiques, une rotation de phase suivant une fonction ÇO(n) étant appliquée sur chacune des impulsions du train, la dérivée seconde de la fonction ÇO(n) 15 changeant de signe entre la première moitié des impulsions et la seconde moitié des impulsions, ^ recevoir un écho du signal radar, une rotation de phase suivant une fonction - Y R (n) étant appliquée sur chacune des impulsions du train pour chaque rang d'ambiguïté en distance R à tester, avec Y'R (n) = (O(n - R), 20 ^ construire, pour chaque rang d'ambiguïté en distance R testé, un premier spectre en fréquence par transformée de Fourier de l'écho du signal radar correspondant à la première moitié des impulsions déphasées de - q)R (n) , et un deuxième spectre en fréquence par transformée de Fourier de l'écho du signal radar correspondant à la deuxième moitié des impulsions 25 déphasées de - SOR (n) , ^ construire, pour chaque rang d'ambiguïté en distance R testé, un troisième spectre en fréquence correspondant, à chaque fréquence, au minimum d'amplitude entre le premier et le deuxième spectre, ^ déterminer le rang d'ambiguïté en distance r du signal d'écho à partir 30 des troisièmes spectres en fréquence. L'invention a notamment pour avantage qu'elle permet de déterminer le spectre en fréquence d'un signal d'écho en effectuant un traitement cohérent sur l'ensemble des impulsions du signal d'écho. La 35 précision avec laquelle est estimée la fréquence Doppler d'un écho (précision inversement proportionnelle à la durée d'intégration cohérente) est par conséquent meilleure que celle offerte par la solution précédemment décrite, où les durées d'intégration cohérente sont fractionnées. s L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, faite en regard de dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre par des chronogrammes la notion d'ambiguïté en distance pour deux signaux d'écho de rangs d'ambiguïté en io distance égaux à zéro et deux ; - la figure 2 représente, par un logigramme, des étapes possibles du procédé de détermination d'un rang d'ambiguïté en distance selon l'invention ; la figure 3 illustre graphiquement un exemple de fonction de ls déphasage pouvant être appliquée au train d'impulsions émis par le radar ; - la figure 4 représente, par des chronogrammes, le déphasage appliqué au train d'impulsions émis par le radar et répercuté sur les signaux d'écho ; - la figure 5 représente graphiquement ce déphase appliqué aux 20 signaux d'écho ; - la figure 6 représente graphiquement la phase induite résiduelle des signaux d'écho après compensation de la rotation de phase correspondant à un rang d'ambiguïté testé égal à zéro ; - la figure 7 illustre graphiquement des exemples de fonctions de 25 pondération pouvant être appliquées sur les signaux avant de constituer les spectres par Transformée de Fourier ; - les figures 8A et 8B représentent graphiquement des spectres obtenus par le procédé selon l'invention pour un signal d'écho de rang d'ambiguïté différent du rang d'ambiguïté testé ; 30 - les figures 9A et 9B représentent graphiquement des spectres obtenus par le procédé selon l'invention pour un signal d'écho de rang d'ambiguïté égal au rang d'ambiguïté testé. La figure 1 illustre par des chronogrammes la notion d'ambiguïté 35 en distance pour un signal d'écho. Un premier chronogramme représente un exemple de signal électromagnétique pouvant être émis par un radar. Un deuxième chronogramme représente un premier exemple d'écho du signal reçu par le radar après réflexion sur une première cible. Un troisième chronogramme 30 représente un deuxième exemple d'écho du signal reçu par le radar après réflexion sur une deuxième cible, la deuxième cible étant plus éloignée du radar que la première. Le signal 11 émis par le radar comporte un train de N impulsions identiques émises périodiquement à une fréquence de récurrence fr. Le nombre N est par exemple égal à 128. La forme d'onde du signal 11 est cohérente. Une forme d'onde cohérente est io une forme d'onde qui permet d'exploiter la phase des signaux reçus (et pas uniquement la puissance rétrodiffusée), typiquement pour pouvoir estimer une fréquence Doppler par Transformée de Fourier. On parle alors de traitement cohérent et d'intégration cohérente. Chaque impulsion dans le train est identifiée par un numéro de récurrence n, avec nE [O,N-1]. Le 15 premier signal d'écho 12 est non ambigu en distance, c'est-à-dire qu'il est issu d'un réflecteur situé à une distance D, du radar de sorte que le retard z, introduit par cette distance est inférieur à la période de répétition T, , avec T, =1/fr . Le retard z, est défini par la relation z, = 2.D, /c , où c est la vitesse de propagation du signal électromagnétique. Autrement dit, chaque 20 impulsion du train donne lieu à un écho reçu avant l'émission de l'impulsion suivante. On parle de rang d'ambiguïté en distance r égal à zéro. Le deuxième signal d'écho 13 est ambigu en distance, c'est-à-dire qu'il est issu d'un réflecteur situé à une distance D2 du radar de sorte que le retard Z2 introduit par cette distance est supérieur à la période de répétition T, . Le 25 retard 1-2 est défini comme précédemment par la relation z2 = 2.D2/c. Autrement dit, chaque impulsion du train donne lieu à un écho reçu après l'émission de l'impulsion suivante. En l'occurrence, le premier écho est reçu pendant la période de répétition T, correspondant à la troisième impulsion (n=2) ; le deuxième écho est reçu pendant la période de répétition T, 30 correspondant à la quatrième impulsion (n=3), et ainsi de suite. Le rang d'ambiguïté r du deuxième signal d'écho 13 est égal à deux. La figure 2 représente, par un logigramme, des étapes possibles du procédé de détermination d'un rang d'ambiguïté en distance selon 35 l'invention dans le traitement d'un signal d'écho reçu par un radar Doppler à 6 impulsions. Dans une première étape 21, une rotation de phase p(n) est appliquée sur chacune des impulsions d'un train émis par le radar. La rotation de phase suit par exemple une fonction de déphasage composée de deux fonctions polynomiales du second degré dont les signes des coefficients des termes du second degré sont opposés. La première fonction polynomiale définit l'évolution de la première moitié des impulsions et la seconde fonction polynomiale définit l'évolution de la seconde moitié des impulsions. La fonction de déphasage et sa dérivée sont continues sur l'ensemble des N impulsions. La fonction de déphasage peut être n'importe io quelle fonction dont la dérivée seconde change de signe entre la première moitié de l'acquisition et la seconde moitié. Dans une deuxième étape 22, une rotation de phase - Y'R (n) est appliquée au signal d'écho reçu par le radar pour chaque rang d'ambiguïté R à tester. Cette rotation de phase correspond à l'opposé de la phase d'une impulsion qui serait reçue par le 15 radar du fait de la rotation de phase p(n) pour un rang d'ambiguïté R donné. Autrement dit, dans la deuxième étape 22, la rotation de phase ÇO(n) appliquée sur chacune des impulsions du train émis est supprimée des impulsions reçues en considérant un rang d'ambiguïté en distance égal à R . Dans une troisième étape 23, pour chaque rang d'ambiguïté R testé, un 20 premier spectre est construit à partir de la première moitié des impulsions du signal d'écho déphasé de -Y'R(n) et un deuxième spectre est construit à partir de la seconde moitié des impulsions du signal d'écho déphasé de -Y'R(n). Dans une quatrième étape 24, pour chaque rang d'ambiguïté R testé, un troisième spectre est construit à partir du minimum d'amplitude 25 entre le premier et le deuxième spectre pour chaque case fréquence Doppler. Le signal d'écho est ainsi filtré des impulsions dont la phase ne correspond pas à la phase de rotation pour le rang d'ambiguïté sous test R . Les deuxième, troisième et quatrième étapes consistent à tester au moins une hypothèse de rang d'ambiguïté en distance et à filtrer les échos situés à 30 un rang d'ambiguïté différent du rang d'ambiguïté sous test. Dans une cinquième étape 25, le rang d'ambiguïté en distance r du signal d'écho est déterminé à partir des troisièmes spectres en fréquence. Ce rang d'ambiguïté en distance r correspond au rang d'ambiguïté sous test R pour lequel le troisième spectre présente un pic d'amplitude maximale à la même 35 fréquence que les premier et deuxième spectres. La figure 3 illustre graphiquement un exemple de fonction de déphasage pouvant être appliquée au train d'impulsions émis par le radar. L'axe des abscisses représente le numéro de récurrence n des impulsions du train, et l'axe des ordonnées représente la valeur en radians de la rotation de phase p(n) associée à chaque impulsion de récurrence n . La rotation de phase p(n) varie d'une impulsion à l'autre suivant une fonction de déphasage Sp(n) composée de deux fonctions polynomiales du second degré dont les signes des coefficients des termes du second degré sont opposés. La io première fonction polynomiale définit l'évolution des N/2 premières impulsions et la seconde fonction polynomiale définit l'évolution des N/2 dernières impulsions. La fonction de déphasage So(n) peut ainsi être représentée par une courbe 311 formée de deux paraboles jointives d'orientations opposées. La fonction de déphasage p(n) et sa dérivée sont 15 continues sur l'ensemble des N impulsions. Pour une impulsion de récurrence n donnée, la rotation de phase p(n) est identique sur l'ensemble de l'impulsion. La fonction de déphasage Sp(n) s'écrit par exemple : 12 l Sp(n) = 4n- 4 J pour n E L0, N -1J ; çp(n)=-a n-4 z+,(3 pour nE 4 ,N-11, avec f3=2a 4 z C J J 20 Le choix de la valeur du paramètre a, dont dépend la courbure des paraboles, est discuté ci-après. Les figures 4 et 5 illustrent l'effet de l'application de la fonction de déphasage ço(n) sur les signaux d'écho 12 et 13. La figure 4 représente, par 25 des chronogrammes analogues à ceux de la figure 1, la rotation de phase p(n) appliquée au signal 11 émis par le radar et répercutée sur le premier signal d'écho 12 et sur le deuxième signal d'écho 13. Pendant la période de répétition T,. correspondant à l'impulsion de récurrence n émise par le radar, l'écho du premier signal d'écho 12 reçu par le radar est l'écho de l'impulsion 30 émise de récurrence n. La phase de cette impulsion est donc çp(n). En revanche, l'écho du deuxième signal d'écho 13 reçu par le radar est l'écho de l'impulsion émise de récurrence n-2. La phase de cette impulsion est donc çp(n - 2) . La figure 5 représente, par un graphique analogue à celui de la figure 3, la phase induite sur les signaux d'écho 12 et 13. Une première courbe 512 représente la phase induite sur le premier signal d'écho 12. Une deuxième courbe 513 représente la phase induite sur le deuxième signal d'écho 13. Le premier signal d'écho 12 étant non ambigu, la fonction 5 modélisant sa phase induite est identique à la fonction p(n) appliquée sur le signal émis 11. La deuxième courbe 513 est en revanche décalée de deux impulsions par rapport à la courbe représentant la fonction çp(n), du fait de l'ambiguïté en distance de rang deux. Plus généralement, la courbe représentant la phase induite sur un signal d'écho subit un décalage d'un io nombre d'impulsions égal au rang d'ambiguïté en distance. On note çp,(n) la fonction modélisant la phase induite sur un signal d'écho de rang d'ambiguïté en distance égal à r . On a donc qp, (n) = çp(n - r). Sur le graphique de la figure 5, la première courbe 512 peut être modélisée par la fonction n (n) = p(n) et la deuxième courbe 513 par la fonction çp2 (n) . 15 Conformément au procédé selon l'invention, le signal d'écho reçu est testé pour au moins un rang d'ambiguïté en distance, appelé rang d'ambiguïté sous test R . En d'autres termes, il est déterminé si les échos du signal reçu sont déphasés d'une valeur correspondant au rang d'ambiguïté 20 en distance R testé. Plus précisément, dans la deuxième étape 22 du procédé selon l'invention, une rotation de phase - Y'R (n) est appliquée au signal d'écho 12 ou 13 reçu par le radar. Cette rotation de phase - Y'R (n) correspond à l'opposé de la phase qui serait reçue par le radar du fait de la rotation de phase p(n) pour un rang d'ambiguïté R donné. La rotation de 25 phase Y'R (n) peut s'écrire çOR (n) = Cp(n - R). Ainsi, chaque impulsion de récurrence n est multipliée par le terme de phase e- 9R(n) . A l'issue de cette opération, la phase induite résiduelle du signal d'écho d'une impulsion est égale à la phase du signal d'écho çOY (n) induite par l'ambiguïté en distance soustraite de la phase Y'R (n) . On note n/R (n) la phase induite résiduelle 30 correspondant à n (n)- Y R (n) . La phase induite résiduelle SOr,R (n) est donc nulle pour les échos dont le rang d'ambiguïté r correspond au rang d'ambiguïté sous test R . Bien entendu, différents rangs d'ambiguïté en distance R peuvent être testés tant que le rang d'ambiguïté en distance du signal d'écho en question n'a pas été déterminé. 35 La figure 6 représente, par un graphique analogue à celui des figures 3 et 5, la phase induite résiduelle ',,R(n) sur les signaux d'écho 12 et 13 pour un rang d'ambiguïté sous test R égal à zéro (R = 0). Une première courbe 612 représente la phase induite résiduelle çOr/R (n) du premier signal d'écho 12, non ambigu en distance (r =0). Une deuxième courbe 613 représente la phase induite résiduelle Y'r,R (n) du deuxième signal d'écho 13, de rang d'ambiguïté en distance égal à deux (r = 2 ). Les courbes 612 et 613 peuvent donc être modélisées par les fonctions Çpo,o(n) et ç02/0(n), respectivement. Logiquement, la fonction (00/0(n) est la fonction nulle. Plus io généralement, la phase induite résiduelle Y'r,R (n) d'un signal d'écho dont le rang d'ambiguïté sous test R est égal au rang d'ambiguïté en distance r est nulle pour toutes les impulsions. En revanche, la phase induite résiduelle ~~//~~ Y'r/R (n) d'un signal d'écho dont le rang d'ambiguïté sous test R est différent du rang d'ambiguïté en distance r n'est pas constante pour toutes les 15 impulsions. En première approximation, on peut considérer que, pour un rang d'ambiguïté sous test R différent du rang d'ambiguïté en distance r , la phase induite résiduelle Y'r/R (n) des impulsions suit sensiblement deux segments de droites dont la pente s'inverse au niveau de l'impulsion de récurrence n = N/2 + r . La pente de ces droites est proportionnelle, d'une 20 part, à la différence entre le rang d'ambiguïté en distance r et le rang d'ambiguïté sous test R et, d'autre part, au paramètre a de la fonction de déphasage rp(n). Cette approximation est valable lorsque le rang d'ambiguïté en distance r est très inférieur au nombre N d'impulsions du train. En particulier, elle est valable lorsque le rang d'ambiguïté en distance r est 25 inférieur au dixième du nombre N d'impulsions (r Les pics d'amplitude maximale des premier et deuxième spectres 20 sont séparés par un écart fréquentiel égal à 2xOfr,R. Or l'amplitude du décalage en fréquence Ofr,R est proportionnelle à la différence r - R et au paramètre a de la fonction de déphasage Çp(n). Par conséquent, le paramètre a est déterminé de manière à ce que, pour une différence de rang d'ambiguïté minimale mais non nulle (r - R =1), l'écart fréquentiel 25 2xOfr,R soit significatif par rapport à la largeur d'une case fréquence avec laquelle sont échantillonnés les spectres, de manière à pouvoir différencier deux pics d'amplitude maximale distincts. REVENDICATIONS1. Procédé de détermination d'un rang d'ambiguïté en distance d'un signai d'écho (12, 13) reçu par un radar Doppler à impulsions, comprenant les étapes successives suivantes : ^ émettre (21) un signal radar (11) comportant un train de N 5 impulsions périodiques, une rotation de phase suivant une fonction p(n) étant appliquée sur chacune des impulsions du train, la dérivée seconde de la fonction p(n) changeant de signe entre la première moitié des impulsions et la seconde moitié des impulsions, ^ recevoir (22) un écho du signal radar (12, 13), une rotation de phase 10 suivant une fonction -q),(n) étant appliquée sur chacune des impulsions du train pour chaque rang d'ambiguïté en distance R à tester, avec wR (n) = ço(n -R), ^ construire (23), pour chaque rang d'ambiguïté en distance R testé, un premier spectre en fréquence (81, 91) par transformée de Fourier de 15 l'écho du signal radar (12, 13) correspondant à la première moitié des impulsions déphasées de -vR(n), et un deuxième spectre en fréquence (82, 92) par transformée de Fourier de l'écho du signal radar (12, 13) correspondant à la deuxième moitié des impulsions déphasées de - Y'R (n) , ^ construire (24), pour chaque rang d'ambiguïté en distance R testé, 20 un troisième spectre en fréquence (84, 94) correspondant, à chaque fréquence, au minimum d'amplitude entre le premier et le deuxième spectre (81, 82, 91, 92), ^ déterminer le rang d'ambiguïté en distance r du signal d'écho à partir des troisièmes spectres en fréquence (84, 94). 25 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape (23) de construction de premiers et de deuxièmes spectres en fréquence comprend en outre la construction, pour chaque rang d'ambiguïté en distance R testé, d'un quatrième spectre en fréquence (83, 93) par transformée de Fourier de 30 l'écho du signal radar (12, 13) correspondant à l'ensemble des impulsions déphasées de - Y'R (n), l'étape (24) de construction de spectres en fréquence correspondant chacun au minimum d'amplitude entre un premier et un deuxième spectre en fréquence étant remplacée par une étape de construction, pour chaque rang d'ambiguïté en distance R testé, d'untroisième spectre en fréquence (84, 94) correspondant, à chaque fréquence, au minimum d'amplitude entre le premier (81, 91), le deuxième (82, 92) et le quatrième (83, 93) spectre en fréquence. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel les premiers (81, 91), deuxièmes (82, 92) et quatrièmes (83, 93) spectres en fréquence sont pondérés par des fonctions de pondération (71, 72, 73) de manière à ce que les amplitudes maximales des spectres soient sensiblement identiques pour chaque rang d'ambiguïté en distance R testé. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la fonction rp(n) est composée de deux fonctions polynomiales du second degré dont les signes des coefficients des termes du second degré sont opposés, l'une des deux fonctions polynomiales étant définie pour la première moitié des impulsions et l'autre fonction polynomiale étant définie pour la seconde moitié des impulsions, la fonction rp(n) et sa dérivée étant continues sur l'ensemble des N impulsions. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la fonction de 20 déphase V(n) s'écrit : ^ v(n)=a n- 4 z \ J 3N ^ On)=-a\n- 4 )2 +Q 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le paramètre a 25 est déterminé de manière à ce que, pour une différence entre le rang d'ambiguïté testé R et le rang d'ambiguïté en distance r du signal d'écho égale à un, le pic d'amplitude maximale du premier spectre en fréquence (81) soit suffisamment éloigné du pic d'amplitude maximale du deuxième spectre en fréquence (82) afin de pouvoir différencier ces deux pics. pour n E CO3 2 -1 , où a est un paramètre ; N ( z pour ne C 2, N-1] , avec a= 2a 4.