Brevet FR3045958A1 — publié le 20170623

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne un procédé d'estimation spectrale du fouillis d'un milieu liquide, tel qu'un lac, une mer ou un océan. Elle s'applique, en particulier, au domaine de l'observation océanographique côtière par radar et s'étend également à l'observation de lac et de fleuve. On entend par « Estimation spectrale » une technique d'estimation de la densité spectrale de puissance d'un signal. L'invention concerne plus précisément une technique de traitement du signal radar appliquée au fouillis de mer reçu par des radars océanographiques côtiers Doppler à réseaux d'antennes fonctionnant sur les bandes électromagnétiques HF ou VHF (High Frequency pour haute fréquence ou Very High Frequency pour très haute fréquence) soit entre 3 MHz et 300 MHz. Dans ce document on entend par « fouillis de mer » la part du signal radar traité provenant de la rétrodiffusion du signal radar incident par la surface d'un milieu liquide, comme par exemple un lac, un fleuve, la mer ou un océan. Dans ce document on entend par « bande HF » la partie du spectre radioélectrique s'étendant de 3 MHz à 30 MHz et on entend par « bande VHF » la partie du spectre radioélectrique s'étendant de 30 MHz à 300 MHz. ETAT DE LA TECHNIQUE Les radars océanographiques côtiers sont des instruments de mesure couramment utilisés pour caractériser spatialement et temporellement des paramètres de surface de mer tels que le courant de surface, l'état de mer et le vent de surface, à des résolutions spatiales comprises entre 10m et 6000m. Ces systèmes actifs installés généralement sur des sites côtiers, fonctionnent en utilisant des fréquences porteuses comprises entre 3 MHz et 300 MHz et exploitent ainsi la propagation par ondes de surface, à la surface de la mer, pour d'atteindre des portées supérieures à l'horizon classique des systèmes fonctionnant à des fréquences supérieures (ondes UHF ou supérieures). Ils comportent un émetteur cohérent à polarisation verticale, dans certains cas directionnel, et plusieurs récepteurs à antennes statiques à polarisation verticale. 3045958 2 La mesure des paramètres de surface de mer à partir de ces radars est basée sur l'analyse spectrale dans le domaine Doppler du fouillis de mer. Pour chaque canal Doppler analysé par ces radars, le fouillis de mer provient d'un ensemble de sources plus ou moins étendues spatialement et plus ou 5 moins énergétiques en fonction de leur position vis-à-vis du diagramme de rayonnement en émission, des gradients spatiaux de courants de surface, de la rugosité de surface (état de mer), de la salinité et de la température de l'eau de mer présents sur la zone observée. L'obtention d'une cartographie, spatialement résolue des phénomènes océanographiques d'intérêt passe donc 10 par l'obtention d'une cartographie spatialement résolue de l'énergie des sources de fouillis pour chaque canal Doppler analysé. Cette cartographie s'opère généralement en trois étapes. La première consiste au traitement distance radar et à l'issue duquel, chacun des récepteurs du signal radar dispose d'une version du signal radar 15 complexe échantillonnée par couronnes distances de largeur correspondant à la résolution distance du radar (de 10m à 6000m suivant les configurations). La deuxième étape réalisée pour chaque couronne distance, consiste, à l'aide d'une série temporelle de signaux complexes, à obtenir la densité spectrale d'énergie reçue pour chaque canal Doppler d'intérêt. Cette 20 information est obtenue pour chacune des antennes de réception du radar. La troisième étape consiste à obtenir la répartition en direction de la densité spectrale d'énergie du fouillis de mer. Pour certaines applications, cherchant à étudier les paramètres de surface de l'eau, un des inconvénients des procédés existant est la résolution. 25 La haute résolution des données est importante pour étudier l'état de surface de l'eau à partir des densités spectrales du fouillis. OBJET DE L'INVENTION La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. 30 A cet effet, la présente invention vise un procédé d'estimation spectrale du fouillis d'un milieu liquide, tel qu'un lac, un fleuve, une mer ou un océan, à partir d'un réseau d'antennes comportant au moins trois antennes. Le procédé comporte les étapes suivantes : 3045958 3 - une première étape de formation d'au moins deux sous-réseaux d'antennes à partir du réseau d'antennes, chacun des sous-réseaux comportant au moins une antenne de moins que le réseau d'antennes ; 5 - une deuxième étape de calcul d'un faisceau dans une direction pour chaque sous réseau d'antenne ; - une troisième étape de localisation en azimut de toutes sources comprise dans le faisceau à partir des données du faisceau provenant de chacun des sous-réseaux ; 10 - une quatrième étape d'estimation de l'énergie de chacune des sources localisées. Grâce à ces dispositions, le procédé permet d'obtenir pour chaque canal Doppler analysé, la répartition par direction d'arrivée, à haute résolution en direction, de la densité spectrale d'énergie du fouillis, ceci afin de pouvoir 15 caractériser précisément et à haute résolution spatiale les paramètres de surface du milieu liquide, tel que la mer, (courant, vent, vagues) à l'origine de ce fouillis. Dans un mode de réalisation, une cinquième étape de sélection d'une source, dite source préférée, parmi plusieurs sources selon un critère 20 prédéterminé lorsque le faisceau comporte plusieurs sources. Dans un mode de réalisation, la deuxième étape est réitérée pour chacun des sous-réseaux du réseau d'antennes. Dans un mode de réalisation, entre la deuxième étape et la troisième étape, le procédé comprend une sixième étape de calcul de plusieurs faisceaux 25 par balayage pour chaque sous-réseau dans des directions différentes dont l'écart entre deux directions est un angle a. Dans un mode de réalisation lié au précédent, l'angle a est au moins égal à 0,5°. Dans un mode de réalisation, à la troisième étape l'azimut de la source 30 est localisé par un algorithme de classification multiple des signaux. Dans un mode de réalisation, à la quatrième étape l'énergie est estimé par la méthode dite Estimateur pseudo inverse. Dans un mode de réalisation, à la quatrième étape l'énergie est estimé par la méthode dite Estimateur du vecteur de covariance. 3045958 4 Dans un mode de réalisation, le critère prédéterminé est choisi dans le groupe suivant : énergie médiane ou énergie maximale. Dans un mode de réalisation, le calcul d'un faisceau de la deuxième étape se fait à partir d'une technique de formation de faisceau, du type 5 beamforming. Dans un mode de réalisation, le réseau d'antenne est constitué d'antennes dont la distance à la plus proche entre les antennes du réseau est comprise entre 0,4 et 0,6 fois la longueur d'onde émise par le radar. Un exemple de réseau d'antenne de ce type est un réseau linéaire 10 dont les antennes sont espacées régulièrement de 0,5 fois la longueur d'onde émise par le radar. Un autre exemple de réseau d'antenne de ce type est un réseau circulaire, dont les antennes sont placées régulièrement sur un cercle de rayon lambda/(4*sin(pi/n)),lambda étant la longueur d'onde émise par le radar, et n le nombre d'antennes. 15 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortent de la description qui suit faite, dans un but explicatif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés, dans lesquels : 20 - la figure 1 représente, sous forme de logigramme, des étapes mises en oeuvre dans un mode de réalisation particulier du procédé objet de la présente invention, - la figure 2 représente une première étape du procédé : la formation des sous-réseaux, 25 - la figure 3 représente une deuxième étape du procédé : le calcul de faisceaux pour chaque sous réseau, - la figure 4 représente une troisième et quatrième étape du procédé : la localisation en azimut et l'estimation énergétique des sources dans un faisceau, 30 - la figure 5 représente une cinquième étape optionnelle du procédé : la sélection des sources, - la figure 6 représente des étapes de l'implémentation du procédé dans un système radar, 3045958 5 - les figures 7 et 8 représentent l'estimation spectrale Doppler réalisée à partir de 4736 échantillons temporels, - les figures 9 à 11 illustrent un exemple de mesure des courants de surface radiaux, sur l'ensemble de la couverture HF fonctionnant dans la bande 5 12MHz, - les figures 12 à 14 illustrent un exemple de mesure des courants de surface radiaux, sur les premiers kilomètres de la couverture d'un radar HF fonctionnant dans la bande 12 MHz, dans la zone à forts gradients de courants. 10 DESCRIPTION D'EXEMPLES DE REALISATION DE L'INVENTION Dans cet exemple de réalisation, les radars océanographiques côtiers Doppler fonctionnent sur les bandes électromagnétiques HF ou VHF soit entre 5 MHz et 50 MHz. La présente invention consiste à appliquer une méthode dite de 15 recherche de direction d'arrivée dans l'espace des faisceaux ou beamspace (pour espace de faisceau) DOA (acronyme de Direction Of Arrivai pour direction d'arrivée en français), combinée à une solution d'estimation énergétique des sources pour obtenir la répartition en direction de la densité spectrale d'énergie du fouillis de mer. 20 Dans ce document on entend par « beamspace », mot à mot « espace des faisceaux », l'espace formé par l'ensemble des signaux produits par des sous-ensembles de récepteurs d'un système radar multi-récepteurs, dont le contenu informatif est limité à une partie seulement de l'espace angulaire des azimuts (360 °). 25 On entend par « beamforming », mot à mot « formation de faisceau », le filtrage d'un signal reçu par plusieurs récepteurs, par application d'un déphasage et d'une pondération sur chacun de ces récepteurs, visant à ne conserver que la partie du signal incident provenant d'un sous ensemble de l'espace angulaire des azimuts (360 °). 30 Également, dans ce document on entend par « DOA » une méthode de recherche de la direction d'arrivée, en azimut, d'un signal électromagnétique reçu par plusieurs récepteurs. Ce procédé combine une solution de formation de faisceaux à une méthode de super-résolution. 3045958 6 Selon un exemple de réalisation, la méthode de formation de faisceaux utilisée est un beamforming conventionnel. La méthode de super-résolution en direction utilisée est MUSIC (marque déposée, pour Multiple Signal Classification). 5 La formation de faisceau conventionnelle (« Beamforming ») a été développée pour focaliser dans une direction l'émission d'une onde électromagnétique. Elle a été depuis exploitée pour une multitude d'applications dont l'imagerie médicale, les radars de défense et les télécommunications. Cette technique est mise en oeuvre dans les systèmes radars 10 océanographiques WERA (pour WEllen Radar, marque déposée), dans leur version à réseaux d'antennes linéaires. Il s'agit là d'une formation de faisceaux par le calcul. Pour cela l'intervalle des directions d'intérêt est discrétisé afin d'obtenir un ensemble de directions à viser. Pour chaque direction à viser, le vecteur des signaux complexes reçu par les récepteurs du réseau linéaire 15 d'antennes réceptrices est convolué par un vecteur de pointage, également complexe, simulant les déphasages (retards inter antennes), dus à l'espacement des antennes, attendus pour un signal provenant de la direction visée. Le module du produit de convolution réalisé fournit une estimation de la part de d'énergie incidente provenant de la direction visée. L'intérêt principal de 20 cette méthode est de fournir une couverture exhaustive de la zone d'intérêt (aucun trou). La technique MUSIC est une technique de recherche de direction d'arrivée et est intégrée pour la première fois dans un système radar océanographique en 1999. Plus récemment, la technique a été adaptée pour 25 des systèmes radars WERA comportant un nombre plus élevé de récepteurs. La technique MUSIC consiste en une décomposition en sous espaces (espace signal et espace bruit) de l'espace des signaux reçus par l'ensemble des récepteurs du radar. Elle utilise une estimation de la matrice interspectrale des signaux des différents récepteurs et nécessite de connaître le nombre de 30 sources à localiser, ou de l'estimer à l'aide des valeurs propres de la matrice interspectrale. Elle retourne les directions de provenance des sources à localiser. L'énergie de chaque source peut ensuite être estimée par différentes méthodes telles qu'un Estimateur pseudo inverse ou un Estimateur du vecteur 3045958 7 de covariance. L'intérêt principal de cette technique est sa très bonne résolution en direction. L'intérêt de ce procédé est de combiner les avantages de la méthode de formation de faisceaux et de la méthode de super-résolution. 5 La figure 1 représente, sous forme de logigramme, des étapes mises en oeuvre dans un mode de réalisation particulier du procédé objet de la présente invention et comporte : - une première étape 101 de formation de sous réseaux d'antennes, - une deuxième étape 102 de calcul d'un faisceau pour une direction, 10 - une troisième étape 103 de localisation de toutes les sources en azimut, - une quatrième étape 104 d'estimation de l'énergie de chacune des sources. Selon une variante non représenté, le procédé comporte une cinquième étape 15 optionnelle de sélection d'une source selon un critère prédéterminé lorsqu'il y a plusieurs sources pour un même faisceau. Ces étapes sont décrites dans la description ci-dessous. Dans cet exemple de réalisation, on se limite au cadre des radars océanographiques comportant des antennes de réception à diagrammes de 20 réception identiques. La seule différence considérée entre les différentes antennes de réception est donc leur position. Les seules variations relatives de position considérées entre antennes sont des variations dans un plan horizontal vis-à-vis du front d'onde reçu provenant de la zone maritime observée. La figure 2 représente une première étape du procédé : la formation 25 des sous-réseaux. A partir du réseau de réception du radar, noté R1 à R8, un jeu de sous-réseaux est construit. Dans le cas d'un réseau linéaire de réception de huit antennes, chaque sous-réseau peut par exemple être constitué de cinq antennes. On obtient ainsi quatre sous-réseaux. 30 La figure 3 représente une deuxième étape du procédé : le calcul de faisceaux pour une direction et pour chaque sous réseau. Les sous-réseaux constituent des antennes synthétiques qui vont pointer successivement, de manière exhaustive, dans les différents secteurs de la zone angulaire observée par le radar. 3045958 8 Le résultat de la somme est représenté et représente le résultat d'un faisceau du réseau virtuel i sous l'angle 0 ne contenant qu'une partie des sources. Ce pointage est effectué par un beamforming conventionnel utilisant 5 une fenêtre d'apodisation permettant d'obtenir un lobe principal uniforme en énergie avec des lobes secondaires sensiblement atténués. Le pas angulaire entre chaque pointage est inférieur à la résolution à -3dB du lobe principal des faisceaux formés, il y a donc recouvrement partiel en direction entre les différents faisceaux de pointage. 10 Ce pointage constitue un filtrage spatial permettant d'éliminer du signal une partie des sources présentes sur la zone angulaire observée par le radar, notamment les sources très énergétiques sur lesquelles MUSIC tend à se focaliser en priorité. La figure 4 représente une troisième et quatrième étape du procédé : la 15 localisation en azimut et l'estimation énergétique des sources dans un faisceau. Pour chaque pointage effectué, les signaux complexes reçus par les sous-réseaux (quatre dans cet exemple) sont traités par l'algorithme MUSIC. Les sources S (sur la figure une seule source S est pointée) présentes dans le faisceau pointé par les antennes synthétiques sont localisées précisément en 20 direction grâce à MUSIC et leur énergie est estimée par la méthode dite Estimateur pseudo inverse. La figure 5 représente une cinquième étape optionnelle du procédé : la sélection des sources. En fin de traitement du procédé, puisque qu'il y a recouvrement partiel 25 en direction entre les différents faisceaux de pointage, il arrive que plusieurs sources aient été localisées par MUSIC à la même direction, auquel cas le critère prédéterminé est l'énergie la plus forte des différentes sources retenues. Selon une autre variante, le critère prédéterminé est choisi dans le groupe suivant : énergie médiane ou énergie maximale. 30 Le procédé de traitement ne fournit pas une estimation spectrale sans trou sur toutes les directions d'intérêt, comme le fait le beamforming conventionnel. Il fournit cependant une couverture en direction plus exhaustive que celle obtenue avec l'algorithme MUSIC seul tout en conservant une résolution angulaire élevée proche de celle obtenue par MUSIC seul. 3045958 9 Le procédé a été appliqué pour des données provenant d'un système radar WERA à seize voies de réception. La figure 6 représente des étapes de l'implémentation du procédé dans un système radar. 5 Dans ce cas particulier le système monostatique fonctionnant dans la bande 12 MHz comporte un diagramme d'émission directionnel de largeur 130° en azimut à -20dB. Il fonctionne à une résolution spatiale de 1,5 Km. La direction centrale d'émission est l'azimut 249°. Le fouillis de mer de premier ordre sur cette zone se caractérise par : 10 - un nombre élevé de sources peu étendues spatialement dans les 30 premiers kilomètres de portée, particulièrement dans la zone la plus énergétique du lobe d'émission. Ce nombre élevé de sources est dû à de forts gradients spatiaux de courants de marée sur cette zone. 15 - un nombre faible de sources étendues spatialement ailleurs, dû à des courants de surface relativement homogènes dans ces zones. Les figures 7 et 8 représentent l'estimation spectrale Doppler réalisée à 20 partir de 4736 échantillons temporels, à la case distance 30.8 Km par les procédés : - selon un exemple de réalisation de l'invention avec 5 sous-réseaux de 12 récepteurs, voir figure 7 ; - selon un exemple de réalisation de l'art antérieur à l'aide d'un 25 beamforming conventionnel avec les 16 récepteurs, voir figure 8. Les cercles indiquent une amélioration de la résolution azimutale des structures énergétiques. Les figures 7 et 8 mettent en évidence le gain en résolution azimutale, 30 supérieur à un coefficient 2, obtenu avec l'exemple de réalisation de l'invention dans cette configuration. Un exemple d'application est la courantologie côtière à haute résolution spatiale et a donc vocation à être intégré dans un système radar 3045958 10 océanographique côtier dédié à la cartographie en temps réel à haute résolution des courants de surface. Les figures 9 à 11 illustrent un exemple de mesure des courants de surface radiaux, sur l'ensemble de la couverture HF fonctionnant dans al bande 5 12MHz. La figure 9 représente une étape de procédé de l'art antérieur à l'aide de la décomposition en sous espaces MUSIC seule. La figure 10 représente une étape de procédé de l'art antérieur à l'aide d'un beamforming seul. La figure 11 illustre une étape du précédé selon un exemple de réalisation. 10 De manière générale, le Beamforming présente l'inconvénient d'être peu résolu en direction, même en exploitant le nombre maximum de récepteurs typiquement utilisé pour les radars océanographiques (16 à l'heure actuelle). En effet, sous hypothèse de réseau linéaire de réception espacé régulièrement d'une demi longueur d'onde, et sous apodisation rectangulaire des signaux des 15 16 récepteurs, la meilleure résolution azimutal a -3dB, atteinte pour une direction de visée orthogonale au réseau d'antenne est de 6°. Pour une direction de visée de 45° elle passe à 9°. A 20Km d radar, cette résolution correspond à une résolution azimutale supérieure à 3 Km, soit supérieure à la majorité des résolutions distances implémentées sur les radars HF 20 océanographiques. De manière générale, la méthode à décomposition en sous-espaces MUSIC présente elle l'inconvénient d'être fortement sensible à l'énergie des sources. Dans le cas d'un émetteur directionnel, ou d'une forte dynamique de l'énergie des sources le long de la dimension angulaire, cet inconvénient se 25 manifeste par une surconcentration des sources dans une partie du secteur angulaire observé, zone où les sources sont les plus énergétiques, ce qui dégrade fortement le taux de couverture notamment en bordure du lobe d'émission. L'estimation spectrale réalisée comporte donc un taux de remplissage faible qui rend nécessaire l'utilisation d'un interpolateur en post- 30 traitement. Les figures 12 à 14 illustrent un exemple de mesure des courants de surface radiaux, sur les premiers kilomètres de la couverture d'un radar HF fonctionnant dans la bande 12 MHz, dans la zone à forts gradients de courants. 3045958 11 La figure 12 représente une étape de procédé de l'art antérieur à l'aide de la décomposition en sous espaces MUSIC seule. La figure 13 représente une étape de procédé de l'art antérieur à l'aide d'un beamforming seul. La figure 14 illustre une étape du précédé selon un 5 exemple de réalisation. Les figures 11 et 14 mettent en évidence que la résolution spatiale des mesures et le taux de couverture spatial sont augmentés par rapport aux solutions antérieures. Parmi les applications industrielles faisant appel à la courantologie 10 côtière à haute résolution spatiale on peut citer : - Industrie des EMR (acronyme d'Energies Marines Renouvelables : i) hydrolien : évaluation de la ressource de productible et optimisation du positionnement des hydroliennes (phase de développement), ii) soutien aux opérations en mer d'installation et maintenance d'un champ EMR 15 (phases de construction et d'exploitation), iii) contribution à la prévision à court terme du productible (phase d'exploitation) - Industrie pétrolière et gazière offshore : i) sécurité et optimisation des opérations en mer, ii) soutien à la gestion de crise environnementale. Intégré dans un radar océanographique HF, la résolution spatiale 20 obtenue grâce à ce procédé doit permettre de localiser à longue portée les courants induits par des phénomènes de type « ondes internes » susceptibles de perturber les opérations maritimes offshore. - Portuaire: sécurité et optimisation des opérations en mer : Intégré dans un radar océanographique HF ou VHF, le procédé permet d'accroître la 25 résolution spatiale des cartes de courants de surface utilisés pour la validation des modèles hydrodynamiques côtiers. REVENDICATIONS1. Procédé d'estimation spectrale du fouillis d'un milieu liquide, tel qu'un lac, un fleuve, une mer ou un océan, à partir d'un réseau d'antennes comportant au moins trois antennes, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - une première étape (101) de formation d'au moins deux sous- réseaux d'antennes à partir du réseau d'antennes, chacun des sous-réseaux comportant au moins une antenne de moins que le réseau d'antennes ; - une deuxième étape (102) de calcul d'un faisceau dans une direction pour chaque sous réseau d'antenne ; - une troisième étape (103) de localisation en azimut de toutes sources comprise dans le faisceau à partir des données du faisceau provenant de chacun des sous-réseaux ; - une quatrième étape (104) d'estimation de l'énergie de chacune des sources localisées. 2. Procédé selon la revendication 1, comportant une cinquième étape de sélection d'une source, dite source préférée, parmi plusieurs sources selon un critère prédéterminé lorsque le faisceau comporte plusieurs sources. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel la deuxième étape est réitérée pour chacun des sous-réseaux du réseau d'antennes. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel entre la deuxième étape et la troisième étape, le procédé comprend une sixième étape de calcul de plusieurs faisceaux par balayage pour chaque sous-réseau dans des directions différentes dont l'écart entre deux directions est un angle a. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'angle a est au moins égal à 0,5°. 3045958 13 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel à la troisième étape l'azimut de la source est localisé par un algorithme de classification multiple des signaux (MUSIC). 5 7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel à la quatrième étape l'énergie est estimé par la méthode dite Estimateur pseudo inverse. 8. Procédé selon la revendication 1, dans lequel à la quatrième étape l'énergie est estimé par la méthode dite Estimateur du vecteur de covariance. 10 9. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le critère prédéterminé est choisi dans le groupe suivant : énergie médiane ou énergie maximale. 10. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le calcul d'un faisceau de 15 la deuxième étape se fait à partir d'une technique de formation de faisceau, du type beamforming. 11. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le réseau d'antenne est constitué d'antennes dont la distance à la plus proche entre les antennes du 20 réseau est comprise entre 0,4 et 0,6 fois la longueur d'onde émise par le radar.