Brevet FR3004586A1 — publié le 20141017

RADAR MÉTÉOROLOGIQUE EMBARQUÉ À ANTENNE ROTATIVE La présente invention concerne un radar météorologique embarqué à bord d'un aéronef. En référence avec la figure 1, un radar météorologique embarqué 1 dans la pointe avant 4 d'un aéronef comprend, de manière connue, une antenne 2 fixée à un mécanisme 3, ainsi que des moyens électroniques (non représentés sur la figures 1) de formation d'un faisceau radar. Le mécanisme 3 est fixé à une paroi 5 délimitant une zone non-pressurisée 6 d'une zone pressurisée 7 du fuselage 8. L'antenne 2 et le mécanisme 3 sont agencés dans la zone non-pressurisée 6, entre un radôme 10, formant l'extrémité avant du fuselage 8, et la paroi 5. Les moyens électroniques sont quant à eux agencés dans la zone pressurisée 7. L'antenne 2 comprend un panneau adapté à émettre et recevoir des ondes radar dans la zone située à l'avant de l'aéronef. A cet effet, le mécanisme 3 assure la rotation du panneau autour de l'axe de lacet OZ ainsi que de l'axe de tangage OY de l'aéronef. Du fait de la rotation du panneau selon deux axes, ce type de radar météorologique présente, en utilisation, un encombrement important qui peut être assimilé au volume d'une sphère. Ainsi, pour loger et permettre le fonctionnent du radar météorologique 1 dans la zone non-pressurisée 6, la forme du radome 10 d'un aéronef équipé d'un tel radar météorologique 1 est généralement de type demi-sphérique avec des dimensions imposées par l'espace nécessaire à l'installation et au fonctionnement du radar météorologique 1. Cela est préjudiciable à la recherche d'un profil aérodynamique optimum de l'aéronef, car avec un radome de type demi-sphérique, le décollement de la couche limite d'air intervient à une distance très proche de l'extrémité avant du fuselage 8 de l'aéronef et la traînée aérodynamique s'en trouve alors augmentée, accroissant de fait la consommation de carburant. Le but de la présente invention est par conséquent de proposer un radar météorologique embarqué possédant un encombrement inférieur, à la fois pour son installation et lors de son fonctionnement, à celui des radars météorologiques connus de l'état de la technique. A cet effet, l'invention a pour objet un dar météorologique destiné à être embarqué dans un aéronef, comportant une antenne et un support mécanique ainsi qu'un système de balayage électronique, l'antenne comprenant un socle monté rotatif par rapport au support mécanique autour d'un axe OX, dit axe de rotation, caractérisé en ce qu'au moins une ailette est fixée sur le socle et s'étend radialement le long de l'axe de rotation, une pluralité d'éléments radiatifs étant distribuée le long d'une face de l'ailette non contigüe au socle, dite face libre, la face libre ayant sensiblement la forme d'une portion d'une conique d'axe focal confondu avec l'axe de rotation dans un plan comprenant l'axe de rotation, chaque élément radiatif étant adapté à rayonner selon un axe compris dans le plan et étant connecté au système de balayage électronique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de modes de réalisation préférentiels de l'invention faite en référence aux figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 représente schématiquement l'installation d'un radar météorologique embarqué connu de l'état de la technique dans la pointe avant d'un aéronef ; la figure 2 représente schématiquement l'installation d'un radar météorologique embarqué de l'invention dans la pointe avant d'un aéronef ; la figure 3 est une vue en perspective du radar météorologique représenté en figure 2 ; la figure 4 est une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 3 et illustrant un élément radiatif du radar météorologique selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 est une vue en coupe selon la ligne IV-IV de la figure 3 ; et - la figure 6 est une vue similaire à la figure 4 illustrant un élément radiatif du radar météorologique selon un autre mode de réalisation de l'invention ; Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques désignent des éléments identiques ou analogues. En références avec les figures 2 et 3, on a représenté un radar météorologique 11 destiné à être installé dans la pointe avant 4 d'un aéronef. De manière connue, la paroi 5, sensiblement plane, délimite une zone non-pressurisée 7 d'une zone pressurisée 6 du fuselage 8. Le radar météorologique 11 est ainsi installé dans la zone non-pressurisée 6, entre le radôme 10 perméable aux ondes radar, qui forme l'extrémité avant du fuselage 8, et la paroi 5. Le radar météorologique 11 selon un mode de réalisation de l'invention comprend une antenne montée en rotation autour d'un axe longitudinal OX de l'aéronef à un support mécanique 14. Le radar météorologique 11 comprend également un système de balayage électronique 30,31,32,33 (voir figure 5). Le support mécanique 14, qui permet la rotation de l'antenne autour de l'axe OX, est fixé, via une face 14a sensiblement plane, à la paroi 5. L'antenne comprend un socle 15 associé à une ailette 16 pourvue d'une pluralité M radiatifs ei avec i = 1, ...,M. Le socle 15 est monté libre en rotation autour de l'axe OX sur le support mécanique 14. On notera que le socle 15 a par exemple, dans un plan comprenant l'axe OX, sensiblement une forme de cône dont la base est fixée au support mécanique 14. Le système de balayage électronique est installé à l'intérieur du socle 15. Vue en coupe dans un plan perpendiculaire à l'axe OX, l'ailette 16 a une forme sensiblement parallélépipédique, avec une face, dite face de contact, en contact avec une génératrice du socle 15. La face de l'ailette qui n'est pas contigüe au socle 15, c'est-à-dire la face opposée à la face de contact, est appelée face libre 18 de l'ailette. Selon cette même coupe, on définit un plan A passant par le milieu de la face libre 18 et comprenant l'axe OX. La face libre 18 de l'ailette 16 a sensiblement, selon le plan A, la forme d'une portion de conique, de foyer O, et dont l'axe focal est confondu avec OX. Le socle 15 et le support mécanique 14 sont agencés du côté concave de la conique. Les éléments radiatifs ei sont agencés comme illustrés sur la figure 3, le long, suivant l'axe OX, de la face libre 18. Par conique on entend une parabole, une hyperbole ou une ellipse, et par extension un cercle. La conique est définie par l'équation suivante, en coordonnées polaires (P, 0) P 1+e.cos0 (1) avec p le paramètre de la conique (distance du foyer 0 à la directrice), e l'excentricité. 0 étant l'angle que forme un point de la conique avec l'axe OX. On notera que l'ailette a par exemple, dans un plan comprenant l'axe OX, une forme symétrique par rapport à l'axe OX. L'ailette 16 coupe l'axe de rotation OX en un point H définissant ainsi une extrémité du radar météorologique 11. Selon l'axe OX, la longueur L du radar est définie comme étant la distance entre cette extrémité H et un point de la face 14a du support mécanique 14. La longueur L du radar est notamment fonction de l'excentricité et du paramètre de la conique. Chaque élément radiatif ei, représenté en figure 4, comprend une partie filaire 20 et un réflecteur parabolique symétrique 21 ayant un axe focal 8i avec i = 1, ..., M. Chaque partie filaire 20 est alignée le long de l'axe focal 8i du réflecteur parabolique 21 associé et est située au niveau du foyer de ce dernier. Chaque partie filaire 20 est reliée au réflecteur parabolique 21 auquel il est associé au moyen, par exemple, d'entretoises diélectriques 22. Chacun des réflecteurs paraboliques 21 est fixé à la face libre 18 de l'ailette au niveau de son sommet de sorte que son axe focal 8i est perpendiculaire à une tangente à la face libre 18. On définit le point d'implémentation de chaque l'élément radiatif ei sur la face libre 18 comme la projection sur la face libre 18, de l'axe focal ai du réflecteur parabolique 21 associé à l'élément radiatif. Le point d'implémentation d'un élément radiatif ei forme ainsi un angle 0i avec l'axe OX. Chaque partie filaire 20 est reliée en outre à un guide d'ondes 23 traversant le réflecteur parabolique 21 auquel elle est associée, au niveau du sommet de ce dernier. Le guide d'onde 23 est agencé dans des passages réalisés dans l'ailette 16 et est connecté au système de balayage électronique. Les différents foyers des réflecteurs paraboliques sont des points d'une ligne focale, située dans le plan A. La ligne focale est en tout point parallèle à la face libre 18 de l'ailette 16. L'axe focal Si d'un réflecteur parabolique 21 est compris dans le plan A et est normal à la ligne focale. On remarquera que, comme illustré en figure 3, une pièce commune est utilisée pour former les réflecteurs paraboliques 21 des éléments radiatifs ei. Cette pièce commune présentant une section parabolique symétrique dans un plan perpendiculaire à l'axe OX et est fixée à la face libre 18 de l'ailette 16. Chaque partie filaire 20 est reliée à cette pièce commune, par exemple, par des d'entretoises diélectriques 22. En outre, comme dans l'exemple de la figure 3, les parties filaires 20 des éléments radiatifs ei sont reliées mécaniquement entre elles au moyen, par exemple, d'entretoises diélectriques 22. Les entretoises diélectriques 22 permettent également d'isoler les parties filaires les unes des autres et donc de discrétiser chaque élément radiatif ei. Chaque élément radiatif ei présente un diagramme de rayonnement comprenant un lobe principal pointant selon l'axe Si et dirigé vers l'extérieur de la conique. Par axe dirigé vers l'extérieur de la conique on entend un axe partant du côté concave et allant vers le côté convexe de la conique. Le balayage par le faisceau radar de la zone située devant l'aéronef est réalisé, à la fois par la rotation du socle 15 autour d'un seul axe, l'axe de rotation OX, et, par l'émission/réception d'ondes radar dans le plan A. A cet effet, chacun des éléments radiatifs ei est configuré pour d'une part émettre une onde radar générée par le système de balayage électronique 30,31,32,33 (voir figure 5) et d'autre part pour recevoir une onde radar qui sera traitée par le système de balayage électronique Le système de balayage électronique comprend un commutateur 30, un formateur de faisceau 31, un module d'émission/réception 32 ainsi qu'un module de contrôle 33 comme illustré en figure 5. Le module de contrôle 33, qui est par exemple un calculateur de type microcontrôleur, pilote le module d'émission/ réception 32, le formateur de faisceau 31, ainsi que le commutateur 30 pour mettre en oeuvre un balayage électronique par un faisceau d'onde radar de la zone située dans la partie convexe de la conique, c'est-à-dire devant l'aéronef. Les M éléments radiatifs ei sont connectés, au moyen du commutateur 30, par groupe de N avec N M, éléments adjacents, au formateur de faisceau 31, lui-même relié au module d'émission/réception 32 En émission, le module d'émission/réception 32 est par exemple adapté à transmettre, au commutateur 30, un train d'onde à la fréquence correspondant à la longueur d'onde du radar. En réception, le module d'émission/réception 32 est par exemple adapté à traiter un train d'onde reçu en provenance du commutateur 30. Dans les radars météorologiques de l'art antérieur tels que décrits en relation avec la figure 1, le réglage de l'orientation de la direction d'émission/réception des ondes radar est effectué mécaniquement. En effet, le panneau est automatiquement positionné par le mécanisme 3, commandé par les moyens électroniques, de sorte que le lobe d'émission principal de l'antenne 2 pointe au dessus de l'horizon et ce quelque soit l'inclinaison de l'aéronef. Le but étant de réduire l'importance de l'écho sol et de donner une image constante de l'environnement météorologique de l'aéronef. Dans le radar météorologique selon l'invention, du fait que l'antenne est rotative uniquement selon l'axe OX, le réglage de l'orientation de la direction d'émission/réception des ondes radar est effectuée électroniquement de sorte que le lobe d'émission principal de l'antenne pointe au dessus de l'horizon quelque soit l'inclinaison de l'aéronef. A cet effet, le module de contrôle 30 sélectionne les éléments radiatifs ei devant émettre ou recevoir des ondes radars en fonction de la direction d'un axe faisant l'angle 0 avec l'axe de rotation OX et vers laquelle doivent être émises ou reçues les ondes radars. Ainsi, lorsqu'un faisceau radar doit être émis dans la direction d'un axe faisant l'angle 0 avec l'axe de rotation OX, le commutateur 30, à M entrées et N sorties, envoie un signal uniquement aux N éléments radiatifs ei adjacents correspondant à cette direction. Le signal envoyé est généré par le module d'émission/réception 32. La sélection des N éléments radiatifs correspondant à cette direction est effectué par le module de contrôle 33. A cet effet, le module de contrôle 33 choisit, par exemple, les N éléments radiatifs ei adjacents dont l'angle 0i entre l'axe OX et leur point d'implantation est proche de l'angle O. Ainsi la formation de faisceau et effectuée, par exemple, au moyen de N = 4 éléments radiatifs adjacents, par exemple el, e2, e3, e4 , pour lesquels on a un recouvrement angulaire des lobes principaux pour un angle 0 compris entre Blet 04 (avec 01 l'angle entre l'axe OX et le point d'implantation de l'élément radiatif e1 sur la face libre 18,..., 04 l'angle entre l'axe OX et le point d'implantation de l'élément radiatif e4 sur la face libre 18). En variante, la sélection est effectuée par comparaison de l'intensité du lobe principal de chacun des éléments radiatifs ei dans la direction d'un axe faisant l'angle 0 avec l'axe de rotation OX, avec un seuil minimal de sélection prédéterminé. Pour les N éléments radiatifs ei sélectionnés par le commutateur 30 et utilisés par le formateur de faisceau 31 pour l'émission ainsi que la réception dans la direction d'un axe faisant l'angle 0 avec l'axe de rotation OX, le formateur de faisceau 31 applique une loi de déphasage (I)(0) sur les N signaux à émettre/les N signaux reçus. Le cas échéant, le formateur de faisceau applique également à ces N signaux une loi de pondération W(0) pour apodiser le faisceau. Avantageusement, la formation de faisceau est réalisée en mode numérique, par multiplication des signaux avec des coefficients complexes. L'avantage de l'invention est qu'en fonctionnement, le radar métrologique de l'invention comporte une partie mobile uniquement en rotation selon l'axe OX et que la sélection de la direction d'émission/réception n'est plus effectuée mécaniquement mais électroniquement. De ce fait, l'encombrement et la longueur L du radar métrologique 11 sont fixes, qu'importe que le radar métrologique soit en fonctionnement ou pas, et sont déterminés en fonction notamment de l'excentricité et du paramètre de la conique. Comme l'ont montrées des simulations, la longueur L du radar météorologique de l'invention est minimale, avec des valeurs de p et e adaptées, lorsque le foyer de la conique est un point d'un plan de la paroi 5 perpendiculaire à l'axe OX. Avec un tel radar météorologique 11, il est possible de réduire ou d'adapter les dimensions du radome 10 de l'aéronef afin d'optimiser le profil aérodynamique de l'aéronef. Un autre avantage de l'invention est que l'intégration du système de balayage électronique dans le socle 15 permet de simplifier le montage du radar météorologique dans un aéronef. Ainsi contrairement aux radars météorologiques de l'art antérieur, il n'y a plus de liaisons filaires tournantes entre l'antenne et le système de balayage électronique. Au delà de la détection de conditions météorologiques à l'avant de l'aéronef, le radar météorologique 11 est utilisé pour obtenir une information d'altitude. En effet, le module de contrôle 33 détermine, au cours de la rotation de l'antenne autour de l'axe OX, quel élément radiatif a son axe dirigé verticalement vers le sol et déduire, du temps aller-retour du signal, l'altitude de l'aéronef. Selon un mode de réalisation de l'invention, les éléments radiatifs ei sont distribués le long de l'ailette avec un pas variable. Le pas est une fonction croissante de la distance de la partie filaire 20 de l'élément radiatif ei à l'axe de rotation OX. Autrement dit, les éléments radiatifs ei situés près de l'axe de rotation OX sont plus rapprochés les uns des autres alors que ceux situés plus loin de l'axe de rotation OX sont plus distants les uns des autres. En d'autres termes, la densité curvilinéaire des éléments radiatifs ei est d'autant plus élevée que l'on se rapproche de l'axe de rotation OX. Ce mode de réalisation permet d'obtenir une très bonne résolution angulaire dans une plage centrale angulaire autour de l'axe longitudinal de l'aéronef. En variante, les éléments radiatifs ei sont disposés régulièrement sur la face libre 18 selon un pas constant (en distance curviligne) inférieur ou égal à la demi-longueur d'onde utilisée par le radar météorologique 11. L'agencement des éléments radiatifs ei selon cette variante permet de diminuer le bruit en réception et en émission, d'augmenter la plage angulaire 0 pour laquelle le recouvrement angulaire des lobes principaux des N éléments adjacents sélectionnés est maximale. Selon un mode de réalisation de l'invention, les éléments radiatifs ei peuvent être disposés sur la face libre de plusieurs ailettes 16 de formes identiques, chaque ailette étant comprise dans un plan distinct. Les plans comprenant les différentes ailettes ont pour intersection commune l'axe de rotation OX. Ce mode de réalisation a pour avantage d'améliorer le taux de rafraichissement d'une image radar obtenue via le radar météorologique 11. Selon une variante de réalisation de l'invention illustrée en figure 6, chaque élément radiatif comprend à la place de l'élément filaire 20, un réflecteur secondaire 27 faisant face au réflecteur parabolique 21 Chaque réflecteur secondaire 27 est hyperbolique convexe, dans un plan orthogonal au plan (A), avec un foyer coïncidant avec le foyer du réflecteur parabolique 21 associé Le foyer de chaque réflecteur secondaire 27 est par ailleurs situé sur l'axe focal 8i du réflecteur parabolique 21 associé. Le sommet de chacun des réflecteurs secondaires 27 est un point de la ligne focale Chaque réflecteur secondaire 27 est soutenu, au moyen d'entretoises 22, par le réflecteur paraboliques 21 associé. Un guide d'onde 23 est situé à l'arrière de chaque réflecteur parabolique 21 et débouche à la base de celui-ci, c'est-à-dire au sensiblement au sommet de sa section parabolique. Le guide d'onde 23 est agencé dans des passages arrangés dans l'ailette 16 afin d'être connecté au système de balayage électronique du radar météorologique 11 Ce mode de réalisation permet de simplifier la construction de l'ailette 16 lorsqu'une première pièce commune est utilisée pour former les réflecteurs parabolique 21 des éléments radiatifs ei et qu'une seconde pièce commune est utilisée pour former les réflecteurs secondaires 27 des éléments radiatifs ei. La seconde pièce commune étant soutenue par la première au moyen d'entretoises diélectriques. Dans ce cas, c'est l'installation d'un guide d'onde 23 pour chaque éléments radiatif ei à l'arrière de chaque réflecteur parabolique 21 qui discrétise les éléments radiatifs. Bien que représenté dans la partie avant d'un aéronef, le radar météorologique de l'invention peut également se retrouver sous l'aéronef, sous l'une des ailes ou dans une nacelle fixée à une aile de l'aéronef, selon la configuration ou les besoins. REVENDICATIONS1. 10 2. 15 3. 20 4. 25 5. 30 6. 7. 35 8. 40 Radar météorologique (11) destiné à être embarqué dans un aéronef, comportant une antenne et un support mécanique (14) ainsi qu'un système de balayage électronique (30,31,32,33), l'antenne comprenant un socle (15) monté rotatif par rapport au support mécanique (14) autour d'un axe OX, dit axe de rotation, caractérisé en ce qu'au moins une ailette (16) est fixée sur le socle (15) et s'étend radialement le long de l'axe de rotation, une pluralité M d'éléments radiatifs (e1) étant distribuée le long d'une face de l'ailette non contigüe au socle (15), dite face libre (18), la face libre (18) ayant sensiblement la forme d'une portion d'une conique d'axe focal confondu avec l'axe de rotation dans un plan (A) comprenant l'axe de rotation, chaque élément radiatif étant adapté à rayonner selon un axe (8i) compris dans le plan (A) et étant connecté au système de balayage électronique. Radar météorologique (11) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'en utilisation, le système de balayage électronique est configuré pour transmettre une onde radar uniquement à une pluralité N , avec N