Brevet FR3091087A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : Procédé d'analyse d'un signal incident, dispositif et plate-forme associés [0001] La présente invention concerne un procédé d'analyse des propriétés d'un signal incident. La présente invention se rapporte aussi à un dispositif d'analyse et à une plate-forme associés. [0002] Dans le domaine de l'écoute passive très large bande des signaux radioélectriques, typiquement entre 2 GigaHertz (GHz) et 20 GHz, on cherche à obtenir la mesure simultanée de la fréquence et de la direction d'arrivée d'un signal avec un récepteur à échantillonnage temporel direct ne respectant pas le critère de Shannon, tout en minimisant la charge de calculs. Il est également souhaitable que la mesure soit robuste en cas d'erreurs entre les fréquences d'échantillonnage spécifiées et les fréquences d'échantillonnage réellement implantées. [0003] Il est, en particulier, connu du document L.-.I. Ge et al., -Simultaneous Frequency and Direction Estimation from Parallel Array Data", I EE Proc. Radar, Sonar Navig., 142(1), pp.6-10, 1995 un procédé permettant l'estimation simultanée de la fréquence et de la direction de l'arrivée de multiples sources à bande étroite. Basées sur des techniques d'invariance par rotation, les estimations conjointes sont calculées directement par un traitement de données approprié. [0004] Toutefois, La charge de calcul reste relativement importante surtout avec un grand nombre d'éléments rayonnant, et les performances sont limitées à des fréquences assez basses, rendant l'approche mal adaptée au contexte de l'écoute large bande. [0005] 11 existe donc un besoin pour un procédé d'analyse permettant d'obtenir simul- tanément la fréquence et de la direction d'arrivée d'un signal large bande avec un récepteur à échantillonnage temporel direct ne respectant pas le critère de Shannon impliquant moins de calculs et présentant une bonne robustesse. [0006] Pour cela, la présente description porte sur un procédé d'analyse des propriétés d'un signal incident par un dispositif d'analyse comportant un réseau antennairc comportant N antennes linéairement espacées, le procédé comportant une étape de réception du signal incident par les N antennes, une étape de décalage de chaque signal reçu d'une valeur de N fois le même incrément, pour obtenir des échantillons décalés, une étape de calcul de la sommation des échantillons décalés, pour obtenir un signal de sommation pour l'incrément considéré, le signal de sommation étant le produit de la valeur de l'enveloppe à la valeur de l'incrément et d'une modulation. Le procédé comporte, également, une étape d'extraction de la valeur de l'enveloppe à la valeur de l'incrément, les étapes de décalage, de calcul et d'extraction étant réitérées pour 2 plusieurs incréments. Le procédé comporte aussi une étape d'estimation d'une propriété du signal incident en utilisant les différentes valeurs de l'enveloppe extraites. [0007] Suivant des modes de réalisation particuliers, le procédé comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : [0008] - l'incrément est identique à chaque itération. [0009] - l'étape d'extraction comporte un redressement suivi d'un filtrage passe-bas pour obtenir la valeur absolue de l'enveloppe pour l'incrément. [0010] - l'enveloppe présente une succession de maxima locaux et, lors de l'étape d'estimation, il est déterminé la position du premier maximum local de l'enveloppe, la position du premier maximum local étant utilisée pour estimer la direction d'arrivée du signal incident. [0011] - l'enveloppe présente une période, la période étant l'intervalle entre deux maxima absolus successifs et dans lequel, lors de l'étape d'estimation, il est déterminé la période de l'enveloppe, la période étant utilisée pour estimer la fréquence du signal incident. [0012] La présente description décrit également un dispositif d'analyse des propriétés d'un signal incident, le dispositif d'analyse comportant un réseau antennaire comportant N antennes linéairement espacées, le dispositif d'analyse étant propre à recevoir un signal incident par les N antennes. Le dispositif d'analyse est également propre à, pour plusieurs incréments, décaler chaque signal reçu d'une valeur de N fois le même incrément, pour obtenir des échantillons décalés, calculer la sommation des échantillons décalés, pour obtenir un signal de sommation pour l'incrément considéré, le signal de sommation étant le produit de la valeur de l'enveloppe à la valeur de l'incrément et d'une modulation, et extraire la valeur de l'enveloppe à la valeur de l'incrément. Le dispositif d'analyse est aussi propre à estimer une propriété du signal incident en utilisant les différentes valeurs de l'enveloppe extraites. [0013] Suivant des modes de réalisation particuliers, le dispositif d'analyse comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : [0014] - le dispositif est un dispositif numérique. - le dispositif est un dispositif analogique. [0015] La présente description décrit également une plate-forme comportant un dispositif d'analyse d'un signal tel que précédemment décrit. [0016] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, de modes de réalisation de l'invention, donnée à titre d'exemple uniquement et en référence aux dessins qui sont : [0017] - [fig.1] figure 1, une représentation schématique d'une plate-forme comprenant un 3 dispositif d'analyse d'un signal ; [0018] - [fig.2] figure 2, une vue schématique d'un exemple de dispositif d'analyse de la figure 1 ; [0019] - [fig.3] figure 3, une représentation schématique d'une enveloppe de signal obtenu par le dispositif d'analyse, et [0020] - [fig.4] figure 4, une vue schématique d'un exemple de dispositif d'analyse de la figure 1. [0021] Une plate-forme 10 est représentée schématiquement sur la figure 1. [0022] La plate-forme 10 est, par exemple, un véhicule. [0023] Selon l'exemple proposé, la plate-forme est un aéronef. [0024] La plate-forme 10 comporte des systèmes 12 fonctionnant en temps réel assurant le fonctionnement de la plate-forme 10. [0025] Trois systèmes en temps réel 14 sont représentés sur la figure 1. [0026] Pour la suite, il est supposé qu'un des systèmes en temps réel est un dispositif d'analyse de signal 16. [0027] Le dispositif d'analyse 16 est propre à analyser les propriétés d'un signal incident. [0028] Plus précisément, le dispositif d'analyse 16 est propre à mesurant simultanément la fréquence d'un signal incident dans une plage de fréquences prédéterminée et la direction d'arrivée du même signal incident. [0029] Le dispositif d'analyse 16 est adapté pour un signal présentant une bande spectrale supérieure ou égale à 10 GigaHertz (GHz). [0030] Un signal présentant une bande spectrale supérieure ou égale à 10 GHz est considéré comme un signal large bande. [0031] Le dispositif d'analyse 16 comporte un réseau antennaire 18, des voies de traitement 20, un circuit de calcul 22 et un calculateur 24. [0032] Le réseau antennaire 18 est un réseau linéaire. [0033] Le réseau antennaire 18 comporte N antennes 26. [0034] N est un nombre entier, notamment un nombre entier supérieur ou égal à 10. [0035] Chaque antenne 26 est repérée par un indice n. [0036] L'indice n est un entier compris entre 0 et N-1. [0037] Les antennes 26 sont régulièrement espacées d'un espacement noté a. [0038] Sur la figure 2, de manière schématique, na désigne la position de la (n-F1)-ème antenne 26 avec par convention une origine des distances située sur l'antenne 16 plus à gauche du réseau antennaire 18. [0039] Chaque antenne 26 est reliée à une voie de traitement 10 spécifique. [0040] Chaque voie de traitement 20 est repérée par le même indice n que l'antenne 26 à laquelle la voie de traitement 20 est reliée. [0041] Chaque voie de traitement 20 comporte M jeux de lignes à retard 28 successifs, chaque jeux de lignes à retard 28 étant relié par un point de prélèvement 30 de sorte que chaque voie de traitement 20 comporte M voies de prélèvement 30. [0042] Le premier jeu de lignes à retard 28 situé derrière les voies de traitement 20 présente une augmentation affine avec l'indice de la voie de traitement 20 du retard introduit par incrément d'une quantité 6 1- . [0043] M est un nombre entier strictement supérieur à 1. [0044] Le circuit de calcul 22 comporte M sommatcurs 34 suivi chacun d'un redresseur 36 et un filtre passe-bas 38. [0045] Le Hème sommateur 34 est propre à effectuer la somme des signaux prélevés sur chaque i-ième point de prélèvement 30 d'une voie de traitement 20. [0046] Le calculateur 24 est propre à obtenir les signaux en sortie de chaque filtre passe-bas 38 pour estimer la direction d'arrivée et la fréquence du signal incident. [0047] Le fonctionnement du dispositif 16 est maintenant décrit en référence à un exemple de mise en oeuvre d'un procédé d'analyse des propriétés d'un signal incident. [0048] Le procédé comporte une étape de réception, une étape de décalage, une étape de calcul et une étape d'estimation. [0049] Il est supposé qu'une source émet un signal à fréquence supposée fixe pendant un temps d'analyse. [0050] Lors de l'étape de réception, chaque antenne 26 reçoit un signal. [0051] Le signal réel reçu sur la n-ièmc antenne, s'écrit, avec une amplitude S : [0052] S ' = S COS [ cot+knasin e +00] [0053] Avec [0054] -+q est une phase quelconque, [0055] -AO désigne l'angle d'arrivée du signal, [0056] -Aoi désigne la pulsation du signal liée à sa fréquence v via la relation co=2nv, et [0057] - k désigne le nombre d'onde lié à la longueur d'onde X via la relation k = 2 n . À [0058] Lors de l'étape de décalage, chaque signal est décalé d'une valeur de n fois le même incrément. [0059] Autrement formulé, le décalage ou le retard augmente linéairement avec l'indice de la voie. [0060] 11 vient ainsi que l'échantillon de la n-ième voie s'exprime comme : [0061] sT,(t-r0-n.Ôr ) _.;cos [w(t--ro-n45-r)+knasin 0 +0 100621 où -ro désigne une valeur initiale de retard et ô T l'incrément. 100631 A l'issue de l'étape de décalage, il est obtenu des échantillons décalés sur chacune des N voies, le décalage étant spécifique de l'indice de la voie. 100641 Lors de l'étape de calcul, il est effectué une sommation de chacun des échantillons décalés à l'aide du sommateur. 11 est ainsi obtenu : [0065] z(t;6r)=1: s'(t-r(j-n6r) = [0066] En tenant compte de la relationk CÀ) 27-r et en posant l'amplitude S=1, il = c - À vient après calcul : [0067] sin N (cé r - a sin e ) z (I; r )= sin [e(c5r -asin 0 )1 .cos Ew-F t01-wro Niltoôr1 ._ [0068] Où0100 + (N 1 2 ' ka sin 9 - [0069] Il apparaît que le signal de sommation z(t ; ô r) est le produit d'une valeur d'une enveloppe Z à la valeur de l'incrément ô Ir *et d'une modulation M(t ; ô T ) . [0070] L'enveloppe Z est un noyau de Dirichlet dont l'expression à la valeur de l'incrément T est donnée par : [0071] sin [ AT c5 T - a sin 0 ) Z(ôr)- sin [À (car-asin0)] [0072] La modulation M(t ;45 r) est une modulation de type sinusoïdale pouvant s'écrire comme : [0073] t;6r) = cos [wt +01-wro--N-ito6r] [0074] A l'issue de l'étape de calcul, il est ainsi obtenu un signal de somm. tion. [0075] Lors de l'étape d'extraction, il est extrait la valeur de l'enveloppe Z pour l'incrément 1- AA [0076] Cela signifie que la modulation M (r, b r ) est éliminée [0077] Dans l'implémentation analogique de la figure 2, l'extraction est effectuée par une opération de redressement suivie d'une opération de filtrage passe-bas. [0078] Il est ainsi obtenu la valeur absolue de l'enveloppe Z pour l'incrément Ô T 4e, [0079] Les étapes de décalage, de calcul et d'extraction sont ensuite réitérées pour plusieurs incréments. [0080] Selon l'exemple de la figure 2, M valeurs d'une enveloppe Z sont ainsi obtenues, d'abord Z(.:5 T ), puis Z(2* 6 r) et ainsi de suite jusqu'à Z(M* ô T ), [0081] Lors de l'étape d'estimation, il est estimé au moins une propriété du signal incident. Dans l'exemple décrit, les propriétés sont la fréquence et la direction d'arrivée du signal incident. [0082] Chaque propriété est obtenue par analyse de l'enveloppe. [0083] Pour cela, il est utilisé le fait que l'enveloppe présente une suite de maxima locaux périodiques. [0084] Pour mieux comprendre comment les propriétés visées sont obtenues, il convient de se référer à la figure 3. [0085] La figure 3 est un graphe présentant l'évolution de l'enveloppe Z en fonction de 6 l'incrément noté r pour une valeur de e = 15°. À = 3 cm et N = 20. [0086] La largeur des maxima locaux est donnée par T 2).' (soit Jt à 3dB) et la pé- C Ar C riodicité des maxima locaux est À AT = . [0087] Une mesure de l'espacement entre les maxima locaux de l'enveloppe Z permet une A A mesure À de la longueur d'onde du signal reçu via = CAT. [0088] Cela permet ainsi d'obtenir la fréquence du signal incident. [0089] Par ailleurs, la position du premier maximum de l'enveloppe Z peut fournir une mesure de l'angle puisque les maxima locaux sont obtenus aux points Z a sin e = C modulo M. sous réserve que l'ambiguïté AT soit supérieure à l'intervalle de valeurs de attendues pour une plage d'angles [0',i, @mal [0090] Cette condition correspond au fait que l'espacement a du réseau d'antennes vérifie a