Brevet FR3125601A1 — publié le 20230127

Procédé d’analyse de signaux interceptés par un système de réception électromagnétique et système associé Ce procédé (100) est réalisé dans un système de réception électromagnétique comportant un calculateur et plusieurs capteurs distants les uns des autres, chaque capteur comportant une antenne et une voie de réception. Le procédé consiste à : acquérir (105), pour chaque capteur, les échantillons d’un signal de mesure sur un intervalle d’observation à partir des signaux reçus du capteur ; estimer (110) la localisation de la source d’un signal d’intérêt intercepté par les capteurs par TDOA et/ou FDOA ; estimer (120) les gains incluant les gains propres à chaque capteur et les pertes et les déphasages dus à la propagation dans l’atmosphère ; appliquer un test (130) permettant de déterminer si le signal d’intérêt intercepté par les capteurs est mélangé sur au moins une voie de réception avec un autre signal ; et, dans le cas où le signal d’intérêt est reçu sans mélange, estimer (142) le signal d’intérêt. Figure pour l'abrégé : figure 2 Procédé d’analyse de signaux interceptés par un système de réception électromagnétique et système associé La présente invention est relative au domaine des procédés d’analyse des signaux électromagnétiques interceptés dans l’environnement, et plus particulièrement aux procédés d’analyse d’un signal d’intérêt, émis par une source fixe au sol, intercepté par un récepteur composé d’au moins trois capteurs distants les uns des autres, afin de localiser ladite source. Les capteurs forment une configuration permettant au récepteur de réaliser une fonction de localisation de sources par différence de temps d’arrivée (Time Difference Of Arrival ou TDOA en anglais) et/ou par différence de fréquence (Frequence Difference Of Arrival ou FDOA en anglais). Chaque capteur comporte une antenne et une voie de réception associée à cette antenne. De manière générale, on distingue deux grandes classes de fonction de localisation par TDOA et/ou FDOA : d’une part, les fonctions dites décentralisées, qui consistent à calculer des paramètres intermédiaires localement sur chaque capteur, puis à estimer la localisation de la source sur un calculateur centralisé ; et d’autre part, les fonctions centralisées, qui consistent à estimer la localisation de la source directement sur un calculateur centralisé à partir des signaux délivrés par chaque voie de réception et transmis à un calculateur centralisé. On considère ici une architecture centralisée. Chaque capteur perçoit le signal d’intérêt avec un retard et éventuellement un décalage doppler qui lui est propre. De plus, bien que cela n’empêche pas la mise en œuvre de la fonction de localisation par TDOA et/ou FDOA, le passage du signal d’intérêt à travers un capteur se traduit par un gain complexe sur le signal brut. Ce gain est propre à chaque capteur, puisque les différents capteurs ne sont pas calibrés. Enfin, l’obtention du signal passe par une démodulation. Par ailleurs, l’analyse du signal d’intérêt est affectée par deux types d’imperfection : premièrement, le signal d’intérêt est entaché d’un bruit thermique additif indépendant de capteur à capteur ; deuxièmement, le signal d’intérêt peut être mélangé avec un autre signal, ou avec plusieurs autres signaux. Ces autres signaux peuvent être présents sur une seule voie de réception, sur plusieurs d’entre elles, voire sur toutes les voies de réception, par exemple s’il s’agit de signaux continus. Ces autres signaux peuvent eux-mêmes être des signaux d’intérêt, mais ils constituent une gêne vis-à-vis du signal d’intérêt en cours d’analyse. Cependant, les méthodes connues ne font pas de distinction entre une situation dans laquelle le signal d’intérêt n’est pas mélangé et une situation dans laquelle le signal d’intérêt est mélangé. De plus, ces méthodes connues ne traitent pas du filtrage spatial de signaux reçus par des capteurs distants et non calibrés. Le but de cette invention est de résoudre ces différents problèmes. Pour cela l’invention a pour objet un procédé d’analyse de signaux interceptés par un système de réception électromagnétique comportant un central de calcul et au moins trois capteurs distants les uns des autres, chaque capteur comportant au moins une antenne et une voie de réception et transmettant les signaux obtenus en sortie de la voie de réception vers le central de calcul, caractérisé en ce que ledit procédé d’analyse, qui est mis en œuvre par le central de calcul (20), comporte les étapes consistant à : acquérir, pour chaque capteur, les échantillons d’un signal de mesure sur un intervalle d’observation à partir des signaux reçus dudit capteur ; estimer la localisation de la source d’un signal d’intérêt intercepté par les capteurs par différence de temps d’arrivée (Time Difference Of Arrival ou TDOA en anglais) et/ou par différence de fréquence (Frequence Difference Of Arrival ou FDOA en anglais) ; estimer les gains incluant les gains propres à chaque capteur et les pertes et les déphasages dus à la propagation dans l’atmosphère, appliquer un test permettant de déterminer si le signal d’intérêt intercepté par les capteurs est mélangé sur au moins une voie de réception avec un autre signal ; et, dans le cas où le signal d’intérêt est reçu sans mélange, estimer le signal d’intérêt en réalisant une fusion des voies de réception. Suivant des modes particuliers de réalisation, le procédé comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - l’étape consistant à estimer le signal d’intérêt consiste à filtrer les vecteurs des échantillons du signal de mesure associés à chaque capteur par le vecteur des gains estimé pour chaque capteur selon l’équation ; - l’étape consistant à estimer le vecteur des gains consiste à calculer le vecteur propre associé à la valeur propre principale de la matrice d’ambiguïté estimée ; - la matrice d’ambiguïté est estimée par la matrice dont les éléments sont définis par : expression dans laquelle et sont deux entiers entre 1 et permettant d’indicer les capteurs, le système de réception électromagnétique comportant capteurs, étant supérieur ou égal à trois ; est le vecteur des échantillons du signal de mesure associés au capteur d’indice ; est le vecteur des échantillons du signal de mesure associés au capteur d’indice ; est l’estimée de la matrice de transfert entre le signal émis par la source et le signal mesuré, via le capteur d’indice , pour la position estimée ; et est l’estimée de la matrice de transfert entre le signal émis par la source et le signal mesuré, via le capteur d’indice , pour la position estimée ; - la localisation est obtenue en maximisant sur la valeur propre maximum de la matrice d’ambiguïté ; - l’étape consistant à appliquer un test consiste à comparer à un seuil la quantité : quantité dans laquelle est ladite plus grande valeur propre de la matrice ; est un entier entre 1 et permettant d’indicer les capteurs, le système de réception électromagnétique comportant capteurs, étant supérieur ou égal à trois ; et est le vecteur des échantillons du signal de mesure associés au capteur d’indice , si ladite quantité est supérieure ou égale audit seuil, le signal d’intérêt est parasité par un autre signal sur au moins une des voies de réception et l’estimation de la localisation de la source n’est pas validée ; et si ladite quantité est inférieure audit seuil, le signal d’intérêt n’est pas parasité et l’estimation de la localisation de la source est validée ; - le central de calcul effectue, pour chaque capteur, une démodulation desdits signaux ; - les signaux sont démodulés sur chaque capteur, les oscillateurs locaux embarqués sur chaque capteur étant recalés en temps et en fréquence ; L’invention a également pour objet un système de réception électromagnétique comportant un central de calcul et au moins trois capteurs distants les uns des autres, chaque capteur comportant au moins une antenne et une voie de réception et transmettant des signaux obtenus en sortie de la voie de réception vers le central de calcul, caractérisé en ce que ledit central de calcul est programmé pour mettre en œuvre le procédé précédent. L’invention a également pour objet un produit programme d’ordinateur comportant des instructions qui, lorsqu’elles sont exécutées par un calculateur, permettent la mise en œuvre du procédé précédent. L’invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui va suivre d’un mode de réalisation particuliers, donné uniquement à titre d’exemple non limitatif, cette description étant faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : La est une représentation schématique du récepteur pour la mise en œuvre du procédé d’analyse en vue de la localisation d’une source émettrice d’un signal intercepté ; la est une représentation sous forme de blocs d’un premier mode de réalisation du procédé selon l’invention ; et, Sur la , est représentée une source S 0 fixe, sur le sol. Un point à la surface du sol est identifié par une paire de coordonnées, . La source est localisée au point . La source S 0 émet un signal d’intérêt , qui est une fonction du temps . Un système de réception électromagnétique 15 est constitué d’une constellation 10 de capteurs et d’un central de calcul 20. Un capteur appartenant à la constellation 10 est repéré par un indice entier, , entre 1 et P. Dans le mode de réalisation de la , P est égal à trois. Pour des raisons de clarté de la description, chaque capteur de la constellation 10 intègre une antenne et une voie de réception. Par conséquent, antenne et voie de réception seront repérées par l’indice du capteur auquel elles sont associées. On parlera indifféremment du capteur ou de la voie de réception correspondante. Les capteurs sont supposés synchronisés temporellement. En variante, les capteurs sont mobiles, mais de trajectoires connues, de sorte que leurs positions par rapport au sol sont connues à chaque instant. En variante, ils sont fixes par rapport au sol et de positions connues. Le central de calcul 20 est propre à recevoir de chacun des capteurs de la constellation soit le signal en sortie de la voie de réception (qui sera ensuite démodulé par un oscillateur commun du central de calcul pour obtenir un signal mesuré - premier mode de réalisation), soit le signal démodulé en sortie de la voie de réception (la démodulation ayant été faite au moyen d’un oscillateur local embarqué par le capteur , les oscillateurs locaux étant recalés sur la même fréquence – seconde mode de réalisation). Le central de calcul 20 est un ordinateur qui comporte un moyen de calcul, tel qu’un processeur, et un moyen de mémorisation, tel qu’une mémoire vive et une mémoire morte. Le moyen de mémorisation stocke les instructions de programmes d’ordinateur, qui, lorsqu’elles sont exécutées par le moyen de calcul, permettent la mise en œuvre des fonctionnalités correspondantes. Parmi ces programmes d’ordinateur, le central de calcul 20 comporte un programme d’analyse dont l’exécution permet la mise en œuvre du procédé d’analyse selon l’invention. MODE DE REALISATION Un premier mode de réalisation du procédé d’analyse selon l’invention va être décrit en référence à la . Le signal d’intérêt est intercepté par chaque capteur , qui le transmet au central d’analyse 20. Le procédé d’analyse 100 débute par une étape 105 d’acquisition des signaux délivrés par chacune des voies de réception des capteurs pendant un intervalle de temps de durée centré sur . Sur cet intervalle temporel d’observation, de durée centré sur , les signaux sont d’abord démodulés, avec une fréquence (fournie par un oscillateur commun), proche de leur fréquence centrale, puis les signaux sont échantillonnés. Les étapes suivantes du procédé sont fondées sur la modélisation suivante. En utilisant le fait que est négligeable devant l’inverse de la bande du signal d’intérêt et que les signaux des capteurs sont démodulés par la même fréquence , on peut modéliser la transformation du signal entre l’émission et la réception sur le capteur d’indice , par la transformation : Où est le délai de propagation du signal entre la source S 0 et le capteur : ; où est la distance de la source au capteur à l’instant ; où est le décalage Doppler du signal entre la source et le capteur : ; où est la vitesse de déplacement radiale de la source par rapport au capteur à l’instant ; où est la vitesse de la lumière ; et où est une phase qu’on ne cherchera pas à expliciter. Sans perte de généralité, on impose que , ce qui revient à redéfinir les délais de propagation sans prendre en compte le délai de propagation commun entre la source et le barycentre des capteurs. De même, on suppose que . Outre les effets du retard modélisés par la transformation précédente, le signal mesuré associé au capteur résulte des transformations dues : - à la propagation ionosphérique entre la source et le capteur considéré ; - au gain du capteur considéré. Ces différentes transformations peuvent être modélisées par la multiplication par un scalaire complexe constant sur l’intervalle d’observation, prenant en compte le gain de l’antenne ainsi que la propagation ionosphérique entre la source et le capteur considéré. En intégrant la phase dans la phase de , la transformation entre l’émission et la réception peut être modélisée par: A cause de l’échantillonnage temporel, les opérateurs prennent la forme de matrices notées . La matrice est la matrice de transfert entre le signal émis par la source et le signal mesuré, via le capteur d’indice . Une matrice peut par exemple s’écrire sous la forme : Où , où désigne le vecteur , Et où , Et où . Et où est le nombre d’échantillons prélevés, Et où dénote l’opérateur transposé conjugué. Si on appelle le vecteur des échantillons du signal d’intérêt provenant de la source pendant l’intervalle d’observation, et le vecteur de échantillons du signal mesuré associé au capteur , et en prenant en compte le bruit thermique du capteur , la transformation s’écrit : Où les sont des échantillons indépendants d’une variable aléatoire vectorielle, gaussienne, complexe, centrée, et de covariance supposée connue et égale à (où est la matrice identité de taille ). Puisque les paramètres et de l’équation (1) ne sont pas observables séparément, on peut imposer la contrainte : Les paramètres inconnus du modèle sont par conséquent les , la localisation de la source, et le signal échantillonné. Le procédé d’analyse 100 se poursuit avec une étape 110 de localisation de la source, une étape 120 d’estimation des gains, un étape 130 d’application d’un test monosource / multisources permettant de valider la localisation de la source, et, dans la situation monosource, une étape 140 d’estimation du signal d’intérêt. L’étape 110 consiste à estimer la position de la source, puis à mémoriser les différences de retards entre les capteurs et les décalages doppler entre les capteurs correspondant à la position estimée de la source. Si on fait l’hypothèse que les échantillons du signal mesuré correspondent à une seule source, l’estimation de la position de cette source et du signal consiste à minimiser l’écart sur les paramètres inconnus, sous la contrainte qui relie les , écart dans lequel est défini par : , et où est défini par : . Dès lors que le support du signal d’intérêt est petit par rapport à la durée de l’intervalle d’observation et que les retards sont faibles par rapport à la durée de l’intervalle d’observation, alors on peut considérer que les matrices sont unitaires : l’inverse de la matrice est donc égale à sa transposée conjuguée : . Compte tenu des hypothèses faites, on peut montrer que le maximum de vraisemblance consiste alors à minimiser une grandeur définie comme : , où est le paramètre de Lagrange. L’estimée du signal au sens du maximum de vraisemblance est alors , où est l’estimée de . L’estimée de peut être obtenue au sens du maximum de vraisemblance, en recherchant : où est le vecteur de dimension : ; où est la matrice d’ambiguïté d’élément : . Cette équation montre que, à fixé, est vecteur propre de , associé à la plus grande valeur propre de la matrice . Incidemment, l’estimée d’une grandeur , est notée . L’étape 110 consiste par exemple à estimer la position de la source, ( , au sens du maximum du vraisemblance, en prenant pour ( la paire de coordonnées qui maximise la plus grande valeur propre de sur le domaine considéré, ou à estimer la position ( à l’aide de toute autre méthode d’estimation par TDOA/FDOA de l’état de l’art. L’étape 121 suivante consiste à calculer, pour ladite localisation, les retards et les décalages en fréquence et à former la matrice , obtenue en concaténant les matrices . Elle consiste enfin à construire les vecteurs , qui sont les échantillons des signaux, corrigés du retard et/ou du décalage en Doppler calculés théoriquement pour une source au point . Pour , le vecteur est de taille et est obtenu par : Où est le vecteur de taille représentant échantillons de signal démodulé reçu du capteur . Le procédé 100 passe à l’étape 122 consistant à estimer la matrice d’ambiguïté . est la matrice de taille dont chaque élément vaut : Ce qui s’écrit aussi : Puis, l’étape 123 consiste à diagonaliser la matrice , puis à extraire la plus grande valeur propre de la matrice , et le vecteur propre associé à cette valeur propre . Le vecteur regroupe ainsi les estimés des . Le procédé 100 passe ensuite à l’étape de test 130 consistant à mettre en œuvre un test pour s’assurer, avec une probabilité d’erreur maîtrisée, que l’on se trouve dans le cas de l’interception d’un signal provenant d’une seule source. Il se peut en effet que deux (ou plus) sources non-colocalisées émettent des signaux complètement ou partiellement mélangés en temps et en fréquence au niveau des capteurs. Il faut donc définir un test permettant de discriminer entre une situation monosource et une situation multisources avant d’effectuer la fusion des voies de réception proprement dites. L’étape 130 consiste ainsi à effectuer un test de décision à deux hypothèses dont le critère consiste à maximiser la probabilité de décider « multisources » en présence d’une situation multisources sous la contrainte de maîtriser la probabilité de décider « multisources » alors qu’on est dans une situation monosource. L’hypothèse correspond à la situation monosource. Dans cette hypothèse les échantillons de mesure sont modélisés à l’aide suivante (reprise de l’équation (1)) : L’hypothèse correspond à la situation multisources. Dans l’hypothèse , toute liberté est laissée aux signaux. L’hypothèse correspond au modèle suivant : Dans l’hypothèse , en l’absence de bruit, la matrice est égale à et le vecteur propre principal de la matrice est associé à la valeur propre : . S’appuyant sur cette remarque, le test consiste à comparer, par rapport à un seuil , la différence entre, d’une part, la somme sur l’ensemble des voies de réception, de la puissance totale des signaux , et d’autre part, la valeur propre maximale : (4) Où : On peut montrer que l’expression à seuiller suit une loi du chi2 à degrés de liberté. Cette densité est indépendante des gains des capteurs, du signal d’intérêt, de la localisation de la source. Le seuil est donc déterminé hors ligne à l’aide d’une table du chi2 pour une probabilité d’erreur fixée , et degrés de liberté. Si , l’hypothèse est retenue : il y a présence d’un autre signal émis par une autre source qui gêne l’analyse du signal d’intérêt sur au moins une des voies de réception. Si , l’hypothèse est retenue : Il y a absence de parasitage du signal d’intérêt et la localisation de la source obtenue à l’issue de l’étape 110 est validée. Enfin, uniquement lorsque l’hypothèse a été acceptée, le procédé 100 passe à l’étape 140 consistant à l’étape 142 à valider la localisation estimée de la source et à l’étape 144 à calculer une estimation du signal . Pour ce faire est réalisé un filtrage des vecteurs (correspondant aux échantillons mesurés et corrigés du retard et du décalage Doppler) par le vecteur : (5) où désigne l’opérateur ‘conjugué de’, pour un scalaire. Cette dernière étape permet de fusionner les voies de réception en formant une seule voie bénéficiant d’un gain spatial cohérent par rapport aux voies de réception élémentaires. Si la puissance du signal reçu est équivalente sur les voies de réception, le gain en puissance est de . AVANTAGES Ainsi, à l’issue de la mise en œuvre du procédé d’analyse présenté ci-dessus, on dispose d’une localisation fine de la source et d’une estimation du signal d’intérêt. La mise en œuvre du procédé facilite l’analyse aval du signal d’intérêt (extraction des paramètres tels que la fréquence, la date de début d’impulsion, la date de fin d’impulsion, la durée d’impulsion, la modulation, etc.) puisque la voie formée par fusion des voies de réception élémentaires bénéficie d’un gain spatial cohérent par rapport aux voies élémentaires. Le procédé d’analyse ne nécessite pas de calibrer le réseau de capteurs, puisqu’il permet d’estimer les gains des différents capteurs, lesdits gains incluant l’atténuation et le déphasage induits par la propagation dans l’atmosphère. L’homme du métier constatera que ce procédé d’analyse ne fait aucune hypothèse sur la modulation des signaux interceptés, supposée inconnue. La seule exigence sur les signaux est qu’ils soient à bande non nulle. Ce procédé d’analyse utilise toutes les mesures disponibles, c’est-à-dire toutes les paires de voies de réception, sans privilégier un capteur particulier, ce qui pourrait être problématique si la qualité de la réception était moins bonne sur le capteur privilégié. Procédé d’analyse (100) de signaux interceptés par un système de réception électromagnétique (15) comportant un central de calcul (20) et au moins trois capteurs (1, 2, 3) distants les uns des autres, chaque capteur comportant au moins une antenne et une voie de réception et transmettant les signaux obtenus en sortie de la voie de réception vers le central de calcul, caractérisé en ce que ledit procédé d’analyse, qui est mis en œuvre par le central de calcul (20), comporte les étapes consistant à : - acquérir (105), pour chaque capteur, les échantillons d’un signal de mesure sur un intervalle d’observation à partir des signaux reçus dudit capteur ; - estimer (110) la localisation de la source d’un signal d’intérêt intercepté par les capteurs par TDOA et/ou FDOA ; - estimer (120) les gains incluant les gains propres à chaque capteur et les pertes et les déphasages dus à la propagation dans l’atmosphère ; - appliquer un test (130) permettant de déterminer si le signal d’intérêt intercepté par les capteurs est mélangé sur au moins une voie de réception avec un autre signal ; et, dans le cas où le signal d’intérêt est reçu sans mélange, estimer (142) le signal d’intérêt en réalisant une fusion des voies de réception. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape consistant à estimer (144) le signal d’intérêt consiste à filtrer les vecteurs des échantillons du signal de mesure associés à chaque capteur par le vecteur des gains estimé pour chaque capteur selon l’équation . Procédé selon la revendication 1 selon lequel l’étape consistant à estimer (123) le vecteur des gains consiste à calculer le vecteur propre associé à la valeur propre principale de la matrice d’ambiguïté estimée . Procédé selon la revendication 1, dans lequel la matrice d’ambiguïté est estimée par la matrice dont les éléments sont définis par : expression dans laquelle et sont deux entiers entre 1 et permettant d’indicer les capteurs, le système de réception électromagnétique (15) comportant capteurs, étant supérieur ou égal à trois ; est le vecteur des échantillons du signal de mesure associés au capteur d’indice ; est le vecteur des échantillons du signal de mesure associés au capteur d’indice ; est l’estimée de la matrice de transfert entre le signal émis par la source et le signal mesuré, via le capteur d’indice , pour la position estimée ; et est l’estimée de la matrice de transfert entre le signal émis par la source et le signal mesuré, via le capteur d’indice , pour la position estimée. Procédé selon la revendication 1, selon laquelle la localisation est obtenue en maximisant sur la valeur propre maximum de la matrice d’ambiguïté. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape (130) consistant à appliquer un test consiste à comparer à un seuil la quantité : quantité dans laquelle est ladite plus grande valeur propre de la matrice ; est un entier entre 1 et permettant d’indicer les capteurs, le système de réception électromagnétique (15) comportant capteurs, étant supérieur ou égal à trois ; et est le vecteur des échantillons du signal de mesure associés au capteur d’indice , si ladite quantité est supérieure ou égale audit seuil, le signal d’intérêt est parasité par un autre signal sur au moins une des voies de réception et l’estimation de la localisation de la source n’est pas validée ; et si ladite quantité est inférieure audit seuil, le signal d’intérêt n’est pas parasité et l’estimation de la localisation de la source est validée. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1, dans lequel le central de calcul (20) effectue, pour chaque capteur, une démodulation desdits signaux. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1, dans lequel les signaux sont démodulés sur chaque capteur, les oscillateurs locaux embarqués sur chaque capteur étant recalés en temps et en fréquence. Système de réception électromagnétique (15) comportant un central de calcul (20) et au moins trois capteurs (1, 2, 3) distants les uns des autres, chaque capteur comportant au moins une antenne et une voie de réception et transmettant des signaux obtenus en sortie de la voie de réception vers le central de calcul, caractérisé en ce que ledit central de calcul est programmé pour mettre en œuvre un procédé d’analyse conforme à l’une quelconque des revendications 1 à 8. Produit programme d’ordinateur, comportant des instructions qui, lorsqu’elles sont exécutées par un calculateur, permettent la mise en œuvre d’un procédé d’analyse conforme à l’une quelconque des revendications 1 à 8.