Brevet FR2970084A1 — publié le 20120706

PROCEDE D'AMELIORATION DES PERFORMANCES D'UN RADAR EN PRESENCE D'ECHOS RETRODIFFUSES DIFFUS L'invention concerne un procédé pour améliorer les performances de détection d'une cible par un radar en présence d'échos rétrodiffusés diffus, notamment ceux dus aux phénomènes atmosphériques. Une des difficultés pour les radars et les autodirecteurs, par exemple ceux des missiles autoguidés, est de déterminer les cibles utiles parmi les échos rétrodiffusés par l'environnement. Ces échos rétrodiffusés appelés fouillis sont liés à la présence du sol, mais aussi à la présence dans l'environnement du radar, des nuages, de la pluie, des chutes de neige ou d'autres phénomènes atmosphériques. La particularité des échos atmosphériques diffus tels que la pluie est qu'ils sont faiblement localisés en distance et angulairement. Bien que la rétrodiffusion des échos atmosphériques ne soit pas très forte, comme la distance peut être très faible, les niveaux reçus peuvent être très forts. Un filtrage Doppler permet classiquement de séparer le fouillis et les cibles du fait de leurs vitesses habituellement différentes, mais le bruit de l'émission radar fixé par sa pureté spectrale se retrouve sur le fouillis reçu et, compte tenu du fort niveau reçu, désensibilise la détection radar et dégrade de manière significative la portée radar. Pour pallier les inconvénients dus à la présence de fouillis atmosphérique, l'invention propose un procédé de détection de cibles par un radar en présence d'échos rétrodiffusés diffus, les cibles étant désignées, selon une hypothèse de localisation des cibles a priori, en distance Dm avec un domaine d'imprécision ADpo et en vitesse radiale Vrpo avec un domaine d'imprécision OVrpo, le radar, de type à compression d'impulsions, émettant vers les cibles une onde sous forme d'un train d'impulsions ...E;, E;+1, ... de fréquence de récurrence Fr, de bruit Bp porté par l'onde, le radar comportant un détecteur des échos reçus, de sensibilité St. Le procédé consiste à déterminer les fréquences de récurrence Fr minimisant dans le domaine d'imprécision de désignation en distance ODDo et en vitesse radiale OVrpo, d'une part, la perte de signal de l'écho rétrodiffusé par la cible et, d'autre part, la désensibilisation du détecteur radar par les échos rétrodiffusés par le fouillis, - la perte de signal rétrodiffusé par la cible étant engendrée par une perte PEctD due à l'éclipse distance produite par le masquage Lr de l'écho rétrodiffusé par la cible reçu par le radar pendant la durée Le de l'impulsion ...E;, E;+1, ...émise et par une autre perte PEcly due à l'éclipse vitesse résultant de l'écart entre la vitesse radiale relative de la cible et le fouillis principal et ses harmoniques, la vitesse radiale étant la composante de vitesse sur la droite reliant le radar et la cible, - la désensibilisation du détecteur de signal reçu par le radar étant causée par le bruit produit par les échos rétrodiffusés par le fouillis atmosphérique du fait du bruit Bp porté par l'onde émise. L'approche retenue exploite le fait que les échos gênants de 15 rétrodiffusion par les éléments atmosphériques sont à très courte distance. L'invention sera mieux comprise par une réalisation du procédé selon l'invention en référence aux figures indexées dans lesquelles : - la figure 1 représente le niveau de bruit porté par le fouillis 20 atmosphérique dû à la pluie en fonction de la distance ; - la figure 2a montre l'ambiguïté distance Dfr liée à la période de répétition PRI des impulsions émises par un radar ; - la figure 2b montre en réception radar le domaine de distance ^DDo centré sur la désignation d'objectif ; 25 - la figure 3 montre les fréquences de récurrence Fr, autour d'une valeur centrale de 100 kHz, satisfaisant le critère distance ; - la figure 4 montre le spectre Doppler du signal reçu par le radar avec les repliements du fouillis et les zones de gêne en vitesse ; - la figure 5 représente les zones de gêne en vitesse en fonction de 30 la fréquence de répétition PRI des impulsions ; - la figure 6a montre la durée Le de l'impulsion Ei à l'émission ; - la figure 6b la durée Lr du masquage Mi à la réception et ; - la figure 6c l'écho Eci rétrodiffusé par une cible. La figure 1 représente le niveau de bruit porté par le fouillis atmosphérique dû à la pluie en fonction de la distance. Le bruit BR (en dB) porté par le fouillis de la figure 1 diminue très rapidement avec la distance D. L'idée consiste à utiliser une forme d'onde permettant de réjecter les échos atmosphériques à faible distance et donc d'utiliser une fréquence de récurrence Fr des impulsions émises par le radar basse ou moyenne, typiquement entre 50 kHz et 150 kHz. L'utilisation d'une fréquence de récurrence Fr basse ou moyenne réduit la discrimination en fréquence Doppler entre le fouillis et les cibles du fait des ambiguïtés en vitesse radiale. Il s'agit donc, par le procédé selon l'invention, de rechercher la meilleure forme d'onde émise par le radar pour limiter l'effet des échos atmosphériques à faible distance tout en gardant une bonne discrimination en vitesse entre le fouillis et les cibles. La portée radar est fixée par la puissance moyenne émise, la puissance crête étant fixée par l'émetteur. Pour travailler à portée constante, il faut donc conserver un facteur de forme F identique, le facteur de forme F étant donné par le produit de la largeur d'impulsion Le émise par la fréquence de récurrence Fr. Le fait d'utiliser une fréquence de récurrence Fr basse ou moyenne impose donc une largeur d'impulsion Le grande ou moyenne ce qui n'est pas favorable vis-à-vis des échos diffus. Par conséquent il est nécessaire d'améliorer la résolution distance, le niveau de fouillis reçu par le radar étant proportionnel à la résolution distance. L'amélioration de la résolution distance est possible grâce à la technique de compression d'impulsion. Une forme d'onde de moyenne fréquence de récurrence (d'acronyme MFR pour Moyenne Fréquence de Récurrence) avec compression d'impulsion doit être choisie. De manière plus précise, une fréquence de récurrence Fr comprise entre 50 kHz et 150 kHz permet une ambiguïté distance compatible de la discrimination souhaitée sans être trop ambiguë en vitesse radiale. La résolution distance est adaptée à la taille des cibles d'intérêt. La difficulté réside ensuite dans le choix précis de la fréquence de récurrence Fr à utiliser pour minimiser les éclipses distance et vitesse, définies par la suite, dues respectivement au masquage de l'impulsion reçue par le radar pendant le temps d'émission de l'impulsion de largeur ou de durée Le, et le masquage de la fréquence Doppler cible par le fouillis et ses repliements en fonction de la désignation d'objectif en distance et en vitesse radiale. Le choix de la fréquence de récurrence Fr doit satisfaire au mieux les critères distance et vitesse radiale. Le cas dimensionnant est celui de la phase de recherche, où, la distance D et la vitesse radiale relative Vr de la cible sont entachées des imprécisions de la désignation d'objectif fournie au radar ou à l'autodirecteur. Le terme « désignation » ou « désignation d'objectif » correspond à une hypothèse de localisation de la cible a priori. Le radar aéroporté ou l'autodirecteur d'un missile, reçoivent des informations initiales de distance et de vitesse radiale d'un dispositif externe avec une certaine précision. Par la suite sont passés en revue les choix de la fréquence de répétition (ou de récurrence) Fr selon différents critères. 1) Choix de la fréquence de récurrence Fr en fonction d'un critère 20 de distance : La figure 2a montre l'ambiguïté distance Dfr liée à la période de répétition PRI des impulsions émises par un radar. La période de répétition PRI des impulsions ...E;, E;+1, ... émises par un radar est un paramètre important dans le calcul de la distance 25 maximum de détection car les échos qui reviennent au radar après un temps supérieur à la PRI donnent des distances erronées. La fréquence de répétition des impulsions Fr = 1/PRI détermine la distance maximum pouvant être déterminée sans ambiguïté. Les échos revenant au radar au delà de la PRI se traduisent par une distance ambiguë 30 alors que ceux qui reviennent dans un délai inférieur à la PRI sont vus à la distance correcte (non ambiguë). La figure 2b montre en réception radar le domaine de distance ~Dpo centré sur la désignation d'objectif. La figure 2b montre une première zone Pg de distances proche du radar dans laquelle le phénomène atmosphérique, par exemple la pluie, est gênant. La fréquence de récurrence Fr doit être choisie de manière à placer le domaine de distances ^Dpo dans une zone où la gêne par les échos diffus est la moindre c'est-à-dire grossièrement dans la deuxième moitié de l'ambiguïté distance Dfr. A l'une et à l'autre des extrémités du domaine de distance il existe une respective plage de distances dl, d2 à exclure en raison de l'effet de bord de la compression d'impulsion utilisée par le radar. ~o Soient : Dpo : la distance de la cible fournie par la désignation d'objectif Fr : la fréquence de récurrence des impulsions radar Dfr : l'ambigüité distance Da : la distance ambiguë, avec Da = DDO modulo Dfr 15 c : la vitesse de la lumière L'ambigüité distance Dfr sera exprimée par : 2-Fr Le centrage Cimp de l'impulsion dans la récurrence sera exprimé 20 par : Cimp = Da E [O,1[ Dfr Les fréquences de récurrence Fr fournies par l'expression Fr = (k + Cimp) - 2 D Do avec k entier assurent le centrage en DO 25 distance ambigüe souhaité. La figure 3 montre des fréquences de récurrence Fr autour d'une valeur centrale de 100 kHz fournies par la formulation (1) en faisant varier la distance DDO et le nombre k. 30 Les courbes en dents de scie se superposant en fonction de la valeur (entière) de k. c Dfr = 2) Choix de la fréquence de récurrence Fr en fonction d'un critère de vitesse. Le déplacement d'une cible comporte une composante parallèle et une composante perpendiculaire à la droite radar-cible. La variation de vitesse mesurée n'est donc pas nécessairement reliée à la vitesse réelle mais seulement à celle de la composante radiale du déplacement, soit celle se produisant par rapport à la droite radar-cible. La vitesse radiale relative de la cible peut être estimée en déterminant le glissement de fréquence moyen de la porteuse radar à l'intérieur d'un groupe d'impulsions qu'une cible qui, en se déplaçant avec une vitesse radiale non nulle par rapport à la droite radar-cible, provoque un glissement de fréquence entre la fréquence de référence de l'émetteur et celle de la porteuse reçue après rétrodiffusion sur la cible (effet Doppler). Un des principaux problèmes du radar Doppler pulsé est l'ambigüité sur la vitesse étant donné que le spectre du signal émis comporte des raies espacées de la fréquence de répétition Fr. On peut ainsi déterminer une plage de vitesses radiales sans ambigüité sur la vitesse en fonction de la fréquence de répétition Fr. La figure 4 montre le spectre Doppler du signal reçu par le radar avec les repliements du fouillis et les zones de gêne en vitesse (de largeur Lfp) dues au fouillis principal espacées de l'ambiguïté vitesse Av. Pour un radar aéroporté ou un autodirecteur de missile, la largeur Lfp du fouillis principal dépend de la vitesse Vp du porteur du radar, de la largeur du faisceau radar 00 et du dépointage a du faisceau radar par rapport au vecteur vitesse. La largeur à -6 dB, du fait du trajet aller et retour de l'onde radar, du fouillis principal, soit Lfp _ 6dB est donnée par la relation : Lfp_6dB=Vp-B0 -sin(a) et la largeur totale Lfp est environ 2,5 fois la largeur Lfp _ 6dB . La figure 5 représente les zones de gêne en vitesse en fonction de la fréquence de répétition PRI des impulsions. Dans le graphique de la figure 35 5, les zones de gêne (de largeur Lfp) sont représentées en noir dans30 l'espace : fréquences de répétition Fr en ordonnées, vitesse radiale relative en abscisses, centrée sur la vitesse radiale Vrp du porteur. 3) Choix final de la fréquence de récurrence Fr : Le choix final de la fréquence de récurrence Fr doit combiner les critères distance et vitesse. Compte tenu des précisions de la désignation d'objectif en distance ^Dpo et en vitesse radiale ^Vrpo, plusieurs fréquences de récurrence Fr sont nécessaires pour « couvrir » le domaine de recherche. Soit NFr le nombre de fréquences de récurrences Fr utilisées. En définissant un « critère de coût » et des « contraintes », le choix de Fr peut être vu comme un problème d'optimisation sous contraintes. II s'agit de déterminer les fréquences de récurrence Fr qui minimisent les différentes causes de désensibilisation de la détection radar à savoir : - les éclipses distance, - la désensibilisation par le bruit porté par le fouillis, - les éclipses vitesse, sur l'ensemble d'un domaine distance ^Dpo et vitesse radiale ^Vrpo centré sur la désignation d'objectif. Par la suite sont quantifiées les causes de désensibilisation de la détection du radar : A) Quantification des éclipses distances : L'éclipse distance est produite par le masquage de l'impulsion 25 reçue par le radar pendant la durée de l'impulsion émise. La figure 6a montre la durée Le de l'impulsion Ei à l'émission, la figure 6b la durée Lr du masquage Mi à la réception et la figure 6c l'écho Eci rétrodiffusé par la cible. Le taux d'éclipse distance EcID s'écrit, par exemple dans le cas où 30 Lr = Le, en fonction de la distance ambiguë Da de la cible, de la manière suivante : -si: Da Le , EclD=1_Da Le on dira qu'on est dans le cas d'une éclipse basse, -si:Le Dfr - Le , EclD =1 Dfr-Da on dira qu'on est dans l'éclipse haute. La perte de signal cible PEcID engendrée par l'éclipse distance est calculée en dB par l'expression : PEcID = -20 - log(1- Ec1D) (2) Le B) Quantification de la désensibilisation par le bruit porté : Le calcul comprend les étapes successives suivantes : - calcul du niveau de fouillis atmosphérique par l'équation du radar 15 en fonction de la réflectivité volumique (fonction du taux de précipitation et de la longueur d'onde, pour la pluie) et des paramètres du radar ou de l'autodirecteur (Puissance émise, gain d'antenne, longueur d'onde, facteur de bruit, pertes émission/réception, bande de réception, résolution distance) - prise en compte des ambiguïtés distance et vitesse en fonction 20 de la fréquence de répétition Fr, - calcul du niveau du bruit porté Bp en fonction de la pureté spectrale de l'onde émise par le radar, - addition du bruit porté au bruit thermique : 25 PBp = l0.log(1+10Bpi10) PBp représente la désensibilisation du récepteur radar par le bruit porté. C) Quantification des éclipses vitesse : 30 L'éclipse vitesse est évaluée à partir de l'écart entre la vitesse radiale relative de la cible Vr et le fouillis principal et ses harmoniques. L'écart de vitesse LV est donné par : 10 dV = Min GVr - (Vrp + n - Av4J -N Lf~ : EcIV = 0 (hors éclipse) sinon : EcIV =1- AV Lfp/ La perte PEcw (en dB) correspondant à l'éclipse vitesse est calculée à partir d'une désensibilisation modélisée par une loi gaussienne : 20 PEccIV = Po +10 - log [2-2 (x (i-EclV ))2 avec Po la perte maximum et K la largeur qui dépendent du faisceau et des paramètres du radar (Puissance émise, gain d'antenne, ...). 25 Optimisation de la fréquence de récurrence Fr : D) La désensibilisation globale Pglob (en dB) peut être calculée par: Pglob = PEclD + PBp + PEcIV 15 avec Lfp la largeur de gêne du fouillis principal. 30 qui dépend de la distance D, de la vitesse radiale Vr et de la fréquence de répétition Fr des impulsions. E) calcul de la désensibilisation totale Pot (FYi, - - - , FrNFr) en prenant en compte : - le critère d'accrochage : une détection parmi les NFr fréquences de récurrence utilisées - le domaine de recherche (ou précision) en distance LDDo et en vitesse radiale LVroo- Ce qui peut s'écrire : Doo +dDpo / 2 Vrpo +dVrpo / 2 Pte (Fr1, ... , FrNFr) = 1 Min[Pg/ob (D, Vr, Fr)] (5) D=Doo -dDpo / 2 Vr=Vrpo -dVrpo / 2 qui est la fonction de coût à minimiser. avec : Doo : la distance de la désignation d'objectif DO ADpo : la précision en distance de la DO Vrpo : la vitesse radiale de la DO AVrpo : la précision en vitesse radiale de la DO L'optimisation de la fonction (5) est un problème complexe puisque multidimensionnel (de dimension NFr) et non linéaire. Les méthodes ou techniques classiques d'optimisation, à gradient par exemple, ne fonctionnent pas bien sur ce type de problème car ils ne permettent que de trouver un minimum local à partir d'une valeur initiale et donc sans garantie du minimum minimorum. On utilise alors un algorithme combinant l'énumération, soit un échantillonnage de la plage de Fr et un algorithme classique à gradient. Compte tenu des limitations inhérentes à la forme d'onde MFR (ambiguïtés vitesse), ce mode de fonctionnement est mis en oeuvre seulement en cas de détection de fouillis gênant. Le procédé de choix de la forme d'onde radar selon l'invention, permet - une amélioration significative de la performance en portée d'un radar aéroporté ou d'un autodirecteur de missiles. L'amélioration des 5 performances est obtenue grâce : - à l'utilisation d'une forme d'onde MFR avec compression d'impulsion - au choix des fréquences de récurrence Fr optimales vis-à-vis de critères distance et vitesse. 10 - dans la mise en oeuvre : - de techniques radar particulières dans le cadre de la détection de cibles dans du fouillis atmosphérique diffus tel que la pluie - d'une optimisation des fréquences de récurrence par un procédé combinant l'énumération et une méthode par gradient. 15 REVENDICATIONS1. Procédé de détection de cibles par un radar en présence d'échos rétrodiffusés diffus, les cibles étant désignées, selon une hypothèse de localisation des cibles a priori, en distance Dpo avec un domaine d'imprécision IDpo et en vitesse radiale Vrpo avec un domaine d'imprécision AVrpo, le radar, de type à compression d'impulsions, émettant vers les cibles une onde sous forme d'un train d'impulsions ...E;, E;+1, ... de fréquence de récurrence Fr, de bruit Bp porté par l'onde, le radar comportant un détecteur des échos reçus, de sensibilité St, caractérisé en ce qu'il consiste à déterminer les fréquences de récurrence Fr minimisant dans le domaine d'imprécision de désignation en distance L DDo et en vitesse radiale LVrpo, d'une part, la perte de signal de l'écho rétrodiffusé par la cible et, d'autre part, la désensibilisation du détecteur radar par les échos rétrodiffusés par le fouillis, - la perte de signal rétrodiffusé par la cible étant engendrée par une perte PEcm due à l'éclipse distance produite par le masquage Lr de l'écho rétrodiffusé par la cible reçu par le radar pendant la durée Le de l'impulsion ...E;, E;+1, ...émise et par une autre perte PEcW due à l'éclipse vitesse résultant de l'écart entre la vitesse radiale relative de la cible et le fouillis principal et ses harmoniques, la vitesse radiale étant la composante 20 de vitesse sur la droite reliant le radar et la cible, - la désensibilisation du détecteur de signal reçu par le radar étant causée par le bruit produit par les échos rétrodiffusés par le fouillis atmosphérique du fait du bruit Bp porté par l'onde émise. 25 2. Procédé de détection de cibles par un radar selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : A) calcul du niveau de la perte PEc1D du signal cible engendrée par l'éclipse distance, avec : 30 PEc1D = -20 - log(l - Ec1D)EcID étant le taux d'éclipse distance, s'écrivant dans le cas où Lr = Le, en fonction de la distance ambiguë Da de la cible, de la manière suivante : -si: Da Le , EclD=1-Da Le éclipse basse, -si:Le Dfr-Le, EclD=1-Dfr-Da éclipse haute avec : Le durée de l'impulsion Ei à l'émission, Lr durée du 15 masquage Mi à la réception de l'écho Eci rétrodiffusé par la cible. B) calcul du niveau du bruit porté B, , Le calcul comprend les étapes successives suivantes : - calcul du niveau de fouillis atmosphérique par l'équation du radar 20 en fonction de la réflectivité volumique (fonction du taux de précipitation et de la longueur d'onde, pour la pluie) et des paramètres du radar ou de l'autodirecteur (Puissance émise, gain d'antenne, longueur d'onde, facteur de bruit, pertes émission/réception, bande de réception, résolution distance) - prise en compte des ambiguïtés distance et vitesse en fonction 25 de la fréquence de répétition Fr, - calcul du niveau du bruit porté Bp en fonction de la pureté spectrale de l'onde émise par le radar, - addition du bruit porté au bruit thermique : 30 PBp =1o.1og(1+10Bp h10) PBp représentant la désensibilisation du récepteur radar par le bruit porté. Le sinon : EclV =1-Lfp/ avec Lfp la largeur de gêne du fouillis principal. ,2970084 14 C) calcul du niveau de perte PEcIV du signal due aux éclipses vitesse, l'éclipse vitesse étant évaluée à partir de l'écart de vitesse LV entre la vitesse radiale relative de la cible Vr et le fouillis principal et ses 5 harmoniques, soit AV = Min G-N L.Îp : EcIV = 0 (hors éclipse) la perte PEcIV (en dB) correspondant à l'éclipse vitesse étant 25 calculée à partir d'une désensibilisation modélisée par une loi gaussienne : PEcIV = Po + 10.1og l2-2(x (i-EcIV))Z avec Po la perte maximum et K la largeur qui dépendent du 30 faisceau et des paramètres du radar (Puissance émise, gain d'antenne, ...). Avec : 10D) calcul d'une désensibilisation globale Pglob en dB, dépendant de la distance D, de la vitesse radiale Vr et de la fréquence de répétition Fr des impulsions : Pglob = PEcID + PBp + PEc1V E) calcul de la désensibilisation totale Pot (Fr , ... , FrNFr / en prenant en compte: 10 - le critère d'accrochage : une détection parmi les NFr fréquences de récurrence utilisées - le domaine de recherche (ou précision) en distance ODpo et en vitesse radiale AVrpo, pouvant s'écrire : 15 D=Dpo -dDoo / 2 Vr =Vrpo -dVroo / 2 étant la fonction à minimiser 20 avec : Doo : la distance de la désignation d'objectif DO ADDo : la précision en distance de la DO Vroo : la vitesse radiale de la DO AVrpo : la précision en vitesse radiale de la DO 25 3. Procédé de détection de cibles par un radar selon la revendication 2, caractérisé en ce que la désensibilisation totale minimale Ptot (Fri , - - - , FrNFY) est obtenue par un algorithme combinant un échantillonnage de la plage de fréquence de répétition Fr et un algorithme classique à gradient. Dpo +dDoo / 2 Vrpo +AVrDO / 2 Ptor ~Fr~ , - . . , FrNFr) _ E Min [Pglob (D, Vr, Fr )]