FR 2932896 A1 20091225 FR 0803526 A 20080624 1 DISPOSITIF DE DETECTION DE CIBLES DANS L'ESPACE, NOTAMMENT POUR LA PROTECTION D'AERONEFS CONTRE DES MENACES AERIENNES La présente invention concerne un dispositif de détection de cibles dans l'espace, notamment pour la protection d'aéronefs contre des menaces aériennes. Les systèmes radar existant de protection contre les missiles, appelés généralement MWS selon l'expression anglo-saxonne � Missile Warning System �, travaillent habituellement en bande L. Ils équipent notamment des avions ou des drones. Ils doivent permettre de protéger un domaine 1 o angulaire autour d'un avion défini par un angle solide dépendant de la cinématique du missile adverse. Le domaine angulaire est compris typiquement entre -40° à +10° en élévation et parcourt 360° en azimut. Ces systèmes de protection sont généralement constitués de 4 à 6 antennes fixes chacune dédiée à la protection de 1/4 à 1/6 du domaine. Les antennes 15 n'effectuent pas de balayage de faisceau, en particulier pour des raisons de coût, d'encombrement mécanique et de fiabilité. Chaque antenne occupe un espace d'environ 20 centimètres de diamètre sur un avion à protéger. L'antenne peut néanmoins être circulaire ou d'une autre forme, par exemple rectangulaire 20 Pour des raisons de congestion spectrale de plus en plus importante, en particulier dans la bande L, on envisage d'augmenter la fréquence de fonctionnement de ces systèmes tout en conservant des performances identiques aux systèmes actuels. La bande S pourrait être utilisée pour atteindre ces performances. Cependant, l'équation radar montre que ce 25 changement de fréquence entraîne des pertes au niveau du bilan énergétique, notamment si l'on s'astreint à conserver le même nombre d'antennes qu'en bande L. L'équation radar, donnant la portée maximale de détection R, est la suivante : 30 Gr:G,?22a(À)T / L (1 où PE est la puissance émise, GE et GR sont respectivement les gains à l'émission et à la réception, a, est la longueur d'onde, 6(2) est la surface équivalent radar (SER) cible, fonction de la longueur d'onde, Test la période de répétition des scans ou scrutations, L représente les pertes 5 hyperfréquences. Le produit GEGR et T/L sont indépendants de la bande fréquence,- à condition toutefois de ne pas modifier la couverture angulaire des antennes, et a.2a(X) dépendent de la bande de fréquence. En bande S, la taille des antennes doit être réduite afin de conserver la 10 même couverture qu'en bande L, le gain d'antenne restant alors constant. La puissance émise étant fixe, les gains d'antennes restant constants et la période T restant également constante pour des raisons de réactivité, une partie de gain est perdue sur le bilan radar à cause du changement de fréquence. Ainsi, 7.2 dB théoriques peuvent être perdus sur le bilan radar à 15 la suite de ce changement de fréquence, qui est divisé par un facteur 2.3 dans le cas du passage de la bande L à la bande S. Il y a donc un besoin de conserver des performances identiques en terme de détection par passage d'une bande de fréquence à une autre, en rattrapant tout ou partie de cette perte de 7.2 dB sur le bilan énergétique d'un radar. 20 Un but de l'invention est notamment de permettre d'augmenter la fréquence de fonctionnement d'un radar tout en conservant une couverture angulaire donnée sans augmenter la puissance émise. A cet effet l'invention a pour objet un dispositif de détection de cibles aériennes équipant un aéronef, 25 caractérisé en ce qu'il comporte au moins : des moyens d'émission de signaux hyperfréquence ; des moyens de réception de signaux réfléchis par une cible ; des moyens de calcul ; une pluralité d'antennes disposées autour de l'aéronef et couplées 30 aux moyens d'émission et de réception, chaque antenne étant composée d'au moins un module pour l'émission couvrant un domaine angulaire donné et alimenté par les moyens d'émission et d'au moins deux modules pour la réception reliés aux moyens de réception, le faisceau d'antenne à la réception étant formé par formation de 35 faisceau par le calcul (FFC) par les moyens de calcul à partir des signaux reçus par chaque module de réception. 15 3 Une antenne comportant un nombre n de modules pour l'émission (21, 22) , elle comporte par exemple un nombre 2n de modules (23, 24, 25, 26) pourla réception. Le dispositif comporte par exemple des moyens de traitement des signaux 5 reçus pour localiser la cible, les moyens de traitement, de calcul de formation de faisceaux et la source hyperfréquence étant centralisés dans un radar. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : la figure 1, un exemple de réalisation d'une antenne dans un système de protection selon l'art antérieur ; la figure 2, un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention ; la figure 3, un exemple d'un ensemble de faisceaux, représentés par leurs vecteurs directeurs, ces faisceaux étant calculés par FFC utilisé dans un dispositif selon l'invention ; la figure 4, une présentation des faisceaux dans un plan du cosinus directeur. La figure 1 illustre un exemple d'antenne 1 d'un systèrne selon l'art antérieur, fonctionnant notamment en bande L. Un tel système comporte plusieurs antennes de ce type, 4 à 6 par exemple, comme indiqué précédemment. Ces antennes sont disposées pour assurer la couverture angulaire souhaitée, c'est-à-dire 360° en azimut et 50° en élévation par exemple. Ainsi, l'antenne 1 de la figure 1, contenue par exemple dans un disque 2 de 20 centimètres de diamètre environ, assure l'émission et la réception et couvre un domaine angulaire définit par un angle eAZ sensiblement égal à 90° en azimut et par un angle 0EL sensiblement égal à 50° en élévation. Elle est ~o reliée par une liaison 3 à une source hyperfréquence. Un tel système ne permet pas de répondre au problème lié à la congestion spectrale de plus en plus importante dans les applications de protection contre des missiles notamment. 15 La figure 2 illustre un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Plus particulièrement, la figure 2 présente un élément d'un dispositif selon l'invention. II s'agit d'une antenne pouvant être comme l'antenne de la figure 1, placée tout autour d'un avion pour la protection antimissile. Avantageusement l'invention, fonctionnant en bande S par exemple, utilise le 20 même encombrement qu'une solution en bande L selon l'art antérieur. Les composants de l'élément de la figure 2 sont situés dans un même emplacement, en revanche un certain nombre d'éléments du type de celui de la figure 2 sont placés tout autour de l'avion pour garantir la couverture. Ainsi un même disque 2, d'environ 20 centimètres de diamètre, contient au 25 moins un module d'émission 21, 22 et plusieurs modules de réception 23, 24, 25, 26, par exemple 2 à n modules de réception. Dans le mode de réalisation présenté en figure 2, le disque 2 contient deux modules d'émission 21, 22 et quatre modules de réception 23, 24, 25, 26. Dans l'antenne de la figure 2, la partie émission 21, 22 est séparée de la 30 partie réception 23, 24, 25, 26. Pour une même surface d'encombrement 2, la couverture angulaire à la réception est la même que dans le cas précédent illustré par la figure 1, grâce à une formation de faisceau par le calcul effectuée sur les modules de réception 23, 24, 25, 26. En effet, avantageusement, la formation de faisceau par le calcul (FFC) est utilisée pour former simultanément un nombre important de faisceaux à la réception permettant notamment : de couvrir un large domaine angulaire ; d'obtenir un gain d'antenne le plus important possible. Les modules d'émission 21, 22 peuvent être à faible directivité. Les modules de réception ne sont pas directifs en azimut. Ils couvrent en effet chacun le même domaine que le faisceau à l'émission. L'étroitesse du faisceau est obtenue par calcul après FFC. La couverture angulaire du dispositif, via la FFC, est toujours sensiblement égale à 50° en élévation et à 360° en azimut, pourvu que l'on dispose suffisant d'antennes du type de celle de la figure 2 autour de l'avion. Une unité d'émission et de réception 20 est par exernple située à proximité de chaque antenne. Cette unité comporte des circuits classiques d'émission et de réception. En particulier elle comporte par exemple un amplificateur de puissance 211, 221 associé à chaque module d'émission 21, 22, chaque amplificateur fournissant l'onde hyperfréquence à émettre. Un seul amplificateur de puissance pourrait cependant alimenter plusieurs modules d'émission, le choix du nombre d'amplificateur dépendant notamment des possibilités en puissance de ces derniers. La puissance fournie par chaque amplificateur est par exemple de l'ordre d'une centaine de Watts. Ces amplificateurs peuvent être réalisés à partir d'éléments semi-conducteurs tels que des transistors de puissance à effet de champs. Un ensemble 201 de canaux de réception sont associés aux modules de réception, un canal étant associé à chaque module. Ces canaux sont par exemple de type numérique, de sorte que l'ensemble 201 comporte par ailleurs les circuits d'échantillonnage et de conversion analogique-numérique, ainsi que les filtres classiques associés. Ces filtres sont analogiques ou numériques en fonction de leur situation par rapport aux circuits de conversion analogique-numérique. L'ensemble 201 peut comporter par ailleurs de amplificateurs faible bruit pour amplifier les signaux reçus. Une liaison 27 relie les amplificateurs de puissance à une source hyperfréquence centralisée. Deux solutions sont possibles. Dans une première solution, le générateur de signal est central et une liaison 27 par câble coaxial,fibre optique ou tout autre type de liaison de type � filaire � véhicule le signal hyperfréquence de bas niveau vers l'antenne, plus particulièrement vers les amplificateurs. Dans une autre solution, l'antenne dispose de son propre générateur hyperfréquence et seuls des signaux de synchronisation sont véhiculés par câble ou fibre optique ou tout autre type de liaison de type filaire. Une possibilité de synchronisation par des moyens radioélectriques sans connexion physique est aussi enviseageable. De même, la sortie de l'ensemble de canaux de réception numériques est reliée via un bus de liaison bidirectionnel 28 à une unité centrale comportant des moyens de traitement. Cette unité effectue notamment les calculs de la ~o FFC. Ces moyens de traitement, comme la source hyperfréquence peuvent être centralisés et commun à toutes les antennes et unités d'émission/réception 20 du dispositif selon l'invention. Ils peuvent être notamment inclus dans un radar ayant d'autres fonctions ou missions que la seule protection anti-missiles. Plusieurs modes de réalisation du bus de 15 liaison numérique peuvent être envisagés. Cette liaison numérique 28 peut notamment être de type filaire ou de type sans fil. Enfin une ligne d'alimentation électrique 29 fournit l'énergie électrique nécessaire aux circuits de l'unité d'émission et de réception 20 depuis une source d'énergie qui peut être centralisée elle aussi. 20 Dans l'exemple de la figure 2, l'unité d'émission et de réception 20 comporte deux amplificateurs de puissance 211, 221 et quatre canaux de réception en relation avec le nombre de modules d'émission et de réception de l'antenne. Le fait de placer les fonctions hyperfréquence d'émission et de réception, localisées dans l'unité 20, au plus près des modules 21, 22, 23, 24, 25, 26 de 25 l'antenne permet de réduire les pertes inhérentes aux liaisons entre les antennes et les fonctions hyperfréquence dans le bilan énergétique global du dispositif. Les modules d'émission et de réception peuvent être réalisés classiquement sous forme d'éléments rayonnant, que l'on pourra encore appeler � patch � 30 par la suite. La figure 3 illustre sous forme vectorielle un exemple d'ensemble de faisceaux formés numériquement à partir des quatre modules de réception de la figure 2. Les patchs de réception 23, 24, 25, 26 sont représenté dans un plan O, Y, Z, le point O étant au milieu des quatre modules, ces derniers étant placés deux par deux et en carré, et contigus par exemple. A titre d'exemple, la figure 3 présente une solution à 5 faisceaux représentés par leurs vecteurs directeurs 31, 32, 33, 34, 35. Le vecteur directeur 31 du premier faisceau est colinéaire avec l'axe X du repère O, X, Y, Z. Chaque voie de réception reçoit un signal S. Ainsi, en partant du premier patch 23 placé dans un quart de plan 30 et recevant un signal S11, les patches 25, 26, 24 disposés à la suite selon le sens trigonométrique reçoivent respectivement les signaux S21, S22, et S12. Ces amplitudes sont numérisées to et un vecteur Vs des voies de réception numériques est ainsi obtenu : 'S '\ VS = S'' (2) S,, S� Les signaux ai sont des valeurs complexes comportant une amplitude et une phase, correspondant à l'amplitude et à la phase du signal reçu. 15 Le figure 4 illustre les cinq faisceaux relatifs à la figure 3 par une vue en coupe dans un plan du cosinus directeur défini par les axe u, v défini par : - u = sin(y)cos(6) v = sin(8) 20 où yy, 8 représentent respectivement l'angle entre le vecteur directeur 33 du troisième faisceau et l'axe X et l'angle entre le vecteur directeur 35 du cinquième faisceau et l'axe X. Le premier faisceau 41 est placé au milieu des quatre autres faisceaux 42, 43, 44, 45. 25 Dans le cas de quatre sous-réseaux rayonnants, composés dans l'exemple de la figure 2 des quatre patch rayonnant 23, 24, 25, 26 à la réception, le principe de formation de faisceau par le calcul (FFC) est donné par la relation suivante, donnant l'équation permettant le calcul du faisceau d'ordre k : Sä Faisceau(k) = �[Wä (k) W,, (k) W21 (k) W22 (k)]. S12 J Vecteur poids pour le kiéme faisceau S21 Sä Vecteur des voies récepteurs numériques Cette relation montre que le k'éme faisceau, Faisceau (k), est obtenu par le produit scalaire du vecteur Vs et d'un vecteur de poids Vw correspondant à 5 ce kième faisceau : 'Wä (k) Wi2 (k) W2, (k) jW,2 (k)) Le tableau suivant donne les composantes du vecteur poids Vw pour les cinq 10 faisceaux des figures précédentes : Faisceau n° 1 2 3 4 5 7r Wä = expj 4 7r Wä = expj 4 Wä = expj 4 Wä = expj 4 Wä = 1 -1t R 1I ùlf Vecteur w 2 = 1 W, =expj 4 W,, W;, W,, =expj 4 Poids W _ 1 =expj 4 = expj 4 21 W_,=expj- W21=expjùn W,,=:expjù~ W,,=eXp- yÿ,2= 4 4 4 .l 4 Wä=expj ! Wä=expj4 W,_=expj 4 =expj L'exemple de réalisation selon l'invention illustré par la figure 2 et les figures suivantes montre, qu'après avoir séparé les fonctions d'émission et de 15 réception, l'invention utilise avantageusement le principe de formation de faisceau par le calcul pour former simultanément un nombre important de faisceaux à la réception permettant : de couvrir un large domaine angulaire ; d'obtenir un gain d'antenne plus important. (3) (4) L'exemple précédent comporte cinq faisceaux. Néanmoins, une infinité de faisceaux peut être utilisée dans la limite de la puissance de calcul disponible. L'invention présente notamment comme avantage d'augmenter le bilan radar avec un coût réduit et une bonne fiabilité, en particulier par rapport à d'autres solutions qui auraient recours à des antennes de type antennes à balayage électronique passives ou active qui coûtent très cher. L'invention permet ainsi de façon économique et fiable d'augmenter la fréquence de fonctionnement d'un radar équipé d'un système de protection anti-missiles tout en conservant une couverture angulaire donnée sans augmenter la puissance émise et donc à consommation électrique constante. L'invention s'applique notamment pour des radars aéroportés qui peuvent être équipés d'un dispositif tel que décrit précédemment, ou associé à celui-ci. Le radar aéroporté peut être porté par tous types d'aéronefs, par exemple des avions, des hélicoptères ou des drones. Le dispositif permet la protection contre des missiles ou tous autres types de menaces aériennes par leur détection dans la zone angulaire couverte par le dispositif. Une fois la détection effectuée, le radar et l'aéronef peuvent répliquer, soit par évitement, soit par contre-attaque. Dans le cas de drones, un dispositif selon l'invention permet d'assurer la fonction � voir et éviter � appelée encore � Sense & Avoid � dans la terminologie anglo-saxonne, cette fonction équipant essentiellement les drones. REVENDICATIONS1. Dispositif de détection de cibles aériennes équipant un aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte au moins : des moyens d'émission de signaux hyperfréquence (211, 221) ; des moyens de réception (201) de signaux réfléchis par une cible ; 5 des moyens de calcul ; - une pluralité d'antennes (2) disposées autour de l'aéronef et couplées aux moyens d'émission et de réception, chaque antenne étant composée d'au moins un module pour l'émission (21,22) couvrant un domaine angulaire donné et alimenté par les 10 moyens d'émission et d'au moins deux modules pour la réception (23, 24, 25, 26) reliés aux moyens de réception, le faisceau d'antenne (41, 42, 43, 44, 45) à la réception étant formé par formation de faisceau par le calcul (FFC) par les moyens de calcul à partir des signaux (S11, S12, S21, S22) reçus par chaque module de réception. 15 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une pluralité de faisceaux (41, 42, 43, 44, 45) sont simultanément formés en réception. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce que les modules d'émission et de réception sont placés à l'intérieur d'un même disque (2). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une antenne comportant un nombre n de modules pour 25 l'émission (21, 22) , elle comporte un nombre 2n de modules (23, 24, 25, 26) pour la réception. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'émission et de réception sont répartis, 30 une unité d'émission et de réception (20) étant placée à proximité de chaque antenne, ladite unité comportant au moins un amplificateur de puissance (211, 221) alimentant au moins un module pour l'émission et un ensemble (201) de canaux de réception reliés chacun à un module pour laréception, ladite unité (201) étant reliée à une source générant un signal hyperfréquence. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les canaux de réception sont de type numériques, les signaux reçus étant numérisé en entrée de l'ensemble de canaux, les signaux en sorties de canaux étant transmis par une liaison numérique (28) à une unité comportant les moyens de calcul pour la formation de faisceaux. T0 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de traitement des signaux reçus pour localiser la cible. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de 15 traitement, de calcul de formation de faisceaux et la source hyperfréquence sont centralisés dans un radar. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les antennes sont disposées autour de l'aéronef de 20 façon à couvrir un secteur angulaire de 360° en azimut. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fréquence d'émission est en bande S. 25