FR2745388A1 - Procede de mesure, de type altimetrique, destine a etre mis en oeuvre a bord d'un satellite - Google Patents
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Abstract
L'invention fournit un procédé de mesure de type altimétrique destiné à être mis en oeuvre à bord d'un satellite. Par émission d'une impulsion sur la surface de la mer et transformation fréquentielle du signal retour résultant de la réflexion sur la surface de mer de cette impulsion, l'on obtient un signal spectral d'échantillons (Vi(k)) comprenant successivement (a) - une première zone (Z1) à faible niveau d'amplitude, (b) - une seconde zone (Z2) à pente croissante abrupte se terminant par une crête et (c) - une troisième zone (Z3) à pente décroissante. L'invention prévoit une sélection de ceux des échantillons du signal spectral Vi(k) qui sont compris dans une zone de sélection qui correspond aux première et seconde zones (Z1, Z2) pour un niveau maximal prédéterminé de la hauteur des vagues sur la surface de la mer, et un traitement de maximum de vraisemblance qui est appliqué à ces seuls échantillons sélectionnés.
Description
PROCEDE DE MESURE, DE TYPE ALTIMETRIQUE, DESTINE A ETRE
MIS EN OEUVRE A BORD D'UN SATELLITE
La présente invention concerne de manière générale un procédé de mesure de paramètres altimétriques ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Ces procédé et dispositif sont typiquement destinés à être mis en oeuvre à bord d'un satellite.
MIS EN OEUVRE A BORD D'UN SATELLITE
La présente invention concerne de manière générale un procédé de mesure de paramètres altimétriques ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Ces procédé et dispositif sont typiquement destinés à être mis en oeuvre à bord d'un satellite.
Comme montré dans la figure 1, un dispositif connu pour la mise en oeuvre d'un tel procédé de mesure émet un signal SE à la verticale qui est réfléchi par la mer M ou la glace en un signal écho réfléchi, noté
SR. Par des traitements appropriés de ce signal écho réfléchi SR, sont calculés des paramètres, tels que l'altitude du satellite, la vitesse du vent sur la surface de la mer, la hauteur des vagues, etc... Ces informations offrent, outre la connaissance de l'altitude précise du satellite, une évaluation de la dynamique des océans ou de l'état des mers.
SR. Par des traitements appropriés de ce signal écho réfléchi SR, sont calculés des paramètres, tels que l'altitude du satellite, la vitesse du vent sur la surface de la mer, la hauteur des vagues, etc... Ces informations offrent, outre la connaissance de l'altitude précise du satellite, une évaluation de la dynamique des océans ou de l'état des mers.
En référence à la figure 2, selon une réalisation, un dispositif de mesure du type destiné à la mise en oeuvre de l'invention comprend un séquenceur 10, un générateur de signal de rampe 11, un premier amplificateur 12, un circulateur 100, une antenne 13, un second amplificateur 14, un mélangeur 15, une unité de contrôle automatique de gain 16, une unité de retard 16', un démodulateur 17, une unité de transformée fréquentielle de Fourier rapide 18, une unité de poursuite 19 et une unité d'estimation 20.
Selon une première technique connue de mesure d'altitude (qui doit être réalisée au centimètre près), il est prévu d'émettre des impulsions très brèves, de l'ordre de 0,1 ns, et de mesurer une altitude en fonction d'une durée de trajet aller-retour de ces impulsions entre le satellite et le sol. Cette technique, bien que pouvant être utilisée dans le cadre de l'invention, présente deux inconvénients. D'une part, elle nécessite une puissance d'émission élevée et, d'autre part, elle est caractérisée par un rapport signal à bruit du signal écho réfléchi SR de faible valeur. Pour remédier à cela, il est connu d'émettre une impulsion longue modulée linéairement en fréquence.
A cette fin, le séquenceur 10 produit des impulsions de commande I appliquées à une entrée du générateur de rampe 11. En réponse, ce dernier produit périodiquement des impulsions longues modulées linéairement en fréquence. A titre d'exemple, une impulsion I' produite par le générateur 11 balaye une plage de fréquences de 330 MHZ autour de la fréquence centrale 900 MHz. Après amplification à travers l'amplificateur 12, les impulsions modulées en fréquence I' sont émises par l'antenne 13, en le signal émis SE.
Après réflexion sur la mer, le signal émis SE est reçu par l'antenne 13 en le signal écho réfléchi SR. Ce signal SR possède des caractéristiques proches de celles du signal émis SE, en étant toutefois atténué et retardé d'un temps égal à la durée requise au signal émis pour parcourir la distance aller-retour satelliteterre.
Les impulsions Ir formant le signal écho réfléchi
SR sont mélangées avec des impulsions de référence, notées Iref, dans le mélangeur 15. Les impulsions Ir et
Iref sont toutes les deux modulées linéairement en fréquence, et tout décalage temporel entre les impulsions Ir et Iref se traduit par une valeur de fréquence en sortie du mélangeur 15. Ainsi, pour une cible ponctuelle, est obtenue idéalement en sortie du mélangeur 15 une fréquence pure. En réalité, en résultat notamment de la présence de vagues V sur la surface de la mer M, comme cela sera décrit ultérieurement en référence à la figure 4, le spectre du signal obtenu en sortie du mélangeur 15 est étalé sur une bande de fréquences relativement large.
SR sont mélangées avec des impulsions de référence, notées Iref, dans le mélangeur 15. Les impulsions Ir et
Iref sont toutes les deux modulées linéairement en fréquence, et tout décalage temporel entre les impulsions Ir et Iref se traduit par une valeur de fréquence en sortie du mélangeur 15. Ainsi, pour une cible ponctuelle, est obtenue idéalement en sortie du mélangeur 15 une fréquence pure. En réalité, en résultat notamment de la présence de vagues V sur la surface de la mer M, comme cela sera décrit ultérieurement en référence à la figure 4, le spectre du signal obtenu en sortie du mélangeur 15 est étalé sur une bande de fréquences relativement large.
L'analyse de ce spectre fournit toutes les informations que doit donner le dispositif de mesure.
L'avantage de cette technique de mélange, dite "full deramp", réside dans la transformation d'un écart temporel en une variation de fréquence. Elle a pour objet de s'affranchir définitivement de tous les temps de transit dans les étages d'amplification et de traitement. Elle présente néanmoins l'inconvénient de rendre le dispositif de mesure synchrone, en définissant une fenêtre de travail extrêmement étroite, qui exige une poursuite fine qui est mise en oeuvre au moyen d'une boucle d'asservissement incluant l'unité de poursuite 19, tel que cela sera décrit ultérieurement.
Le signal issu du mélangeur 15 est appliqué, à travers l'unité de commande automatique de gain 16, à une entrée du démodulateur 17, assurant une démodulation cohérente, dont les deux voies de sortie en quadrature attaquent l'unité de transformation de
Fourier rapide 18 à K points, K étant un entier puissance de 2. En sortie de l'unité 18, sont produites des séries de K échantillons chacune, notées Vi(k), i désignant le rang de la série et k le rang d'un échantillon dans une série donnée.
Fourier rapide 18 à K points, K étant un entier puissance de 2. En sortie de l'unité 18, sont produites des séries de K échantillons chacune, notées Vi(k), i désignant le rang de la série et k le rang d'un échantillon dans une série donnée.
Comme montré dans la figure 3, les échantillons successifs d'une série donnée Vi(k) définissent un spectre de forme particulière résultant de la réflexion du signal émis SE sur une surface de mer. La représentation modélisée de ce signal, telle qu'introduite dans l'article intitulé "The average
Impulse Response of a Rough Surface and Its
Applications" de Gary S. BROWN publié dans l'article "Transactions on antennas and propagation, vol AP-25, N'1, Janvier 1977, pages 67-74", est montrée dans la figure 4.Le signal spectral, représenté sous forme analytique par simplification, comprend une première zone Z1 à faible niveau d'amplitude correspondant à un niveau de bruit thermique N, une seconde zone Z2 à pente croissante abrupte H se terminant par une crête et une troisième zone Z3 à pente décroissante 5. On montre que la pente H du signal dans la seconde zone Z2 définit la hauteur des vagues à la surface de la mer, la pente 5 du signal dans la troisième zone est associée au dépointage de l'antenne 13 du dispositif de mesure, la différence de niveau a entre le niveau du signal spectral dans la zone Z1 et la crête définit un coefficient de rétrodiffusion associé à la vitesse du vent, et la projection du point milieu P de la seconde zone sur l'axe des abscisses k est associée à un instant X de durée aller-retour entre le satellite et la mer.
Impulse Response of a Rough Surface and Its
Applications" de Gary S. BROWN publié dans l'article "Transactions on antennas and propagation, vol AP-25, N'1, Janvier 1977, pages 67-74", est montrée dans la figure 4.Le signal spectral, représenté sous forme analytique par simplification, comprend une première zone Z1 à faible niveau d'amplitude correspondant à un niveau de bruit thermique N, une seconde zone Z2 à pente croissante abrupte H se terminant par une crête et une troisième zone Z3 à pente décroissante 5. On montre que la pente H du signal dans la seconde zone Z2 définit la hauteur des vagues à la surface de la mer, la pente 5 du signal dans la troisième zone est associée au dépointage de l'antenne 13 du dispositif de mesure, la différence de niveau a entre le niveau du signal spectral dans la zone Z1 et la crête définit un coefficient de rétrodiffusion associé à la vitesse du vent, et la projection du point milieu P de la seconde zone sur l'axe des abscisses k est associée à un instant X de durée aller-retour entre le satellite et la mer.
Comme précisé précédemment, la technique, dite du "full deramp", présente l'inconvénient de rendre le dispositif de mesure synchrone, en définissant une fenêtre de travail extrêmement étroite correspondant aux R points de la transformée de Fourrier rapide (FFT). Cela exige alors une poursuite fine pour centrer le signal spectral obtenu, montré à la figure 4, dans la fenêtre de travail. La boucle d'asservissement incluant l'unité de poursuite 19 assure cette fonction.
Elle garantit, d'une part, le positionnement de la zone du signal spectral à pente croissante abrupte Z2 en des points donnés de la transformée de Fourrier rapide, et, d'autre part, le maintien de l'amplitude maximale du signal spectral à un niveau donné.
Pour cela, l'unité de poursuite 19 reçoit les séries successives de K échantillons Vi(k) et produit des premier et second signaux de commande Ci et C'i respectivement appliqués à une entrée de commande de l'unité de commande automatique de gain 16 et à une entrée de commande de l'unité de retard 16'. L'unité de retard 16' est destinée à retarder, en fonction du signal de commande C'i reçu, chaque impulsion reçue en provenance du générateur du signal de rampe 11, en une impulsion de référence Iref appliquée à la seconde entrée du mélangeur dont la première entrée reçoit les impulsions Ir formant le signal écho réfléchi SR.
Le niveau du signal de commande Ci pour l'itération i est calculé en fonction du niveau du signal de commande pour l'itération (i-l) et d'un signal d'erreur (ceci) obtenu à partir de la série d'échantillons Vi-l(k). Pour le calcul de ce signal d'erreur (Ci), est calculée l'énergie dans chacune des fenêtres glissantes de huit échantillons successifs qui se déplacent par pas de 1 échantillon.Sont alors obtenues les mesures des valeurs d'énergie: j+8
Ej = #V(i-j)(j), variant entre 1 et (K-8)
j
On définit alors la valeur maximale Emax parmi toutes ces valeurs d'énergie (Ej). Le signal d'erreur (eCi) est alors défini par:
(ceci) = 10 Log (Emax/8.Vnom), où Vnom est la valeur nominale souhaitée du niveau de la crête pour le signal spectral montré à la figure 4. Le signal spectral est ainsi maintenu à un niveau donné.
Ej = #V(i-j)(j), variant entre 1 et (K-8)
j
On définit alors la valeur maximale Emax parmi toutes ces valeurs d'énergie (Ej). Le signal d'erreur (eCi) est alors défini par:
(ceci) = 10 Log (Emax/8.Vnom), où Vnom est la valeur nominale souhaitée du niveau de la crête pour le signal spectral montré à la figure 4. Le signal spectral est ainsi maintenu à un niveau donné.
Par des traitements appropriés à la portée de l'homme de l'art, le niveau du signal de commande C'i pour l'itération i est calculé en fonction du niveau du signal de commande pour l'itération (i-l) et d'un signal d'erreur (eC'i) obtenu à partir de la série d'échantillons Vi-l(k). Ce signal de commande C'i est produit de sorte à centrer le signal spectral montré à la figure 4 dans la fenêtre formée par les points k de la transformée de Fourrier rapide, afin notamment que le point milieu de la zone Z2 à pente croissante abrupte soit en permanence positionné sur un même point, noté kl, de la transformée de Fourier rapide.
En résultat de cette poursuite, le signal spectral issu de l'unité de transformée de Fourier rapide est alors positionné de manière constante dans la fenêtre définie par les points de la FFT. De plus amples informations sur la mise en oeuvre de ces opérations de poursuite peuvent être obtenues en se référant à la Thèse portant sur l"'Estimation optimale des paramètres altimétriques des signaux radar POSEIDON" soutenue le 27 septembre 1985 par M. DUMONT
Jean-Paul (Institut National Polytechnique de
Toulouse).
Jean-Paul (Institut National Polytechnique de
Toulouse).
Ce maintien du positionnement du signal spectral dans une fenêtre offre alors la possibilité d'opérer des traitements dudit signal pour la mesure d'informations caractérisant la surface de la Terre à étudier.
L'obtention de ces informations caractérisant la surface de la Terre utilise l'unité d'estimation 20 typiquement sous la forme d'un moyen de traitement mettant en oeuvre l'algorithme dit du maximum de vraisemblance (MLE en terminologie anglosaxonne pour
Maximum Likelyhood Estimator).
Maximum Likelyhood Estimator).
Selon la technique antérieure, les valeurs de (a) - la pente H du signal dans la seconde zone Z2 définissant la hauteur des vagues à la surface de la mer, (b) - la différence de niveau a entre le niveau du signal spectral dans la zone Z1 et le niveau de crête définissant le coefficient de rétrodiffusion associé à la vitesse du vent, et (c) - la projection du point milieu de la seconde zone sur l'axe des abscisses k, associée à un instant T de durée aller-retour entre le satellite et la mer, sont calculées par utilisation de l'algorithme MLE appliqué à l'intégralité de la courbe définie par les échantillons d'une série Vi(k) (Fig.4).
Pour cela, de manière conventionnelle en analyse
MLE, la courbe du signal spectral de la figure 4 est approximée selon un modèle. Dans notre cas, le modèle est celui de Brown qui précise que ce signal spectral résulte de la convolution de trois termes, à savoir (1) - la réponse de la mer à une impulsion de Dirac, (2) la réponse du dispositif de mesure pour une cible ponctuelle et (3) - la distribution des hauteurs des points à pente nulle de la surface. Pour plus d'informations sur ce modèle, l'on peut se référer à l'article déjà mentionné intitulé "The average Impulse
Response of a Rough Surface and Its Applications" de
Gary S.BROWN publié dans l'article "Transactions on antennas and propagation, vol AP-25, N'1, Janvier 1977, pages 67-74"
Selon ce modèle de Brown, la courbe est modélisée de la manière suivante, en notant V(t) l'équivalent temporel de la composante spectrale Vi(k): V(t)=a/2.{1+erf[(tT)/(42.ac)]}, pour tla; et V(t)=#/2.{1+erf[(t-#)/(#2.#c)]}.exp[-α;(t-#)], pour t##
où a et X sont les paramètres introduits en référence à la figure 4,
ac = 4[0,513.T +(H/2c)], avec T désignant la durée des impulsions modulée en fréquence, H le paramètre de hauteur de vague, c la vitesse de la lumière, et
a = (4.c/v.H), v étant égal à 0,725.sin2(0 e étant l'angle d'ouverture de l'antenne 13 du dispositif de mesure.
MLE, la courbe du signal spectral de la figure 4 est approximée selon un modèle. Dans notre cas, le modèle est celui de Brown qui précise que ce signal spectral résulte de la convolution de trois termes, à savoir (1) - la réponse de la mer à une impulsion de Dirac, (2) la réponse du dispositif de mesure pour une cible ponctuelle et (3) - la distribution des hauteurs des points à pente nulle de la surface. Pour plus d'informations sur ce modèle, l'on peut se référer à l'article déjà mentionné intitulé "The average Impulse
Response of a Rough Surface and Its Applications" de
Gary S.BROWN publié dans l'article "Transactions on antennas and propagation, vol AP-25, N'1, Janvier 1977, pages 67-74"
Selon ce modèle de Brown, la courbe est modélisée de la manière suivante, en notant V(t) l'équivalent temporel de la composante spectrale Vi(k): V(t)=a/2.{1+erf[(tT)/(42.ac)]}, pour tla; et V(t)=#/2.{1+erf[(t-#)/(#2.#c)]}.exp[-α;(t-#)], pour t##
où a et X sont les paramètres introduits en référence à la figure 4,
ac = 4[0,513.T +(H/2c)], avec T désignant la durée des impulsions modulée en fréquence, H le paramètre de hauteur de vague, c la vitesse de la lumière, et
a = (4.c/v.H), v étant égal à 0,725.sin2(0 e étant l'angle d'ouverture de l'antenne 13 du dispositif de mesure.
La technique antérieure prévoit, par définition d'un tel modèle et utilisation d'un algorithme MLE bien connu de l'homme du métier, d'approximer les valeurs respectives prises par les paramètres H, a et X pour la courbe de signal spectral Vi(k), k compris entre 1 et
K, considérée. Cette analyse MLE s'applique à l'intégralité des échantillons dtune série Vi(k), éventuellement préalablement moyennés pour diminuer le speckle. Cette solution présente l'inconvénient principal de conduire au compromis suivant.
K, considérée. Cette analyse MLE s'applique à l'intégralité des échantillons dtune série Vi(k), éventuellement préalablement moyennés pour diminuer le speckle. Cette solution présente l'inconvénient principal de conduire au compromis suivant.
Ou bien l'on réduit le nombre d'échantillons dans la zone Z3 à un nombre minimal de sorte que les valeurs calculées prises par les paramètres H, a et X ne soient pas biaisées. Dans ce cas, il en résulte une mesure peu précise de la valeur du paramètre de pente 5. Ou bien l'on augmente ce nombre d'échantillons dans la zone Z3 à un nombre plus élevé de sorte à obtenir une mesure plus précise de cette valeur du paramètre de pente 5.
Dans ce cas, il en résulte un biais dans la mesure des valeurs prises par les paramètres H, a et X en cas de dépointage de l'antenne, et la technique antérieure décrite dans la Thèse portant sur l"'Estimation optimale des paramètres altimétriques des signaux radar POSEIDON" soutenue le 27 septembre 1985 par M. DUMONT
Jean-Paul (Institut National Polytechnique de Toulouse) pp. 215-216, suggère alors de corriger a posteriori la mesure des valeurs prises par les paramètres H, a et X en fonction de la valeur prise par le paramètre 5 qui est calculée séparément. Cette correction conduit néanmoins à des calculs imprécis de la valeur de ces paramètres.
Jean-Paul (Institut National Polytechnique de Toulouse) pp. 215-216, suggère alors de corriger a posteriori la mesure des valeurs prises par les paramètres H, a et X en fonction de la valeur prise par le paramètre 5 qui est calculée séparément. Cette correction conduit néanmoins à des calculs imprécis de la valeur de ces paramètres.
L'invention vise à remédier à cet inconvénient notamment en fournissant un dispositif de mesure propre à fournir des mesures précises des valeurs prises par tous les paramètres H, a, T et 5.
A cette fin, un procédé de mesure de type altimétrique destiné à être mis en oeuvre à bord d'un satellite, comprenant les étapes de
- émission d'impulsions de mesure à destination d'une surface de mer,
- transformation fréquentielle d'un signal résultant de la réflexion desdites impulsions sur la surface de la mer, en un signal spectral d'échantillons comprenant successivement (a) - une première zone à faible niveau d'amplitude correspondant à un niveau de bruit thermique, (b) - une seconde zone à pente croissante abrupte se terminant par une crête et dépendant d'une hauteur des vagues à la surface de la mer, d'un coefficient de rétrodif fusion et de l'altitude dudit satellite, et (c) - une troisième zone à pente décroissante associée à un dépointage d'antenne du dispositif de mesure, et
- estimation à partir desdits échantillons dudit signal spectral, par un traitement de maximum de vraisemblance utilisant un modèle négligeant le dépointage de l'antenne, d'au moins l'une des valeurs parmi les valeurs respectives de hauteur des vagues à la surface de la mer, coefficient de rétrodiffusion et altitude du satellite,
est caractérisé selon l'invention par une sélection de ceux des échantillons dudit signal spectral qui sont compris dans une zone de sélection qui correspond auxdites première et seconde zones pour un niveau maximal prédéterminé de la hauteur des vagues sur la surface de la mer, ledit traitement de maximum de vraisemblance étant appliqués à ces seuls échantillons sélectionnés.
- émission d'impulsions de mesure à destination d'une surface de mer,
- transformation fréquentielle d'un signal résultant de la réflexion desdites impulsions sur la surface de la mer, en un signal spectral d'échantillons comprenant successivement (a) - une première zone à faible niveau d'amplitude correspondant à un niveau de bruit thermique, (b) - une seconde zone à pente croissante abrupte se terminant par une crête et dépendant d'une hauteur des vagues à la surface de la mer, d'un coefficient de rétrodif fusion et de l'altitude dudit satellite, et (c) - une troisième zone à pente décroissante associée à un dépointage d'antenne du dispositif de mesure, et
- estimation à partir desdits échantillons dudit signal spectral, par un traitement de maximum de vraisemblance utilisant un modèle négligeant le dépointage de l'antenne, d'au moins l'une des valeurs parmi les valeurs respectives de hauteur des vagues à la surface de la mer, coefficient de rétrodiffusion et altitude du satellite,
est caractérisé selon l'invention par une sélection de ceux des échantillons dudit signal spectral qui sont compris dans une zone de sélection qui correspond auxdites première et seconde zones pour un niveau maximal prédéterminé de la hauteur des vagues sur la surface de la mer, ledit traitement de maximum de vraisemblance étant appliqués à ces seuls échantillons sélectionnés.
Avantageusement, les impulsions de mesure sont modulées en fréquence et l'étape de transformation fréquentielle est précédée par une étape de
- mélange d'une impulsion de référence modulée en fréquence avec chacune desdites impulsions de mesure modulées en fréquence reçues après réflexion sur ladite surface de mer, pour produire ledit signal résultant.
- mélange d'une impulsion de référence modulée en fréquence avec chacune desdites impulsions de mesure modulées en fréquence reçues après réflexion sur ladite surface de mer, pour produire ledit signal résultant.
Typiquement, le procédé comprend, en outre, une sélection de ceux des échantillons dudit signal spectral qui sont compris dans une troisième zone de sélection qui correspond à ladite troisième zone pour un niveau maximal prédéterminé de la hauteur des vagues sur la surface de la mer, et une mesure du dépointage de l'antenne en fonction de la pente décroissante dudit signal spectral dans cette troisième zone de sélection.
I1 est prévu par ailleurs une sélection de ceux des échantillons dudit signal spectral qui sont compris dans une première zone de sélection qui correspond à ladite première zone pour un niveau maximal prédéterminé de la hauteur des vagues sur la surface de la mer, et une mesure du niveau de bruit thermique en fonction du niveau moyen desdits échantillons sélectionnés de cette première zone de sélection.
Un tel procédé utilise une poursuite du signal spectral d'échantillons de sorte à le centrer dans la fenêtre fréquentielle de ladite transformée fréquentielle.
L'invention fournit également un dispositif de mesure de type altimétrique destiné à être embarqué à bord d'un satellite. Selon une réalisation, le dispositif comprend
- des moyens pour émettre des impulsions de mesure modulées en fréquence à destination d'une surface de mer,
- des moyens pour mélanger une impulsion de référence modulée en fréquence avec chacune desdites impusions de mesure modulées en fréquence reçues après réflexion sur ladite surface de mer, en un signal de mélange résultant,
- des moyens de transformation fréquentielle dudit signal de mélange résultant en un signal spectral d'échantillons comprenant successivement (a) - une première zone à faible niveau d'amplitude correspondant à un niveau de bruit thermique, (b) - une seconde zone à pente croissante abrupte se terminant par une crête et dépendant d'une hauteur des vagues à la surface de la mer, d'un coefficient de rétrodiffusion et de l'altitude dudit satellite, et (c) - une troisième zone à pente décroissante associée à un dépointage d'antenne du dispositif de mesure, et
- des moyens pour estimer à partir desdits échantillons dudit signal spectral, par un traitement de maximum de vraisemblance utilisant un modèle négligeant le dépointage de l'antenne, d'au moins l'une des valeurs parmi les valeurs respectives de hauteur des vagues à la surface de la mer, coefficient de rétrodiffusion et altitude du satellite.
- des moyens pour émettre des impulsions de mesure modulées en fréquence à destination d'une surface de mer,
- des moyens pour mélanger une impulsion de référence modulée en fréquence avec chacune desdites impusions de mesure modulées en fréquence reçues après réflexion sur ladite surface de mer, en un signal de mélange résultant,
- des moyens de transformation fréquentielle dudit signal de mélange résultant en un signal spectral d'échantillons comprenant successivement (a) - une première zone à faible niveau d'amplitude correspondant à un niveau de bruit thermique, (b) - une seconde zone à pente croissante abrupte se terminant par une crête et dépendant d'une hauteur des vagues à la surface de la mer, d'un coefficient de rétrodiffusion et de l'altitude dudit satellite, et (c) - une troisième zone à pente décroissante associée à un dépointage d'antenne du dispositif de mesure, et
- des moyens pour estimer à partir desdits échantillons dudit signal spectral, par un traitement de maximum de vraisemblance utilisant un modèle négligeant le dépointage de l'antenne, d'au moins l'une des valeurs parmi les valeurs respectives de hauteur des vagues à la surface de la mer, coefficient de rétrodiffusion et altitude du satellite.
Le dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour sélectionner ceux des échantillons dudit signal spectral qui sont compris dans une zone de sélection qui correspond auxdites première et seconde zones pour un niveau maximal prédéterminé de la hauteur des vagues sur la surface de la mer, ledit traitement de maximum de vraisemblance étant appliqués à ces seuls échantillons sélectionnés.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, en référence aux dessins annexés correspondants, dans lesquels
- la figure 1, déjà commentée, montre sous forme schématique un exemple préférentiel d'un dispositif de mesure embarqué dans un satellite émettant des impulsions de mesure sur la surface de la mer;
- la figure 2, également déjà commentée, montre un bloc-diagramme d'un dispositif de mesure selon la technique antérieure;
- la figure 3 représente un signal spectral caractérisant la surface de la mer qui est obtenu au moyen du dispositif de la figure 2;
- la figure 4 montre avec plus de détails les paramètres associés au signal spectral de la figure 2;;
- la figure 5 est un bloc-diagramme détaillé d'une unité d'estimation selon l'invention qui est incluse dans le dispositif de mesure de la figure 1; et
- la figure 6 montre deux signaux spectraux qui sont respectivement obtenus pour des niveaux minimal et maximal de la hauteur des vagues sur la surface de la mer, afin d'expliquer la mise en oeuvre de l'invention.
- la figure 1, déjà commentée, montre sous forme schématique un exemple préférentiel d'un dispositif de mesure embarqué dans un satellite émettant des impulsions de mesure sur la surface de la mer;
- la figure 2, également déjà commentée, montre un bloc-diagramme d'un dispositif de mesure selon la technique antérieure;
- la figure 3 représente un signal spectral caractérisant la surface de la mer qui est obtenu au moyen du dispositif de la figure 2;
- la figure 4 montre avec plus de détails les paramètres associés au signal spectral de la figure 2;;
- la figure 5 est un bloc-diagramme détaillé d'une unité d'estimation selon l'invention qui est incluse dans le dispositif de mesure de la figure 1; et
- la figure 6 montre deux signaux spectraux qui sont respectivement obtenus pour des niveaux minimal et maximal de la hauteur des vagues sur la surface de la mer, afin d'expliquer la mise en oeuvre de l'invention.
En référence aux figures 2 et 4, et comme introduit dans le préambule de la description, l'unité de poursuite 19 garantit le maintien du positionnement du signal spectral Vi(k), sous sa forme de la figure 4, dans une fenêtre de K échantillons. Elle garantit notamment le positionnement du point milieu de la zone du signal spectral à pente croissante abrupte Z2 en un point donné kl de la transformée de Fourrier rapide
FFT. I1 est rappelé que le signal spectral Vi(k) comprend successivement une première zone Z1 à faible niveau d'amplitude correspondant à un niveau de bruit thermique N, une seconde zone Z2 à pente croissante abrupte H se terminant par une crête et une troisième zone Z3 à pente décroissante 5.
FFT. I1 est rappelé que le signal spectral Vi(k) comprend successivement une première zone Z1 à faible niveau d'amplitude correspondant à un niveau de bruit thermique N, une seconde zone Z2 à pente croissante abrupte H se terminant par une crête et une troisième zone Z3 à pente décroissante 5.
Comme montré dans la figure 5, l'unité d'estimation selon l'invention comprend trois unités de sélection 201, 202 et 203 pour sélectionner respectivement ceux des échantillons du signal spectral d'une première zone de sélection S1, ceux des échantillons du signal spectral de cette première zone de sélection S1 et d'une seconde zone de sélection S2, et enfin ceux des échantillons du signal spectral d'une troisième zone de sélection S3. Les sorties de ces trois unités de sélection sont respectivement appliquées à une unité de mesure de bruit thermique 204, à une unité de traitement de maximum de vraisemblance 205 et à une unité de mesure 206 de dépointage de l'antenne 13.
Selon la réalisation décrite, l'unité de transformée de Fourier rapide, ou transformée fréquentielle, 18 opère sur K=128 points. L'unité de poursuite 19 garantit que le point milieu P des échantillons de la zone Z2 (Fig.4) soit maintenu à une abscisse donnée kl, tel que cela est décrit dans la thèse à laquelle il a déjà été fait référence.
L'unité de traitement de maximum de vraisemblance 205 opère selon le principe suivant:
Soit {Vk}k=1,K, les K échantillons d'un signal à traiter,
Vk}k=1,K, les K échantillons d'un signal modélisé associé à ce signal à traiter, et
{im}m=1,M, les M paramètres à estimer du signal à traiter,
l'équation d'estimation MLE s'écrit
m=l à M.
Soit {Vk}k=1,K, les K échantillons d'un signal à traiter,
Vk}k=1,K, les K échantillons d'un signal modélisé associé à ce signal à traiter, et
{im}m=1,M, les M paramètres à estimer du signal à traiter,
l'équation d'estimation MLE s'écrit
m=l à M.
Sa solution itérative est donnée par
O(n+1)=O(n) - ss (B.BT)B.D, m = 1 à M
ss étant une constante de valeur typiquement comprise entre 0,5 et 0,8
B et D étant des matrices respectivement définies par les éléments matriciels::
Bmk = 1/V k.#V k/##m, et
Dik = (Vk - Vk)/Vok
Dans notre cas, les M paramètres {0m}m=1,M sont définis par H, a et 1. et les échantillons Vk sont obtenus au moyen du modèle déjà introduit, à savoir le modèle V(t)=a/2.{1+erf[(tT)/(42.ac)]}, pour tsa; et V(t)=#/2.[1+er[(tT)/(#2.ac)]).exp[-α;(t-#)], pour tu
où o et X sont les paramètres introduits en référence à la figure 4,
ac = [0,513.T +(H/2c)], avec T désignant la durée des impulsions modulée en fréquence, H le paramètre de hauteur de vague, c la vitesse de la lumière, et
a = (4.c/'v.H), v étant égal à 0,725.sin2(0 e étant l'angle d'ouverture de l'antenne 13 du dispositif de mesure.
O(n+1)=O(n) - ss (B.BT)B.D, m = 1 à M
ss étant une constante de valeur typiquement comprise entre 0,5 et 0,8
B et D étant des matrices respectivement définies par les éléments matriciels::
Bmk = 1/V k.#V k/##m, et
Dik = (Vk - Vk)/Vok
Dans notre cas, les M paramètres {0m}m=1,M sont définis par H, a et 1. et les échantillons Vk sont obtenus au moyen du modèle déjà introduit, à savoir le modèle V(t)=a/2.{1+erf[(tT)/(42.ac)]}, pour tsa; et V(t)=#/2.[1+er[(tT)/(#2.ac)]).exp[-α;(t-#)], pour tu
où o et X sont les paramètres introduits en référence à la figure 4,
ac = [0,513.T +(H/2c)], avec T désignant la durée des impulsions modulée en fréquence, H le paramètre de hauteur de vague, c la vitesse de la lumière, et
a = (4.c/'v.H), v étant égal à 0,725.sin2(0 e étant l'angle d'ouverture de l'antenne 13 du dispositif de mesure.
Le modèle V(t), ou Vk, est défini à partir du modèle de Brown (convolution de trois termes, à savoir (1) - la réponse de la mer à une impulsion de Dirac, (2) - la réponse du dispositif de mesure pour une cible ponctuelle et (3) - la distribution des hauteurs des points à pente nulle de la surface), en négligeant le dépointage 5 de l'antenne.
Comme montré sur la figure 6, la zone à pente croissante abrupte Z2 (Fig.4) du signal spectral Vi(k) s'étale sur un nombre plus ou moins élevé d'échantillons k, en fonction de la hauteur des vagues à la surface de la mer, c'est à dire de la pente H de cette zone. En outre, l'abscisse du point milieu P est maintenu par l'unité de poursuite 19 en un échantillon donné, noté kl, quelque soit la pente du signal spectral Vi(k) dans la zone Z2.
L'étalement maximal du signal spectral Vi(k) dans la zone Z2 est obtenu pour une valeur maximale de la hauteur des vagues sur la mer, qui correspond à la courbe V2 dans la figure 6. La courbe V1 correspond pour sa part à un étalement minimal du signal spectral dans la zone Z2.
C'est à partir de cette courbe V2 que seront définies les zones de sélection S1, S1+S2 et S3 dans lesquelles sont respectivement sélectionnés les échantillons par les unités 201, 202 et 203.
Ainsi, l'unité 201 sélectionne les quelques premiers échantillons du signal spectral Vi(k) qui appartiennent à la zone Z1 pour un étalement maximal du signal spectral Vi(k) dans la zone Z2, lorsque la hauteur des vagues sur la mer prend une valeur maximale. L'unité de mesure de bruit thermique 204 mesure alors une moyenne de ces échantillons qui sont sélectionnés par l'unité 201.De préférence, la zone S1 est définie par un nombre minimal d'échantillons de sorte que la majorité des échantillons du signal spectral appartient aux deux autres zones de sélection
S2 et S3
L'unité 202 sélectionne ceux des échantillons du signal spectral Vi(k) qui sont compris dans une zone de sélection (S1+S2) qui est définie par les première et seconde zones Z1 et Z2 pour un niveau maximal prédéterminé de la hauteur des vagues sur la surface de la mer. I1 est rappelé que la première zone Z1 à faible niveau d'amplitude correspond à un niveau de bruit thermique N et que la seconde zone Z2 à pente croissante abrupte H se termine par une crête.Le traitement de maximum de vraisemblance mis en oeuvre par l'unité 205 de la manière définie précédemment s'applique alors à ces seuls échantillons sélectionnés de la zone (S1+S2).
S2 et S3
L'unité 202 sélectionne ceux des échantillons du signal spectral Vi(k) qui sont compris dans une zone de sélection (S1+S2) qui est définie par les première et seconde zones Z1 et Z2 pour un niveau maximal prédéterminé de la hauteur des vagues sur la surface de la mer. I1 est rappelé que la première zone Z1 à faible niveau d'amplitude correspond à un niveau de bruit thermique N et que la seconde zone Z2 à pente croissante abrupte H se termine par une crête.Le traitement de maximum de vraisemblance mis en oeuvre par l'unité 205 de la manière définie précédemment s'applique alors à ces seuls échantillons sélectionnés de la zone (S1+S2).
De même, l'unité 203 assure la sélection de ceux des échantillons du signal spectral Vi(k) qui sont compris dans une troisième zone de sélection S3 qui correspond à la troisième zone Z3 (Fig.4) pour un niveau maximal prédéterminé de la hauteur des vagues sur la surface de la mer. La mesure du dépointage de l'antenne en fonction de la pente décroissante 5 dudit signal spectral dans cette troisième zone de sélection est ensuite mise en oeuvre par l'unité 206 sur la base de ces échantillons sélectionnés de la zone S3.
Ainsi l'invention ne prévoit pas de corriger a posteriori le biais induit sur la mesure des valeurs prises par les paramètres H, a et X en fonction de la valeur prise par le paramètre 5 qui est calculée séparément, mais limite la mesure des valeurs prises par les paramètres H, a et T à partir des seuls échantillons pertinents du signal spectral Vi(k), à savoir les échantillons de la zone (S1+S2) pour limiter l'impact du dépointage 5 sur lesdits paramètres.
Bien que l'invention ait été décrite selon une réalisation préférée utilisant la technique du "full deramp", toute autre technique peut être utilisée pour l'obtention des échantillons Vi(k), telle que techniques d'émission d'impulsions brèves ou de compression d'impulsions par code. Toute technique utilisant (a) - une émission d'impulsions de mesure à destination de la surface de mer et (b) - une transformation fréquentielle d'un signal résultant de la réflexion de ces impulsions sur la surface de la mer, en un signal spectral d'échantillons, peut donc être retenue pour la mise en oeuvre de l'invention.
Par ailleurs, en vue de limiter les effets de bruit parasite dans le signal spectral d'échantillons
Vi(k), il peut être prévu d'exclure du traitement d'estimation certains échantillons, typiquement les échantillons latéraux extrêmes gauches, par exemple
Vi(1) à Vi(5), et droits, par exemple Vi(K-5) à Vi(K).
Vi(k), il peut être prévu d'exclure du traitement d'estimation certains échantillons, typiquement les échantillons latéraux extrêmes gauches, par exemple
Vi(1) à Vi(5), et droits, par exemple Vi(K-5) à Vi(K).
Claims (8)
1 - Procédé de mesure de type altimétrique destiné à être mis en oeuvre à bord d'un satellite (S), comprenant les étapes de
- émission d'impulsions (I') de mesure à destination d'une surface de mer (M),
- transformation fréquentielle (18) d'un signal résultant de la réflexion desdites impulsions sur la surface de la mer, en un signal spectral d'échantillons (Vi(k)) comprenant successivement (a) - une première zone (Z1) à faible niveau d'amplitude correspondant à un niveau de bruit thermique (N), (b) - une seconde zone (Z2) à pente croissante abrupte (H) se terminant par une crête et dépendant d'une hauteur des vagues à la surface de la mer (M), d'un coefficient de rétrodiffusion (a) et de l'altitude dudit satellite (S), et (c) - une troisième zone (Z3) à pente décroissante (Ç) associée à un dépointage d'antenne (13) du dispositif de mesure, et
- estimation (20) à partir desdits échantillons dudit signal spectral (Vi(k)), par un traitement de maximum de vraisemblance (205) utilisant un modèle négligeant le dépointage de l'antenne, d'au moins l'une des valeurs parmi les valeurs respectives de hauteur < H) des vagues à la surface de la mer (M), coefficient de rétrodiffusion et altitude du satellite,
caractérisé par une sélection (202) de ceux des échantillons dudit signal spectral qui sont compris dans une zone de sélection (S1+S2) qui correspond auxdites première et seconde zones (Z1, Z2) pour un niveau maximal prédéterminé de la hauteur des vagues sur la surface de la mer (M), ledit traitement de maximum de vraisemblance (205) étant appliqués à ces seuls échantillons sélectionnés.
2 - Procédé conforme à la revendiocation 1, caractérisé en ce que lesdites impulsions (I') de mesure sont modulées en fréquence et en ce que ladite étape de transformation fréquentielle est précédée par une étape de
- mélange d'une impulsion de référence (Iref) modulée en fréquence avec chacune desdites impulsions de mesure modulées en fréquence reçues (Ir) après réflexion sur ladite surface de mer (M), en ledit signal résultant.
3 - Procédé conforme à la revendication 1 ou 2, caractérisé par une sélection (203) de ceux des échantillons dudit signal spectral (Vi(k)) qui sont compris dans une troisième zone de sélection (S3) qui correspond à ladite troisième zone (Z3) pour un niveau maximal prédéterminé de la hauteur des vagues sur la surface de la mer, et une mesure du dépointage de l'antenne en fonction de la pente décroissante (Ç) dudit signal spectral dans cette troisième zone de sélection.
4 - Procédé conforme à la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé par une sélection (201) de ceux des échantillons dudit signal spectral (Vi(k)) qui sont compris dans une première zone de sélection (Z1) qui correspond à ladite première zone (Z1) pour un niveau maximal prédéterminé de la hauteur des vagues sur la surface de la mer, et une mesure du niveau de bruit thermique (N) en fonction du niveau moyen desdits échantillons sélectionnés de cette première zone de sélection (S1).
5 - Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par une poursuite (19) dudit signal spectral d'échantillons de sorte à le centrer dans la fenêtre fréquentielle de ladite transformée fréquentielle (18).
6 - Procédé conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que ladite poursuite opère de sorte que le nombre d'échantillons dudit signal spectral dans ladite première zone de sélection (S1) soit minimal.
7 - Dispositif de mesure de type altimétrique destiné à être embarqué à bord d'un satellite (S), comprenant
- des moyens pour émettre des impulsions (I') de mesure à destination d'une surface de mer (M),
- des moyens de transformation fréquentielle (18) d'un signal résultant de la réflexion desdites impulsions sur la surface de la mer, en un signal spectral d'échantillons (Vi(k)) comprenant successivement (a) - une première zone (Z1) à faible niveau d'amplitude correspondant à un niveau de bruit thermique (N), (b) - une seconde zone (Z2) à pente croissante abrupte (H) se terminant par une crête et dépendant d'une hauteur des vagues à la surface de la mer (M), d'un coefficient de rétrodiffusion (o) et de l'altitude dudit satellite (S), et (c) - une troisième zone (z3) à pente décroissante (Ç) associée à un dépointage d'antenne (13) du dispositif de mesure, et
- des moyens pour estimer (20) à partir desdits échantillons dudit signal spectral (Vi(k)), par un traitement de maximum de vraisemblance (205) utilisant un modèle négligeant le dépointage de l'antenne, d'au moins l'une des valeurs parmi les valeurs respectives de hauteur (H) des vagues à la surface de la mer (M), coefficient de rétrodiffusion et altitude du satellite,
caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour sélectionner (202) ceux des échantillons dudit signal spectral qui sont compris dans une zone de sélection (S1+S2) qui correspond auxdites première et seconde zones (Z1, Z2) pour un niveau maximal prédéterminé de la hauteur des vagues sur la surface de la mer (M), ledit traitement de maximum de vraisemblance (205) étant appliqués à ces seuls échantillons sélectionnés.
8 - Dispositif conforme à la revendicaton 7, caactérisé en ce que lesdites impulsions émises sont modulées en fréquence, et en ce qu'il comprend, en outre:
- des moyens pour mélanger une impulsion de référence (Iref) modulée en fréquence avec chacune desdites impusions de mesure modulées en fréquence reçues (Ir) après réflexion sur ladite surface de mer (M), en ledit signal résultant,
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| US7825851B2 (en) * | 2007-04-13 | 2010-11-02 | Honeywell International Inc. | History or image based methods for altitude determination in a radar altimeter |
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| FR2712095A1 (fr) * | 1993-11-05 | 1995-05-12 | Europ Agence Spatiale | Procédé de mesures altimétriques aériennes ou spatiales, notamment destiné à l'altimétrie des océans, et dispositif mettant en Óoeuvre un tel procédé. |
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1996
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1997
- 1997-02-21 US US08/804,378 patent/US5923283A/en not_active Expired - Fee Related
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| PAUL W. FIEGUTH , WILLIAM C. KARL , ALAN S. WILLSKY AND CARL WUNSCH: "Multiresolution optimal interpolation and statistical analysis of Topex/Poseidon satellite altimetry", IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING, vol. 33, no. 2, March 1995 (1995-03-01), NEW YORK , NY , USA, pages 280 - 292, XP002018061 * |
Also Published As
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| FR2745388B1 (fr) | 1998-04-17 |
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