FR2463938A1 - Radar doppler pour detecter et localiser les helicopteres - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LA DETECTION ET LA LOCALISATION PAR RADAR DE CIBLES PARTICULIERES COMME LES HELICOPTERES. IL EST PREVU, SELON L'INVENTION, D'UTILISER DEUX CRITERES DE RECONNAISSANCE DES HELICOPTERES, A SAVOIR: L'EXISTENCE D'UNE MODULATION D'AMPLITUDE PROFONDE DU SIGNAL RECU ET LA LARGEUR DU SPECTRE DE FREQUENCES DOPPLER. L'INVENTION PEUT S'APPLIQUER A LA SURVEILLANCE DE ZONES.

Description

La présente invention se rapporte à un système radar propre à assurer la

détection et la localisation d'objectifs déterminés, tels des hélicoptères, même dans le cas o ceux-ci sont masqués par la végétation. On est souvent confronté dans certaines applications des radars, notamment de surveillance, au problème de la détection et de

la localisation d'objectifs d'un type déterminé. Dans le cas des héli-

coptères, le problème est souvent compliqué par le fait que d'une part

ils peuvent rester en vol stationnaire et que d'autre part leur mania-

bilité leur permet de se dissimuler derrière un écran de végétation.

La détection, par un système radar, d'objectifs masqués par un écran

de végétation ne peut se faire qu'à l'aide de longueurs d'onde relati-

vement élevées. Or, l'emploi de grandes longueurs d'onde implique une résolution angulaire médiocre. La précision de localisation d'un objectif peut être augmentée par des techniques bien connues dites "à faisceaux simultanés", (ou encore "monopulse" dans la littérature

anglo-saxonne),mais ces techniques n'améliorent cependant pas la réso-

lution, c'est-à-dire la capacité du radar à séparer deux objectifs proches. En d'autres termes, pour que la localisation par un radar du type "monopulse" soit correcte, il faut qu'il n'y ait qu'un seul écho dans la cellule de résolution. Cette cellule de résolution peut être réduite en distance par l'utilisation de la compression d'impulsion, et la localisation peut être améliorée par élimination de tous les échos indésirables, c'est-à-dire ceux provenant d'autres-objectifs que

les hélicoptères.

Un objet de la présente invention est un système radar

capable de détecter et de localiser les échos en provenance d'héli-

coptères. Un autre objet de l'invention est un système radar capable

de détecter et de localiser les échos d'hélicoptères même lorsque ceux-

ci sont masqués par un écran de végétation.

L'identification des échos d'hélicoptères est basée sur la reconnaissance de certaines caractéristiques du signal reçu. Le signal

d'écho d'un hélicoptère en vol stationnaire est essentiellement carac-

térisé par l'existence d'une modulation d'amplitude profonde et pério-

dique donnant un spectre de raies étendu. La fréquence de cette modulation d'amplitude est supérieure à quinze hertz pour tous les types d'hélicoptère. Ces caractéristiques du signal d'écho des hélicoptères sont dues aux pales du rotor et sont utilisées, selon la

présente invention, comme critères de reconnaissance des hélicoptères.

Selon une caractéristique de la présente invention, des moyens sont prévus pour éliminer les échos dont le taux de modulation en amplitude est inférieur à un seuil donné. Selon une autre caractéristique de l'invention, des moyens sont prévus pour éliminer les échos dont la largeur spectrale est

inférieure à une valeur prédéterminée.

D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente

invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description

suivante d'exemples de réalisation particuliers de l'invention, ladite

description étant faite à titre purement illustratif et en relation

avec les dessins joints dans lesquels: - la figure I est un diagramme général de radar en accord avec les principes de la présente invention;

- la figure 2 montre une première variante de réalisation d'un sélec-

teur de surveillance; - la figure 3 montre différentes courbes permettant d'expliquer le fonctionnement du sélecteur de la figure 2; et - les figures 4, 5 et 6 montrent d'autres variantes de sélecteur de surveillance et/ou de mesure mettant en oeuvre les principes de la

présente invention.

La figure I montre de manière schématique un système radar qui, mettant en oeuvre les principes de la présente invention, est prévu pour détecter et localiser les hélicoptères. Le radar décrit est du type "monopulse" à fréquence d'émission basse et à compression d'impulsion par codage de phase. Le récepteur fonctionne en alternat sur les voies somme et différence et il est couplé aux antennes I et 2 par l'intermédiaire d'un coupleur 3 et d'un commutateur 5. Le signal d'émission est engendré par un synthétiseur de fréquence 12 puis modulé en amplitude et en phase dans le circuit Il à partir des impulsions

fournies par le circuit d'horloge 13 avant d'être amplifié par le cir-

cuit 4 et appliqué aux antennes I et 2 par l'intermédiaire du coupleur3.

Le récepteur comporte un amplificateur à haute fréquence 6, un mélan-

geur 7 recevant une onde locale fournie par le synthétiseur 12, un corrélateur 8 également couplé au synthétiseur 12, un amplificateur à

fréquence intermédiaire 9 et un détecteur cohérent 10 recevant du syn-

thétiseur 12 deux ondes de référence en quadrature. On obtient sur les sorties 101 et 102 du détecteur cohérent 10 les composantes sinus et

cosinus respectivement des voies somme (E) et différence (A) alterna-

tivement. Comme on l'a vu précédemment, deux critères peuvent être utilisés pour effectuer une discrimination des échos d'hélicoptères par rapport aux autres échos. Ces deux critères sont la largeur du spectre Doppler et l'existence d'une modulation d'amplitude profonde et périodique. On obtient donc plusieurs variantes de l'invention selon que le traitement du signal utilise l'un ou l'autre de ces critères ou même les deux. Par ailleurs, la localisation des objectifs détectés peut se faire soit par marquage du plot au passage du zéro de la voie différence, soit par calcul du gisement vrai donnant un plot permanent

pendant tout le temps de passage du faisceau sur l'objectif.

Selon une variante de l'invention, les composantes sinus et

cosinus en sortie du détecteur cohérent 10 sont appliquées alternati-

vement à une batterie de sélecteurs de surveillance (un sélecteur 17

par tranche de distance) et à un sélecteur de mesure 18.

Le schéma de la figure 2 montre un exemple de sélecteur de surveillance qui n'utilise que le critère de la largeur spectrale de l'écho comme moyen de discrimination des échos d'hélicoptères. Le sélecteur comprend dès portes 170 et 175 reliées respectivement aux sorties 101 et 102 du détecteur cohérent 10 et laissant passer sous la commande de signaux d'horloge HA et HB la composante sinus de la voie différence A (porte 170) et la composante cosinus de la voie somme Z (porte 175). Une seule composante sinus ou cosinus peut être utilisée pour la voie somme Z comme pour la voie différence A. La sortie des portes 170 et 175 est appliquée à un filtre Doppler 171 ou 176 ayant une fréquence de coupure basse telle que la plupart des échos indésirables soient éliminés. Ainsi, avec une fréquence d'émission-de cent soixante mégahertz, une fréquence de coupure basse des filtres Doppler de trente hertz permet d'éliminer les échos d'objectifs ayant

par rapport au radar une vitesse radiale inférieure à environ cent kilo-

mètres à l'heure. La fréquence de coupure haute est telle que le filtre laisse passer la majeure partie de l'énergie contenue dans le spectre d'un écho d'hélicoptère et peut être de l'ordre de cent à

deux cents hertz. Le filtre Doppler 171 ou 176 est suivi d'un détec-

teur 172 ou 177 respectivement dont la sortie est filtrée par un filtre passe-bas 173 ou 178 puis appliquée à un circuit à seuil 174 ou 179. Le circuit 179 placé sur la voie E cosinus compare le signal de sortie du filtre 178 à un seuil fixe (noté B sur la figure 3). Par contre, le seuil appliqué sur la voie A sinus (noté A sur la figure 3) est fonction de l'amplitude de la voie Z cosinus et est commandé par le signal de sortie du circuit 179. Le schéma de la figure 3 montre comment peut

être fait le marquage d'un plot au centre du faisceau. Le circuit lo-

gique 180 fournit, à partir des signaux de sortie des circuits à

seuil 174 et 179, un signal à destination d'un dispositif de visuali-

sation (non représenté) lorsque le signal sur la voie A est en dessous du seuil (courbe A sur la figure 3) commandé par l'amplitude du signal de la voie E et au-dessus du seuil B. La sortie du circuit à seuil 179 fournit un signal "présence

d'un écho" qui peut être envoyé au dispositif de visualisation.

Il est également possible de calculer en permanence, à partir des signaux de sortie du détecteur cohérent, l'écart entre l'objectif

et l'axe du faisceau au cours de la rotation de l'antenne.

Le paragraphe suivant montre comment obtenir la valeur de l'écart angulaire 0 entre l'objectif et l'axe de l'antenne complexe constituée par deux antennes identiques espacées d'une distance "d" et ayant chacune un diagramme de rayonnement f(O). A l'émission, les deux antennes sont excitées en phase et le champ, dans la direction e et à la distance C 2, vaut en notation complexe: f(e) [ej{û(t - 2) +21 + eI{o(t 2) 2}] ce qui peut encore s'écrire:

2f(e)[cos ( - 2 + i sin w(t - 2)cos -

Dans les expressions ci-dessus, X représente la pulsation du signal T d'émission, - représente le temps de trajet dans l'air de l'onde émise et représente le déphasage entre les deux antennes. Ce déphasage d vaut: 2r d- sin O si X est la longueur d'onde du signal émis. Les signaux reçus en retour par les deux antennes s'écrivent:

2f (e)[cos w(t-T) + j sin (t-T)]cos e J .

2 q Apres démodulation par l'onde de référence "et" et en posant îT = , on obtient:

2f (e)[cos - j sin]cos e-- 2.

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Le signal somme Z et le signal différence A s'écrivent respectivement Z = 4f 2(6)[cos * - j sin i]cos 2 A = 4jf2(e)[cos t - j sin p]cos 1 sin Le quotient Q du signal différence A sur le signal somme Z permet de connaître l'écart angulaire O. On a en effet

Q = _A = tgf = tg(i sin d).

Un exemple de réalisation de circuit de calcul de l'écart est représenté à la figure 4. Les composantes sinus de la voie A et cosinus de la voie Z sont appliquées à un filtre Doppler. Les signaux de sortie des filtres Doppler 171 et 176 sont appliqués à un circuit 181 qui effectue le quotient A du signal de la voie différence A sur le signal de la voie somme S. Le circuit 182 détermine l'écart angulaire 6 entre

l'objectif et l'axe de l'antenne à partir de la valeur-du quotient -

et le circuit 183 fournit le gisement vrai de l'objectif à partir de

l'écart angulaire 8 et du gisement instantané GA de l'antenne. Un cir-

cuit à seuil 184 est également prévu sur la voie Z de manière à

s'affranchir du bruit.

Un dispositif tel que celui de la figure 4 laissera cependant passer les échos provenant de cibles rapides qui ne seront pas éliminés par les filtres Doppler. Afin de limiter le taux de fausse alarme du radar, il est alors proposé, selon l'invention, d'utiliser le critère de la reconnaissance d'une modulation d'amplitude. La figure 5 montre

comment ce critère peut être mis en oeuvre-pour un sélecteur de sur-

veillance et la figure 6 montre comment il peut être mis en oeuvre pour

un sélecteur de mesure.

Dans le sélecteur de surveillance de la figure 5, les compo-

santes sinus et cosinus des voies différence A et somme Z sont obtenues en sortie des portes 200, 201, 202 et 203, lesquelles sont comme dans

le cas de la figure 4 commandes par les signaux d'horloge RA et RB.

Un filtre Doppler 204, 205, 206 ou 207 est disposé à la sortie de chacune des portes 200 à 203. Les modules des signaux différence A et somme Z sont élaborés par les circuits 208 et 209 respectivement puis sont filtrés par les filtres 210 et 211 qui ne laissent passer que les échos modulés en amplitude à une fréquence supérieure à un seuil donné (environ dix hertz). Les filtres 210 et 211 sont suivis de circuits à seuil identiques à ceux de la figure 2. Ainsi, on trouve un circuit à

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seuil fixe 213 sur la voie E dont la sortie sert à commander le seuil variable de la voie A (circuit 212). Le marquage d'un plot a donc lieu lorsque le signal sur la voie E est supérieur à un seuil donné fixe et le signal sur la voie A inférieur à un seuil variable. La porte 214 fournit un signal lorsque cette double condition est remplie. Comme dans le cas de la figure 2, le circuit 213 fournit un

signal "présence écho" qui peut ître utilisé lorsque le rapport signal-

à-bruit ne permet pas la localisation angulaire.

Le dispositif de la figure 5 élabore les modules-des signaux des voies A et ú, à partir desquels il n'est plus possible de déterminer

le signe de l'écart angulaire entre l'objectif et l'axe de l'antenne.

Aussi est-il proposé, selon une variante de l'invention, un sélecteur de mesure permettant d'effectuer une discrimination des échos par la largeur spectrale et par la modulation d'amplitude et de calculer la valeur de l'écart angulaire avec son signe. Un exemple de réalisation est montré à la figure 6. Les portes 300, 301, 302 et 303 laissent passer les composantes sinus et cosinus des voies différence A et somme E respectivement sous la commande des signaux d'horloge HA' et HB'. Les signaux d'horloge HA' et HEB' définissent la distance de la cellule de résolution examinée, et peuvent être contrôlés (circuit 19,

figure 1), soit manuellement, soit automatiquement, à partir de l'infor-

mation de sortie des sélecteurs de surveillance 17. Les signaux de sortie des portes 300 à 303 sont filtrés par les filtres Doppler 304, 305, 306 et 307 respectivement. Les circuits 308 à 313 permettent de calculer les amplitudes IE+jAI et IE-jI[, avec Z+jA = Ecos - Asin + j(Esin + Acos),

et Z-jA = Ecos + Asin + j(Esin - Acos).

Les circuits 308, 309 font respectivement les sommes (Ecos - Asin) et (úsin + Acos) et le circuit 312 calcule le module IE+jAI. De façon identique, les circuits 310 et 311 font respectivement les sommes (Scos + Asin) et (Esin - Acos) et le circuit 313 calcule le module JE-jSA. Les calculateurs de module 312 et 313 sont suivis chacun d'un filtre passehaut 314 et 315. Les circuits 316, 317 et 318 servent à déterminer le quotient du signal différence A sur le signal

somme E à partir des modules IE+jAl et JE-jLl.

On a vu précédemment que les signaux Z et A s'écrivaient:

Z = 4f2(8) cos U[cos - j sin p]cos -

A = 4f2(8) cos j-sin - j cos p]sin À

2 2,

Il vient,en posant K = 4f (8) cos 2: E+jA = Zcos - Asin + j(Zsin + Acos) = K(cos - sin)(cos - j sin p) et E-jA = Zcos + Asin + j(Esin - Acos)

= K (Cos 2 + sin.)(cos i - j sin P).

Si l'on fait le quotient Q = IZ-jA - 1Z+J i

]Z-IA[ + I+A

sin on obtient Q = 2 = tg

---y tg .

cos2

Or, comme 4 = 2 sin 9, on peut donc en déduire la valeur de l'écart 0.

Ainsi, le circuit 316 calcule la valeur du numérateur, c'est-

à-dire l'expression [Z-jA[ - IZ+iA[, le circuit 317 calcule la valeur du dénominateur, c'est-à-dire l'expression [Z-jAI + [Z+ijA et le circuit 318 calcule la valeur du quotient Q. La valeur de l'écart peut alors être ajoutée au gisement donné par les mécanismes de l'antenne

pour obtenir la valeur de gisement vrai de l'objectif.

On a vu précédemment que le signal d'écho en provenance d'un hélicoptère se caractérise par une modulation d'amplitude profonde et périodique. Or, la période du signal de modulation est une constante pour un type donné d'hélicoptère. Il est alors possible de reconnaître le type d'hélicoptère en mesurant, par exemple à l'aide d'une boucle de phase, la fréquence de la modulation d'amplitude. Cette mesure peut

être faite dans le sélecteur de mesure.

Bien que la présente invention ait été décrite dans le cadre d'exemples de réalisation particuliers, il est clair cependant qu'elle n'est nullement limitée auxdits exemples et qu'elle est susceptible de modifications ou de variantes sans sortir de son domaine. En particulier,

l'ensemble des circuits de filtrage et de localisation peut avantageu-

sement être réalisé sous forme numérique dès que le nombre de portes en distance devient important, la conversion analogique à numérique étant

faite sur les sorties sinus et cosinus du détecteur cohérent.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Système radar apte à détecter et à localiser des échos en provenance de véhicules, tels des hélicoptères, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour éliminer les échos dont le taux de modulation

en amplitude est inférieur à un seuil donné.

2. Système radar apte à détecter et à localiser des échos en provenance de véhicules, tels des hélicoptères, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour éliminer les échos dont la largeur spectrale

est inférieure à une valeur prédéterminée.

3. Système radar selon la revendication 1 ou la revendica-

tion 2 et fonctionnant en radar monopulse de phase, caractérisé en ce qu'il comprend

- une pluralité de sélecteurs de surveillance correspondant à une plu-

ralité de tranches de distance et délivrant un signal de sortie

lorsque la largeur spectrale du signal appliqué à l'entrée est supé-

rieure à ladite valeur prédéterminée; et - un sélecteur de mesure donnant, pour une tranche de distance donnée, la valeur de l'écart angulaire entre l'axe de l'antenne et l'objectif

dont le signal reçu a un spectre plus large que ladite valeur prédé-

terminée et/ou présente un taux de modulation en amplitude supérieur

audit seuil donne.

4. Système radar selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits sélecteurs de surveillance délivrent un signal lorsque d'une part le signal sur la voie somme est supérieur à une première valeur de seuil et d'autre part le signal sur la voie différence est inférieur à

une deuxième valeur de seuil.

5. Système radar selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits sélecteurs -de surveillance comportent au moins, sur chacune

des voies somme et différence, un filtre Doppler, un circuit de détec-

tion, un filtre passe-bas et un circuit à seuil.

6. Système radar selon la revendication 5, caractérisé en ce

que lesdits sélecteurs de surveillance comprennent en outre un calcu-

lateur de quotient du signal de la voie différence (à) sur le signal de

la voie somme (E).

7. Système radar selon l'une quelconque des revendications 3

à 6, caractérisé en ce que lesdits sélecteurs de surveillance comportent un filtre Doppler sur chacune des composantes en phase et en quadrature des voies somme (Z) et différence (A), et un calculateur de module, un filtre passe-haut et un circuit à seuil pour chacune des voies somme (Z)

et différence (A).

8. Système radar selon l'une quelconque des revendications 3

à 7, caractérisé en ce que ledit sélecteur de mesure comprend:

- un filtre Doppler sur chacune des composantes en phase et en quadra-

ture des voies somme (Z) et différence (A); - un premier circuit de calcul de l'expression IZ+ijAI à partir des signaux de sortie desdits filtres Doppler; - un second circuit de calcul de l'expression Z-ijAlà partir des signaux de sortie desdits filtres Doppler; - un filtre passe- haut en sortie de chacun desdits premier et second circuits de calcul; et - un calculateur de quotient recevant les signaux de sortie des filtres passe-haut et calculant l'expression E j-|+ IZ+jJAl IE-AI + Iz+jAI À

9. Système radar selon l'une quelconque des revendications 1

à 8, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour mesurer la fré-

quence de ladite modulation d'amplitude.