Brevet FR3066608A1 — publié le 20181123

Procédé d'évaluation de caractéristiques d'une cible par filtrage d'échos radar Domaine technique L'invention se rapporte à un procédé d'évaluation de caractéristiques d'une cible, en particulier pour évaluer les caractéristiques d'une cible atmosphérique, notamment la quantité de pluie et la vitesse des gouttes de pluie, au moyen d'un radar précipitation. Etat de la technique Les radars précipitations sont des instruments de mesure déployés en opérationnel depuis plus d'une vingtaine d'années. Ils permettent de détecter les précipitations, ainsi que la vitesse horizontale du vent dans les précipitations, dans un rayon de quelques centaines de kilomètres autour du radar. Les données collectées par les radars sont transmises en temps réel à des centres de concentration pour produire des cartes des précipitations et du vent à l'échelle d'un pays comme avec le réseau français ARAMIS qui comporte 34 radars, ou à l'échelle d'un continent, comme avec le réseau US NEXRAD, ou le réseau européen OPERA qui rassemble en temps réel les données collectées par les radars des pays contributeurs. C'est ainsi que des cartes de précipitations à l'échelle d'un continent sont disponibles, toutes les 15mn ou même toutes les 5mn, pour diverses applications : météorologie, hydrologie, tourisme, agriculture, transport aérien, prévention des risques, etc. Les radars précipitations fonctionnent en mode panoramique avec des angles d'élévation faibles, entre 0° et 5°. Ils sont ainsi confrontés à la difficulté d'obtenir des signaux représentatifs, à l'altitude la plus basse, qui ne soient pas perturbés par les retours de sol de la partie inférieure du faisceau radar. Ces retours de sol, appelés aussi « échos de sol », peuvent être très puissants, amenant à une fausse évaluation des caractéristiques de la cible, comme la quantité de précipitation ou la vitesse de déplacement de la précipitation. Les solutions courantes à ce problème sont de filtrer le signal reçu en éliminant les composantes de basse fréquence, en exploitant le fait que la contribution du sol, fixe, est de Doppler nul, alors que celle des précipitations présente un décalage Doppler dû à la vitesse du vent. De plus, les retours de sol sont de bande étroite, alors que les signaux de précipitations sont de plus large bande en raison de la variabilité naturelle de la cible. 3066608 2 Cependant, lorsque la vitesse radiale de la précipitation est faible, ces techniques de filtrage détruisent une partie du signal utile. Des méthodes d'interpolation dans le domaine fréquentiel sont parfois mises en oeuvre pour corriger cette difficulté. Ces méthodes sont toutefois complexes et peu précises. 5 Par ailleurs, pour une longueur d'onde radar k, la vitesse maximale observable va est liée à la distance maximale observable ra (portée en distance du radar) par la relation va ra = ck/4, où c est la vitesse de la lumière. Lorsque la vitesse v est supérieure à cette valeur limite va, la mesure de v, qui est basée sur l'argument d'un nombre complexe, devient ambigüe. Compte tenu des longueurs d'onde radar utilisées, des vitesses rencontrées dans l'atmosphère et des 10 portées requises, ces problèmes d'ambiguïté sont considérables et des techniques, dites de « PRT multiples - PRT pour Pulse Repetition Time », ont été imaginées et mises en place aux USA (double PRT) et dans les pays européens (triple PRT en France par exemple). Mais les méthodes de filtrage classiques, évoquées plus haut pour éliminer les retours de sol, ne sont pas compatibles avec ces techniques. 15 Il existe donc un besoin pour un procédé d' évaluation de caractéristiques d'une cible, en particulier d'une précipitation atmosphérique, ne présentant pas ces inconvénients. Un but de l'invention est de répondre, au moins partiellement, à ce besoin. Résumé de l'invention L'invention concerne un procédé d'évaluation d'une caractéristique d'une cible, choisie de 20 préférence parmi la vitesse, la densité et l'homogénéité de la cible, le procédé comprenant les étapes suivantes : a) émission, vers ladite cible, au moyen d'un radar, pendant un temps de résidence, d'un signal émis constitué d'une série d'impulsions émises, deux impulsions consécutives quelconques étant séparées par un intervalle de base temporel choisi 25 dans un groupe constitué d'au moins un intervalle de base constant ; 3066608 3 b) réception d'un signal reçu renvoyé par ladite cible en réponse au signal émis, le signal reçu étant constitué d'une succession d'impulsions reçues, à des instants en réponse aux impulsions émises; c) détermination d'une série temporelle échantillonnée Sr(ti) du signal reçu, Sr(ti) 5 étant une valeur complexe du signal reçu, à l'instant ti ; d) détermination, à partir de la série temporelle Sr(ti), de plusieurs coefficients d'autocorrélation R(Ti), Ti étant tel qu'il existe au moins deux impulsions du signal reçu séparées par une durée égale à Ti : R(TJ) = i, 10 où * désigne le complexe conjugué, et i la moyenne arithmétique sur l'ensemble des produits (Sr(ti ) . Sr*(ti - Ti)) calculables à partir de ladite série temporelle ; e) détermination d'un temps de coupure inférieur Te positif, supérieur à une estimation du temps de cohérence de la cible Teibie; f) détermination d'un temps de coupure supérieur Te' supérieur à Te et inférieur ou 15 égal au temps de résidence ; g) analyse des coefficients d'autocorrélation R(Tj) pour des valeurs absolues de Ti supérieures au temps de coupure inférieur Te et inférieures au temps de coupure supérieur Te', dits « coefficients supérieurs », de manière à déterminer une valeur Reon ; 20 h) traitement des coefficients d'autocorrélation R(Ti) pour des valeurs absolues de Ti inférieures au temps de coupure inférieur T, dits « coefficients inférieurs », en fonction de Reon, de manière à obtenir des coefficients d'autocorrélation corrigés R(rj)corr ; i) évaluation de ladite caractéristique de ladite cible en fonction des coefficients 25 d'autocorrélation corrigés, de préférence suivant la méthode « pulse pair ». 3066608 4 Les inventeurs ont constaté qu'un tel procédé permet d'évaluer une caractéristique d'une cible d'une façon plus simple et plus précise que les méthodes habituelles de l'état de l'art. En particulier, sans être liés par cette théorie, les inventeurs expliquent ce résultat du fait que lorsque le signal reçu Sr comporte une composante cohérente, résultant en particulier de la 5 réflexion du signal émis sur des obstacles fixes, et notamment sur le sol, Rcon est représentative de cette composante cohérente. Le procédé permet de filtrer l'effet de cette composante cohérente. Un procédé selon l'invention est ainsi particulièrement bien adapté lorsque le radar émet vers une cible proche du sol. 10 De préférence, un procédé selon l'invention présente encore une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes : - le temps de coupure inférieur Tc est choisi entre 50ms et 500ms, de préférence en fonction de la nature de la cible ; - le temps de coupure inférieur Tc est mesuré à partir d'un signal voisin du signal reçu 15 obtenu en orientant le radar vers une partie de la cible choisie de façon que le signal voisin ne contienne pas de contribution de sol ; - à l'étape f), le temps de coupure supérieur Tc' est choisi égal au temps de résidence du radar sur la cible ; - à l'étape g), Rcon est une moyenne pondérée desdits coefficients supérieurs ; 20 - les coefficients de pondération diminuent à l'approche des temps de coupure Tc et Tc' et/ou augmentent à l'approche de la moyenne de ces deux temps de coupure ; - à l'étape h), on soustrait Rcon auxdits coefficients inférieurs ; - à l'étape a), l'intervalle de temps entre deux impulsions consécutives quelconques est toujours égal au même intervalle de base ; 3066608 5 - alternativement, à l'étape a), l'intervalle de temps entre deux impulsions consécutives quelconques est choisi dans un groupe constitué par plusieurs, en particulier par deux ou trois intervalles de base ; - chaque intervalle de base est compris entre 100 ps et 5 ms ; 5 - la cible est constituée d'un ensemble de diffuseurs distribués aléatoirement dans l'espace et en mouvement à des vitesses variables selon les diffuseurs considérés ; - la cible est une couche de l'atmosphère ; - à l'étape a), les impulsions sont envoyées suivant une direction formant un angle inférieur à 5° avec un plan horizontal sur lequel repose ledit radar ; 10 - le signal émis a une longueur d'onde constante inférieure à 10 cm, notamment inférieure à 5 cm ; - le radar comporte une antenne parabolique de diamètre compris entre 2 m et 8 m ; - l'antenne du radar est fixe ou tournante ; - l'antenne tourne à une vitesse de rotation azimutale comprise entre 0,2 tours par 15 minute et 5 tours par minute ; - la vitesse de rotation de l'antenne du radar est modifiée en fonction du temps de coupure inférieur Te, de façon à ajuster le temps de résidence du radar sur la cible pour augmenter la valeur de Te'. L'invention concerne également : 20 - un programme d'ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour la mise en oeuvre d'une ou plusieurs, de préférence toutes les étapes c) à j) d'un procédé selon l'invention, lorsque ledit programme est exécuté par un ordinateur ; - un circuit électronique intégrant des fonctions réalisant une ou plusieurs, de préférence toutes les étapes c) à j), par exemple une intégration dans un circuit de 3066608 6 type, en anglais FPGA (Field Programmable Gate Array) ou DPS (Digital Signal Processing) ; - un support informatique sur lequel est enregistré un tel programme, par exemple une mémoire ou un CD-ROM. 5 L'invention a également pour objet un centre comportant un ordinateur contenant un programme d'ordinateur selon l'invention, et un radar précipitations, de préférence plusieurs radars précipitations, connecté(s) à l'ordinateur, de manière à lui transmettre des informations relatives à des signaux émis et/ou reçus par le(s) dit(s) radar(s). Le centre peut être fixe ou mobile, par exemple être un véhicule terrestre, un aéronef ou un 10 engin spatial. Définitions - Le temps de résidence d'un radar sur une cible, en anglais « dwell time », désigne le temps d'éclairement de la cible par le radar, par exemple, lorsque l'antenne du radar est tournante, le temps pendant lequel le faisceau radar passe sur la cible. 15 - On dit que les impulsions du signal radar émis se succèdent suivant un rythme régulier quand le signal radar est constitué par la répétition continue d'un motif constitué de plusieurs impulsions. - Le temps de cohérence Tcibie de la cible est classiquement l'intervalle de temps au bout duquel le coefficient d'autocorrélation d'un signal reçu de la cible est divisé par deux, par 20 rapport à sa valeur au temps nul. - On appelle classiquement « valeur complexe d'un signal » un signal ayant la forme A. exp(i(p) avec A l'amplitude du signal, cp sa phase, exp() la fonction exponentielle et i le nombre imaginaire tel que i2 = -1. Brève description des figures 25 L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, d'exemples non limitatifs de mise en oeuvre de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : 3066608 7 - la figure 1 illustre schématiquement le fonctionnement d'un radar selon l'invention ; - la figure 2 illustre des exemples d'impulsions du signal émis par le radar ; - la figure 3 illustre le spectre de puissance d'un signal reçu ; 5 - la figure 4 représente la fonction d'autocorrélation d'un signal reçu ; et - la figure 5 est un schéma bloc résumant les différentes étapes du procédé selon l'invention. Description détaillée La figure 1 illustre schématiquement l'étape a) du procédé selon l'invention où un radar 10 précipitation 10 émet vers une cible 12, en l'occurrence une précipitation atmosphérique, par exemple un nuage de pluie, de neige ou de grêle N, un signal Se constitué d'une série d'impulsions émises 14e. Deux impulsions émises consécutives quelconques sont séparées par un intervalle de base temporel choisi dans un groupe constitué d'au moins un intervalle de base constant, les impulsions se succédant de préférence suivant un rythme régulier. 15 On a représenté à la figure 2a le cas simple PRT (« Pulse Repetition Time » en anglais), l'intervalle de temps entre deux impulsions émises consécutives quelconques est toujours égal au même intervalle de base Ati. Pour le cas double PRT, représenté à la figure 2b, l'intervalle de temps entre deux impulsions consécutives quelconques est choisi dans un groupe constitué de deux intervalles de base Ati 20 et 312. Pour le cas triple PRT, représenté à la figure 2c, l'intervalle de temps entre deux impulsions consécutives quelconques est choisi dans un groupe constitué de trois intervalles de base Ati, At2 et At3. Les exemples représentés aux figures 2b et 2c illustrent des impulsions se succédant suivant 25 un rythme régulier, la série d'intervalles de base (Ati, At2) et (Ati, At2, At3) respectivement se répétant en permanence. Bien entendu, pour le cas simple PRT, les impulsions émises se succèdent également suivant un rythme régulier. 3066608 8 Chaque intervalle de base est de préférence compris entre 100 ps et 5 ms. Le signal émis Se a de préférence une longueur d'onde constante, de préférence inférieure à 10 cm, notamment inférieure à 5 cm. Le signal émis Se est de préférence envoyé suivant une direction d'émission A formant un 5 angle (3, inférieur à 15°, à 10°, de préférence inférieur à 5° avec un plan horizontal 16 sur lequel repose le radar 10. Le radar 10 comporte de préférence une antenne parabolique 18 et un émetteur 20 disposé au foyer de l'antenne. Alternativement, le radar 10 peut comporter une antenne plate, de dimensions centimétriques. 10 L'antenne 18 focalise l'énergie électromagnétique dans un faisceau 22 dont la largeur angulaire a est inversement proportionnelle au diamètre de l'antenne. Le diamètre de l'antenne est de préférence compris entre 2m pour la bande X (9 MHz, 2 = 3,3cm) et 8m pour la bande S (2,5 GHz, longueur d'onde 2 = 12cm), un diamètre de 4,5m étant bien adapté pour la bande C (5 GHz, 2 = 6cm). Ces fréquences sont imposées par la taille des objets 15 renvoyant le signal, par exemple des gouttes d'eau constituant la précipitation, et par la réglementation. La largeur angulaire a du faisceau 22 est de préférence supérieure à 0,5° et inférieure à 5°, de préférence inférieure à 3°, à 2°, mieux inférieure à 1°. La dimension horizontale et/ou verticale du champ d'observation est de préférence comprise entre 800m à 50km, mieux 20 entre 4000m et 250km. L'antenne 18 tourne à une vitesse de rotation azimutale de préférence comprise entre 0,2 tours par minute et 5 tours par minute. L'étape b) du procédé selon l'invention est aussi illustrée par les figures 1 et 3. Le radar reçoit, à un instant to, un signal reçu Sr renvoyé par les gouttes d'eau du nuage N en réponse 25 au signal émis Se. La figure 3 représente l'amplitude A de puissance du signal reçu en échelle logarithmique en fonction de la vitesse Doppler v de ce signal, normalisée par rapport à la vitesse maximale observable va. La raie étroite S à la vitesse nulle correspond sensiblement à la contribution de l'écho du sol au signal reçu. La bande large P centrée autour de la vitesse de 0,3 représente sensiblement la 3066608 9 contribution de l'écho de la cible, en l'occurrence de l'écho du nuage N. La contribution du bruit additif B est sous la forme d'un continuum. De manière connue, le signal reçu Sr est la somme de plusieurs signaux dont les temps de cohérence sont significativement différents. Plus précisément, on distingue classiquement 5 une composante cohérente, ou « partie cohérente », substantiellement constituée de l'écho des obstacles immobiles, et en particulier de l'écho de sol, et une composante incohérente ou « partie incohérente » substantiellement constituée de l'écho provenant de la cible atmosphérique. Le reste des étapes du procédé est réalisé par un ordinateur 24 en communication avec le 10 radar 10. Cet ordinateur 24 reçoit le signal reçu Sr et exécute les instructions d'un programme consistant à mettre en oeuvre les étapes de traitement c) à j) du procédé selon l'invention. A l'étape c), une série temporelle échantillonnée Sr(ti) du signal reçu est déterminée, Sr(ti) étant la valeur complexe du signal reçu Sr aux instants ti, qui sont les instants de réception 15 des impulsions reçues 14r en réponse aux impulsions émises 14e. A l'étape d), on détermine, à partir de la série temporelle Sr(ti), plusieurs coefficients d'autocorrélation R(Tj), Ti étant une durée telle qu'il existe au moins deux impulsions reçues 14r séparées par une durée égale à Ti : R(Tj) = i, 20 où * désigne le complexe conjugué, et i la moyenne arithmétique sur l'ensemble des produits (Sr(ti ) . Sr*(ti - Ti)) calculables à partir de ladite série temporelle Sr(ti). Par « calculable à partir de la série temporelle », on entend qu'on ne considère que les instants ti pour lesquels une valeur de Sr(ti) et une valeur de Sr(ti - Ti) ont été déterminées à l'étape c). 25 Ti est égal à une somme de multiples des intervalles de base séparant les impulsions du signal émis: Ti = ni.Ati + n2.312 + n3.313 + , ni, n2 et n3 étant des nombres entiers ou nuls, au moins un des coefficients ni, n2 et n3 étant strictement positif. Par exemple, pour le cas PRT simple, Ti E { Ati, 2 Ati, 3 Ati, 4 Ati, } Pour le cas double PRT, Tj E { Ati, At2, Ati+ At2, 2Ati+ At2, Ati+ 2At2, 2Ati+ 2At2, 3311+ 30 2At2, }. 3066608 10 1 REVENDICATIONS1. Procédé d'évaluation d'une caractéristique d'une cible (12), choisie de préférence parmi la vitesse, la densité et l'homogénéité de la cible (12), le procédé comprenant les étapes suivantes : a) émission, vers ladite cible (12), au moyen d'un radar (10), pendant un temps de résidence, d'un signal émis (Se) constitué d'une série d'impulsions émises (14e), deux impulsions consécutives quelconques étant séparées par un intervalle de base temporel choisi dans un groupe constitué d'au moins un intervalle de base constant (Ati, At2, At3); b) réception d'un signal reçu (Sr) renvoyé par ladite cible (12) en réponse au signal émis (Se), le signal reçu (Sr) étant constitué d'une succession d'impulsions reçues (14r), à des instants t, en réponse aux impulsions émises (14e); c) détermination d'une série temporelle échantillonnée Sr(ti) du signal reçu, Sr(ti) étant une valeur complexe du signal reçu, à l'instant t ; d) détermination, à partir de la série temporelle Sr(ti), de plusieurs coefficients d'autocorrélation R(Ti), Ti étant tel qu'il existe au moins deux impulsions du signal reçu séparées par une durée égale à Ti : R(Ti) = i, où * désigne le complexe conjugué, et i la moyenne arithmétique sur l'ensemble des produits (Sr(ti ) . Sr*(ti - Ti)) calculables à partir de ladite série temporelle ; e) détermination d'un temps de coupure inférieur Tc positif, supérieur à une estimation du temps de cohérence de la cible Tcible ; f) détermination d'un temps de coupure supérieur Tc' supérieur à Tc et inférieur ou égal au temps de résidence ; 3066608 14 g) analyse des coefficients d'autocorrélation R(Tj) pour des valeurs absolues de Ti supérieures au temps de coupure inférieur Tc et inférieures au temps de coupure supérieur Te', dits « coefficients supérieurs », de manière à déterminer une valeur Rcon; 5 h) traitement des coefficients d'autocorrélation R(Ti) pour des valeurs absolues de Ti inférieures au temps de coupure inférieur T, dits « coefficients inférieurs », en fonction de Rcoh, de manière à obtenir des coefficients d'autocorrélation corrigés R(Tj)corr; i) évaluation de ladite caractéristique de ladite cible en fonction des coefficients 10 d' autocorrélation corrigés, de préférence suivant la méthode « pulse pair ». 2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le temps de coupure inférieur Tc est choisi entre 50ms et 500ms, de préférence en fonction de la nature de la cible (12). 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le temps 15 de coupure inférieur Tc est estimé à partir d'un signal voisin du signal reçu Sr, un signal voisin étant renvoyé par la cible en réponse à un signal identique au signal émis (Se), mais suivant une direction d'émission (A') formant avec un plan horizontal (16) un angle 03') supérieur à l'angle ((3 ) que forme le signal émis (Se) avec ce plan. 4. Procédé selon l'une quelconque des deux revendications précédentes, dans lequel, à 20 l' étape g), Rcon est une moyenne pondérée desdits coefficients supérieurs. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, à l'étape h), on soustrait Rcon auxdits coefficients inférieurs : R(Ti)con = R(T1) - Rcon. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, à l'étape a), l'intervalle de temps entre deux impulsions consécutives quelconques est toujours 25 égal au même intervalle de base (Ati). 3066608 15 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel, à l'étape a), l'intervalle de temps entre deux impulsions consécutives quelconques est choisi dans un groupe constitué de deux (Ati, At2) ou trois intervalles de base (Ati, At2, At3). 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la cible 5 est une couche de l'atmosphère et/ou dans lequel, à l'étape a), les impulsions sont envoyées suivant une direction formant un angle inférieur à 5° avec un plan horizontal sur lequel repose ledit radar (10). 9. Programme d'ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour la mise en oeuvre d'une ou plusieurs, de préférence toutes les étapes c) à j) d'un procédé 10 selon l'une quelconque des revendications précédentes, lorsque ledit programme est exécuté par un ordinateur. 10. Centre comportant un ordinateur contenant un programme d'ordinateur selon la revendication précédente, et un radar précipitations (10), de préférence plusieurs radars précipitations (10), connecté(s) à l'ordinateur, de manière à lui transmettre des 15 informations relatives à des signaux émis et/ou reçus par le(s) dit(s) radar(s) (10).