Brevet FR2984492A1 — publié le 20130621

PROCEDE POUR SEPARER DES EMISSIONS ELECTROMAGNETIQUES ISSUES DE PLUSIEURS EMETTEURS L'objet de l'invention concerne un procédé et un système permet-5 tant de séparer des émissions électromagnétiques issues de plusieurs émetteurs ou sources dans le domaine des télécommunications ou encore dans le domaine des radars. L'un des problèmes techniques lorsque l'on se trouve en présence de plusieurs sources émettrices est de les séparer et ensuite de regrouper 10 les détections élémentaires par émission, c'est-à-dire de réaliser une seg- mentation des mesures par classification non supervisée plus connue par l'acronyme anglo-saxon « clustering ». Il est donc nécessaire de savoir séparer les émissions provenant de plusieurs sources émettrices et reçues sur plusieurs capteurs ou un réseau antennaire. 15 L'art antérieur décrit plusieurs méthodes permettant de séparer des signaux en provenance de plusieurs sources ou émetteurs. Par exemple, la séparation aveugle de sources consiste à estimer un jeu de N sources à partir d'un jeu de P observations qui sont des mélanges de ces sources. Le terme aveugle signifie dans le présent contexte 20 que l'on ne connait pas les signaux a priori. Il est aussi connu d'effectuer la séparation de signaux en utilisant les paramètres tels que la fréquence, les instants de mesure, les directions d'arrivée. Le procédé mis en oeuvre dans l'art antérieur est connu sous l'expression de « classification non supervisée ». 25 Les techniques utilisées dans l'art antérieur donnent de bons ré- sultats. Toutefois, elles présentent notamment certains inconvénients dont une incapacité à séparer deux émissions électromagnétiques semblables même si elles sont de polarisation différente, En effet, comme elles n'exploitent pas les mesures de polarisation, une confusion est possible 30 entre deux émissions de polarisation différentes, si elles présentent par ail- leurs des caractéristiques relativement proches. L'objet de l'invention consiste notamment à offrir un procédé pour séparer des détections provenant de deux émissions proches ou similaires, si leur polarisation est différente, ceci en exploitant la polarisation des émissions électromagnétiques reçues sur un capteur. L'invention concerne un procédé pour désentrelacer des signaux électromagnétiques reçus sur un réseau de capteurs positionnés sur un porteur, ledit réseau de capteurs étant associé à un module de traitement des signaux comportant en combinaison au moins les étapes suivantes : - acquérir des signaux électromagnétiques issus de plusieurs sources distinctes, - déterminer un critère de similarité à partir de la mesure de la polarisation desdits signaux électromagnétiques, - utiliser ledit critère de similarité dans une méthode de classification non supervisée de données. Selon un mode de réalisation, correspond à une configuration fixe de capteur, le critère de similarité sur la polarisation est déterminé à partir de deux mesures de détection D1 et D2 des signaux électromagnétiques reçus sur le réseau de capteurs en utilisant la distance statistique de Mahalanobis d2M = (VI - (MI +Mi -v,) où V, , V1 sont les paramètres de polarisation des détections Di, Dj ; MA/if les matrices de covariance associées ; l'exposant T est le signe de transposé et l'indice M est la signification de Mahalanobis et ensuite en calculant une mesure de similarité en polarisation par la for-25 mule: s(Vi , V2) = maxi°, 1- )61M - V2)T (Mi + M2)-1(ii - V2)1 Selon un autre mode de réalisation, correspondant à un capteur légèrement mobile, les variations de position d'attitude du réseau antennaire restant faibles vis-à-vis de l'émetteur intercepté, le critère de similarité est déterminé en introduisant un bruit de modèle b = °- entre deux mesures [ de polarisation VI et V2 séparées par une durée T, prenant en compte l'évolution de l'inclinaison de l'ellipse entre les deux mesures : en déterminant la covariance du bruit de modèle Air __ [Cil2 0 covariance du bruit de modèle b ) 0 0 avec un écart-type 2 1 2 2 2 Cb 4damax.T + cf et en calculant la distance statistique de Mahalanobis étendue en introduisant la covariance Mb du bruit de modèle : S(Vi 9 V2) = MaX{O, 1- OniVI V2 Y (M1 ± M2 ±Mb)-1(V1 V2)} Selon un troisième mode, adapté aux situations où le capteur est fortement mobile, une première étape pour déterminer le critère de similarité consiste à corriger la mesure d'inclinaison de l'ellipse de polarisation en prenant en compte les informations de navigation du porteur, en effectuant un changement de repère du plan de polarisation, par une rotation dans le plan de polarisation permettant de passer du repère [uh uv] lié au réseau d'antenne calibré et à l'assiette au repère [u'h u'v] lié à l'horizontale du lieu, et lors d'une deuxième étape à calculer s( , V2) = maxi), 1- filAri - V2 Y (Mi ± M2 Yi (VI -25 Le procédé selon l'invention s'applique, par exemple, pour des signaux de télécommunications à désentrelacer ou pour des signaux radar. L'invention concerne aussi un dispositif permettant de désentrelacer des signaux électromagnétiques reçus sur un réseau antennaire, ledit 5 réseau antennaire étant associé à un module de traitement des signaux adapté à exécuter les étapes du procédé présentant les caractéristiques précitées. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un 10 exemple de réalisation donné à titre illustratif et nullement limitatif annexé des figures qui représentent : - la figure 1 représente un exemple d'architecture permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, - la figure 2, une représentation de la modélisation de la polarisation en 15 réception, - la figure 3, une modélisation de la prise en compte de la mesure de polarisation selon l'invention, - les figures 4 et 5, un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention dans un traitement de segmentation COMINT. 20 Afin de mieux faire comprendre l'objet de l'invention, la description donnée ci-après concerne un procédé de séparation d'émissions électromagnétiques pour des signaux de télécommunications. La figure 1 schématise un exemple de système permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Plusieurs sources émettent des si- 25 gnaux dans différentes directions. Un capteur ou un réseau de capteurs associé à un dispositif de traitement des données reçoit les signaux émis par les différentes sources 10i ou E. Un exemple d'architecture générale de l'équipement d'interception d'émission et de localisation des émetteurs selon l'invention est représenté à 30 la figure 1. Il comporte un réseau antennaire 1, un dispositif de réception 2, un circuit d'acquisition 3 des signaux, un module 4 d'extraction et de traite- ment des données. Le réseau antennaire est par exemple disposé sur un porteur 5 repérable par sa position et son attitude. Le réseau antennaire 1 reçoit un ensemble de signaux en provenance d'émetteurs que l'on cherche à différencier. L'objectif est notamment de séparer les signaux reçus sur le système antennaire, de regrouper les détections élémentaires par émission, c'est-à-dire de réaliser une segmentation des mesures par classification non supervisée, plus connue sous le terme anglo-saxon « clustering ». L'idée mise en oeuvre par le procédé selon l'invention consiste nolo tamment à exploiter la mesure de la polarisation comme un critère de similarité supplémentaire dans le traitement de classification non supervisé, connu de l'Homme du métier. Afin de mieux faire comprendre l'objet de l'invention, un rappel sur la mesure de la polarisation va être donné à la figure 2. 15 La mesure de polarisation est une estimation à un facteur com- plexe près du vecteur de Jones J, bien connu des gens du métier. Ce vecteur permet de caractériser le comportement du champ électrique E d'une onde plane monochromatique dans le plan d'onde 20 (plan de polarisation) orthogonal au vecteur d'onde k. 20 D'une façon générale, l'extrémité du vecteur E décrit, en fonction du temps dans le plan de polarisation, une ellipse 30, figure 3, caractérisée dans un repère [uh uv], par une inclinaison a, un demi petit axe a, un demi grand axe b et un sens de parcours. L'estimation du vecteur de Jones à un facteur complexe près peut être caractérisée par un vecteur unitaire p de 25 composantes ph et pv telles que : Ph = cos a Pv = sinae i(P où a, abs((p) (valeur absolue de (p) et signe(g)) définissent respectivement l'inclinaison, l'angle d'ellipticité et le sens de parcours de l'ellipse de polarisa- 30 tion dans le référentiel [uh La mesure de polarisation est supposée donnée par l'estimation du vecteur 2 9844 92 6 unitaire p = [Ph PA' ou de façon équivalente par le rapport complexe Pv Ph (=tanae i(P) ou encore par le couple (a , (p) (ou par le vecteur y = [a (p]'). La précision de la mesure de polarisation est supposée décrite par une matrice de covariance sur les paramètres (a , (p). 5 Le choix de la base [uh u'] comme référentiel géométrique est ar- bitraire mais lié au référentiel de l'antenne ou réseau antennaire. En considérant que uh caractérise la polarisation linéaire se propageant dans le plan [uh k] et que u, caractérise la polarisation linéaire se propageant dans le plan [k 4, on observe que le vecteur p représente la décomposition du champ E dans la base orthonormée [uh uv]. Par abus de langage, on dénomme respectivement les polarisations Ph et Pv, composantes horizontale et verticale, bien qu'elles ne le soient véritablement que lorsque le référentiel de l'antenne ou réseau antennaire coïncide avec l'horizontale et la verticale du lieu (c'est à dire en contexte embarqué lorsque l'attitude du porteur est horizontale) et que lorsque l'onde se propage dans le plan horizontal. La figure 3 schématise une représentation de l'utilisation de la mesure de polarisation dans le désentrelacement des signaux reçus sur le récepteur de la figure 1 dont plusieurs exemples vont être détaillés ci-après. La figure 4 décrit un exemple de mise en oeuvre du procédé dans 20 un traitement de segmentation COMINT et une manière de prendre en compte le critère supplémentaire de polarisation issu de mesures de polarisation. Un traitement typique de segmentation COMINT consiste à réaliser un histogramme en fréquence sur les données de détection-goniométries 25 élémentaires (plots élémentaires), 400, puis à séparer les émissions de type fréquence fixe (FF), 401, des émissions de type pulsées ou « bursts » EB, 402, sur un critère de taux d'occupation fréquentiel. Les plots FF sont ensuite transmis à une première chaîne de traitement FF qui va réaliser, pour chacune des fréquences actives un histogramme 404 en azimut permettant de 30 consolider le regroupement sur critère de direction d'arrivée DOA, par exemple, et de valider les pistes FF 405. 2 9844 92 7 Les émissions de type EB, son transmises à une deuxième chaîne de traitement, 402, qui va segmenter les émissions en évasion de fréquence EVF, 406, ainsi que les émissions burstées isolées sur la base de critères de direction d'arrivée DOA (histogramme en azimut), puis d'estimation des fré- 5 quences de sauts 407, et des durées de palier 408, afin de compléter la segmentation en durée et synchronisation à l'aide d'histogrammes. Les classes obtenues sont ensuite fusionnées et synthétisées, pour l'élaboration de plots de synthèse de type FF, EVF et EB respectivement 410, 411, 412 par des méthodes connues de l'Homme du métier. 10 La prise en compte du critère de polarisation peut être réalisée sur les classes obtenues à la suite des histogrammes en azimut en introduisant par exemple un calcul d'histogramme en polarisation, ou bien un partitionnement basé sur la mesure de similarité en polarisation (une définition du critère de similarité est donnée plus loin dans la description), afin de ne re- ts grouper dans une même classe que les détections de polarisation compatibles en polarisation. L'ajout de cette étape de segmentation sur critère de polarisation 504b, 506b, est illustré sur la figure 5. La polarisation de l'émetteur (c'est à dire de la source d'émission) est supposée constante. Il convient cependant de prendre en compte les va- dations de la mesure de polarisation entre des mesures successives occasionnées par les éventuels mouvements du porteur. La variation entre deux mesures de polarisation d'une même émission effectuées à deux instants sensiblement espacés est causée à la fois par l'évolution de la configuration géométrique (défilement angulaire du porteur du réseau antennaire entrai- nant une variation de l'incidence du vecteur d'onde et donc une variation de la polarisation perçue qui peut être vue comme une projection de la polarisation de l'émetteur dans le plan d'onde reçue) et par les changements d'assiette du porteur (entrainant une rotation du repère [uh uv] dans le plan de polarisation, qui affecte la mesure d'inclinaison de l'ellipse de polarisa- tion). Selon une première variante de réalisation, le procédé est utilisé sur des émetteurs fixes dans le cas de récepteurs ou intercepteurs des signaux émis fixes sur le porteur. Le procédé utilise une mesure de polarisation « brute ». La prise en compte de la mesure de polarisation pour comparer deux détections se traduit en considérant un critère de similarité de polarisa- tion basée sur la distance de Mahanalobis, bien connue des gens du métier. Considérons deux détections D1 et D2 des signaux électromagnétiques sur le réseau antennaire, les mesures de polarisation correspondant à ces détections sont données, par exemple, par un vecteur de polarisation complexe (11, (P) : [V/ = ai paramètres de polarisation de la détection D1 [ V2 = a2paramètres de polarisation de la détection D2 qii2 Les matrices de covariance associées aux mesures de polarisation (suppo- sées gaussiennes) sont déterminées par des méthodes connues de l'Homme du métier. Soient M1 la matrice de covariance associée à ( V1) M2 la matrice de covariance associée à (V2) Si les mesures sur l'inclinaison et l'excentricité de l'ellipse de polarisation sont décorrélées, la matrice de covariance se résume aux écart-type asso- CiéS 6a, 6y. Par définition dans ce premier cas, les variations relatives de position et d'attitude du réseau antennaire du récepteur vis-à-vis d'un émetteur sont supposées négligeables devant la moins bonne valeur des précisions d'estimation de l'inclinaison de polarisation max(Got 1, CT a 2). Ceci permet de considérer que les incidences relatives des ondes reçues, et donc les vecteurs d'ondes, sont identiques. Dans le cas d'une configuration fixe de capteur, le critère de similarité en polarisation est exprimé en utilisant la distance statistique de Maha- lanobis connue de l'Homme du métier: d2M = - (mi + My' - où V, , Vi sont les paramètres de polarisation des détections Di, Di ; Mi,Mi les matrices de covariance associées ; l'exposant T est le signe de transposé et l'indice M est la signification de Ma- halanobis Cette distance statistique de Mahalanobis permet ensuite de définir une mesure de similarité en polarisation donnée par la formule: S(JI, V2) = maxi), V2)T(Mi ±M2)-' (VI V2)joù s(Vi , V2) = maxi), 1- )3.-P2m où 13 est un coefficient d'ajustement qui est fixé en choisissant un seuil sur la distance de Mahanalobis. Ce seuil se définit généralement à partir d'une probabilité de non association de mesures portant sur la même entité (le seuil se calcul à partir de cette probabilité d en utilisant la fonction de répartition de la distance de Mahanalobis qui suit une loi du chi2). Cette mesure de similarité en polarisation est ensuite exploitée dans le procédé de séparation et de regroupement des émissions électro20 magnétiques comme un critère supplémentaire pour la classification non supervisée. Elle peut l'être par exemple, soit par contribution à la définition d'une similarité globale multicritères sur les détections qui va donc inclure la polarisation, soit simplement comme un nouveau critère mis en oeuvre sur 25 les classes obtenues après classification non supervisée basée sur les cri- tères classiques (mise en cascade des critères). Dans ce dernier cas, si les précisions de mesures en polarisation sont à peu près constantes et homogènes entre elles, il peut être avantageux de limiter la complexité algorithmique introduite par le nouveau critère de partitionnement en privilégiant le recours à des histogrammes sur les mesures de polarisation dont le pas est fixé en fonction des écarts-types de précision. Selon une deuxième variante de réalisation, les variations de position et d'attitude du réseau antennaire sont faibles, mais non négligeables, devant l'erreur de mesure de la polarisation. Ces variations correspondent, par exemple les variations de position d'attitude du réseau antennaire restent faibles vis-à-vis de l'émetteur intercepté. Dans ce cas, le procédé va introduire un bruit de modèle pour réaliser des comparaisons entre mesures de polarisation. Considérant une vitesse de défilement angulaire maximum damax, la variation d'assiette du réseau antennaire peut être modélisée par un bruit blanc centré d'écart-type angulaire a.. Cette variation d'assiette va essentiellement affecter la mesure d'inclinaison a. Entre deux mesures de polarisation V/ et V2 séparées par une 15 durée T, le procédé introduit un bruit de modèle b prenant en compte l'évolution de l'inclinaison de l'ellipse entre les deux mesures : Mb = 0 0 ,2 0 covariance du bruit de modèle 20 avec un écart-type 2 2 Crb 1 4damax 'T 2 + 62, ab est déterminé à partir de la vitesse de défilement angulaire maximum du porteur et de l'écart-type sur l'inclinaison. Le critère de similarité en polarisation va ensuite utiliser une dis-25 tance statistique de Mahalanobis étendue en introduisant la covariance Mb du bruit de modèle : s(Vi , V2) = max{0, 1- a..NM - V2 )T (M, + M2 + Mb (VI - V2)} Si l'on privilégie une méthode de partitionnement à base d'histogrammes sur les mesures de polarisation plutôt qu'une méthode de partitionnement exploitant la mesure de similarité basé sur la distance de Mahanalobis, la prise en compte du bruit de modèle se traduit par une augmentation du pas de l'histogramme déduit de l'écart-type ah. Selon une troisième variante de réalisation, adaptée aux situations 10 où le capteur est fortement mobile, par exemple lorsque la valeur de la polarisation observée est fortement modifiée par les variations de position de position et/ou d'attitude du porteur. Le procédé pour cette troisième variante de mise en oeuvre consiste à limiter les effet des variations de position du porteur en limitant 15 l'exploitation de la mesure de polarisation aux traitements de désentrelace- ment qui interviennent sur un horizon limité, typiquement un cycle capteur (sur la durée d'un cycle capteur, qui est de l'ordre de grandeur de la seconde, la variation de position du porteur peut être considérée comme négligeable devant les précisions de mesures). 20 Pour ce qui concerne les variations d'attitude du réseau anten- naire, considérées comme potentiellement importantes dans ce dernier cas (même sur l'horizon d'un cycle capteur), le procédé repose sur l'exploitation d'information de navigation délivrées par exemple par une centrale de navigation connue de l'Homme du métier et située sur le porteur et sur le choix 25 d'un repère [u'h u'v] du plan de polarisation qui soit calé sur l'horizontale du lieu et donc indépendant de l'attitude du porteur. Le choix d'un tel repère implique de corriger la mesure d'inclinaison de l'ellipse de polarisation en prenant en compte les informations de navigation en effectuant un changement de repère du plan de pola- 30 risation (rotation dans le plan de polarisation permettant de passer du repère [uh u'd lié au réseau d'antenne calibré et donc à l'assiette au repère [u'h u'v] lié à l'horizontale du lieu). Ce repère permet alors de comparer les mesures corrigées lorsque la variation de la position du porteur relativement à l'émetteur reste faible. Les mesures de polarisation corrigées sont déterminées par la formule suivante, en utilisant les valeurs de V1, V2, corrigées en changeant le repère : s(V;,V2)=max{0, 1- plf(T7, - v2 )T (mi + m2 )-1 (vi - v2 )} Si l'on privilégie une méthode de partitionnement à base d'histogrammes, on 10 comptabilise directement les mesures corrigées avec un pas d'histogramme basé sur les écarts-types de mesure. 15 REVENDICATIONS1 - Procédé pour désentrelacer des signaux électromagnétiques reçus sur un réseau (1) de capteurs positionnés sur un porteur (5), ledit réseau de cap-5 teurs étant associé à un module (4) de traitement des signaux comportant en combinaison au moins les étapes suivantes : - acquérir des signaux électromagnétiques issus de plusieurs sources distinctes, - déterminer un critère de similarité à partir de la mesure de la polarisa- 10 tion desdits signaux électromagnétiques, - utiliser ledit critère de similarité dans une méthode de classification non supervisée de données. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le critère de simi- 15 larité sur la polarisation est déterminé à partir de deux mesures de détection D1 et D2 des signaux électromagnétiques reçus sur le réseau de capteurs en utilisant la distance statistique de Mahalanobis d2m = (Vi (Mi ± M j )-1 (v, - où V. , V3 sont les paramètres de polarisation des détections Di, Di ; Mi,Mi zo les matrices de covariance associées ; l'exposant T est le signe de transposé et l'indice M est la signification de Mahalanobis et ensuite en calculant une mesure de similarité en polarisation par la formule: 25 s(Vi, V2) = maxi), 1- p.iM -v2)T (mi +M2)-1(V1 -v2)} 3 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le critère de simi- 30 larité est déterminé0 0 en introduisant un bruit de modèle = entre deux mesures de polarisa- tion VI et V2 séparées par une durée T, prenant en compte l'évolution de l'inclinaison de l'ellipse entre les deux mesures en déterminant la covariance du bruit de modèle ; rt.b 0 = Mb 0 0 covariance du bruit de modèle 2 avec un écart-type 2 12 2 2 = da ' T + ', b 4 max et en calculant la distance statistique de Mahalanobis étendue en introduisant la covariance Mb du bruit de modèle : s(Vi V2 = MaX{O, 1 - a'NAVI + V2 Y (A/11 +M2 + )-1 (V.1 + V2 )1 4 - Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que pour déterminer le critère de similarité, 15 - une première étape consiste à corriger la mesure d'inclinaison de l'ellipse de polarisation en prenant en compte les informations de navigation du porteur, en effectuant un changement de repère du plan de polarisation, par une rotation dans le plan de polarisation permettant de passer du repère [uh uv] lié au réseau d'antenne calibré et à 20 l'assiette au repère [u'h u'v] lié à l'horizontale du lieu, et - lors d'une deuxième étape on calcule s(Vi, V2 = max{0, PlAri -172)T (Mi ± M2)-1(V - V2) I. 10 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les signaux électromagnétiques à désentrelacer sont des signaux de télécommunications. s 6 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les signaux électromagnétiques à désentrelacer sont des signaux radar. 7 - Dispositif permettant de désentrelacer des signaux électromagnétiques reçus sur un réseau antennaire (1), ledit réseau antennaire étant associé à 10 un module (4) de traitement des signaux adapté à exécuter les étapes du procédé selon l'une des revendications 1 à 6.