FR2775146A1 - Systeme radiometrique hyperfrequence interferometrique a balayage mecanique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un système radiométrique hyperfréquence interférométrique comprenant une antenne (1) soumise à un mouvement de rotation autour de la verticale avec un axe de visée (Z) formant un angle (theta) par rapport au nadir (DELTA), de manière à obtenir un balayage conique. L'antenne (1) est une antenne réseau plane, de type interférométrique à éléments distribués, de manière à ce que le champ de visée instantanée (CVI) soit constitué de pixels (P1 -Pn ), suivant au moins un axe (D) perpendiculaire au balayage conique, pour une antenne interférométrique unidimensionnelle, et suivant deux axes pour une antenne bidimensionnelle. Les éléments de l'antenne interférométrique (1) sont en outre connectés en sous-réseaux.

Description

SYSTEME RADIOMETRIQUE HYPERFREQUENCE
INTERFEROMETRIQUE A BALAYAGE MECANIQUE
La présente invention concerne un système radiométrique hyperfréquence interférométrique à balayage mécanique et plus particulièrement un système de ce type embarqué sur un satellite en orbite terrestre et utilisé pour l'observation de la surface du globe terrestre.

Il existe de nombreuses applications pour lesquelles il est nécessaire de disposer d'un système d'imagerie ou de cartographie. On peut citer de façon non exhaustive les applications aérospatiales, météorologiques, océanographiques et astronomiques.

Ces système s doivent présenter des performances élevées sous de nombreux aspects, ce qui conduit à des exigences qui peuvent apparaître sinon contradictoires, du moins difficiles à concilier.

Il est en effet souhaitable d'obtenir, tout à la fois, une résolution spatiale importante, une sensibilité élevée, une zone d'exploration large, un intervalle de temps de rafraîchissement court (retour sur la meme zone ou "revisit time selon la terminologie anglo-saxonne), et une couverture continue, tout en conservant un degré raisonnable de complexité, électrique mais surtout mécanique. La raison sous-jacente à la difficulté d'obtenir ces caractéristiques est qu'un radiomètre ne peut synthétiser une ouverture rayonnante en utilisant le mouvement orbital pour observer les radiations thermiques de la surface du globe terrestre qui sont comprises dans une bande de fréquences large. Ce fait limite la résolution spatiale pouvant être obtenue par un système radiométrique à la largeur de faisceau d'une ouverture rayonnante qui n'est pas plus importante que l'étendue physique de son antenne.

Un concept prometteur en radiométrie hyperfréquence, en vue d'obtenir les meilleures performances possibles, consiste à combiner un balayage conique et un "balayage en avant" à l'aide de plusieurs faisceaux (ou "pushbroom" selon la terminologie anglo-saxonne).

Parmi les systèmes de l'art connu, il est possible de citer, à titre d'exemples non limitatifs, les projets "MIMER" ("Multi-frequency Imaging Microwave Radiometer") et "EFAM" ("Extrem Floods Alarm Mission").

Le premier projet est décrit dans l'article de R.

BORDI et al. : MIMER Radiometer : Design, Calibration and expected Performance", "Microrad Conference", 1994.

"MIMR" fait usage d'une combinaison d'un balayage conique et d'un balayage avant dans deux canaux de fréquence élevée, en l'occurrence 36,5 et 89 GHz. Les faisceaux de balayage avant sont générés à l'aide de deux sources d'alimentation d'antenne parallèles et les systèmes récepteurs partagent un réflecteur principal unique. La rotation de ces faisceaux est obtenue par un mouvement de rotation mécanique de l'instrument dans sa totalité. Pour obtenir une couverture continue à partir d'une orbite d'altitude particulière, il est nécessaire que le capteur tourne à une vitesse prédéterminée.

De façon plus précise, pour un angle d'incidence de 50 degrés et en utilisant une ouverture rayonnante d'antenne de 1,5 m, la résolution spatiale au sol est de 12 et 4,5 km pour les canaux 36,5 GHz et 89 GHz, respectivement.

L'instrument est sur une orbite de 800 km. I1 est prévu deux faisceaux dans le canal 36,5 GHz et quatre faisceaux dans le canal 89 GHz.

Le deuxième projet est décrit dans l'article de
Pierdicca et al. : "Observing Storm Clouds by spaceborne
Multifrequency Microwave Radiometers", "ESA Earth
Observation Quaterly", N 49, 1995. Cet exemple est particulièrement intéressant, car il concerne l'application d'un radiomètre à la météorologie, et plus particulièrement à l'observation des nuages et des précipitations pluviales.

L'intérêt réside dans le fait que, pour cette application, la résolution spatiale doit etre élevée et le temps de rafraîchissement court. Ces exigences sont difficiles à satisfaire, car ce type de mission est basé sur de petites configurations de satellites. La taille de l'antenne est donc elle aussi limitée, au plus à 1 m, ce qui se traduit par une résolution spatiale au niveau du sol de 10 km à 36,5 GHz et 20 km à 89 GHz, à partir d'une orbite de 600 km.

I1 est nécessaire de prévoir une vitesse de rotation de 30 tours par minutes. On atteint une zone d'exploration de 1000 km pour un seul satellite. Il s'ensuit que plusieurs satellites sont nécessaires pour obtenir un temps de rafraîchissement court, typiquement quatre à six satellites.

On peut résumer les tendances qui se font sentir à l'heure actuelle comme suit : du fait d'une plus grande exigence en ce qui concerne la résolution spatiale, on assiste corrélativement à un enchaînement en spirale sans fin en ce qui concerne la complexité mécanique, ce pour les raisons décrites ci-dessous.

En effet, plus la résolution spatiale est élevée, plus la taille de l'antenne doit être importante et plus la vitesse de rotation du radiomètre doit être élevée, de façon à obtenir une couverture continue. I1 s'ensuit que le temps d'intégration disponible par pixel décroît, ce qui dégrade la sensibilité. La sensibilité peut certes être restaurée en prévoyant des faisceaux de "balayage avant" supplémentaires, ce qui permet de revenir à la vitesse de rotation originelle. Cependant, cet ajout de faisceaux entraîne à son tour une taille d'antenne plus importante, du fait de la gamme angulaire plus importante nécessitée par le jeu de faisceaux, chacun illuminant une zone effectivement différente du réflecteur. La configuration finale obtenue est celle d'un réflecteur de grandes dimensions (du fait de la résolution spatiale augmentée et de l'ajout de faisceaux de balayage). Elle comporte aussi plus de récepteurs (toujours du fait des faisceaux ajoutés), ces derniers tournant à la vitesse originelle. La faisabilité de cette configuration mécanique est très aléatoire, car il est connu que le moment d'inertie (et donc le couple) de l'instrument s'accroît exponentiellement avec la taille du réflecteur et linéairement avec sa masse.

L'invention se fixe pour but de rompre la "spirale" de complexité mécanique qui vient d'être rappelée et de surmonter les difficultés rencontrées dans le domaine de la radiométrie hyperfréquence selon l'art connu.

Elle permet d'obtenir, à la fois, une résolution spatiale élevée et une vitesse de rotation faible, tout en satisfaisant les exigences de sensibilité et largeur de la zone d'exploration.

Pour ce faire, le système radiomètrique selon l'invention combine trois caractéristiques techniques
- un balayage conique des faisceaux de type mécanique
- une technique d'interférométrie ; et
- l'utilisation d'antennes arrangées en sous-réseaux.

Ces techniques interagissent les unes sur les autres, de manière à ce que l'invention atteigne les buts qu'elle s'est fixés.

L'invention a donc pour objet un système radiométrique hyperfréquence interférométrique comprenant une antenne supportée par un satellite en orbite autour du globe terrestre et destiné à projeter un faisceau d'exploration d'une zone déterminée de la surface du globe terrestre, caractérisé en ce que ladite antenne est soumise à un mouvement de rotation autour d'un axe, dit de nadir, formant un angle déterminé par rapport à une direction dite de visée, de manière à obtenir un balayage conique autour de la direction du nadir et à ce que l'impact dudit faisceau effectue un mouvement cycloïdal, d'axe de symétrie confondu avec la trace du mouvement orbital dudit satellite sur la surface du globe terrestre, en ce que ladite antenne est une antenne réseau de type interférométrique, de manière à ce que le champ de visée instantanée soit constitué de zones contiguës élémentaires, dites pixels, suivant au moins un axe perpendiculaire audit balayage conique, et en ce que ladite antenne interférométrique est composée d'éléments discrets connectés en sous-réseaux.

L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui suit en référence aux figures annexées, parmi lesquelles
- la figure la et lb illustrent schématiquement le fonctionnement du système radiométrique selon l'invention avec une antenne interférométrique unidimensionnelle ;
- la figure 2 est un bloc diagramme montrant les interconnexions électriques principales du système des figures la et lb
- la figure 3 illustre schématiquement un exemple de réalisation concrète d'une antenne interférométrique unidimensionnelle
- la figure 4 est une courbe donnant le nombre de récepteurs nécessaires en fonction de la ligne de base maximum
- les figures 5 et 6 donnent la résolution spatiale obtenue en fonction de l'angle d'incidence du faisceau sur la surface du globe terrestre, suivant la direction du balayage et une direction perpendiculaire à celui-ci, respectivement
- la figure 7 illustre le mouvement cycloïdal effectué par l'impact du faisceau sur la surface du globe terrestre
- la figure 8 illustre schématiquement un exemple de réalisation d'une antenne interférométrique en deux | . . dimensions
- et la figure 9 illustre schématiquement le champ de vision instantanée obtenu avec une telle antenne.

Les caractéristiques les plus importantes de l'invention vont maintenant être détaillées. Comme il a été précédemment indiqué, le système radiomètrique hyperfréquence interférométrique selon l'invention fait appel aux trois techniques suivantes et les combine - un balayage conique des faisceaux de type mécanique - une technique d'interférométrie ; et - l'utilisation d'éléments d'antenne arrangés en sous
réseaux.

Du fait des interactions de la combinaison précitée, ces techniques interagissent les unes sur les autres de manière à ce que les avantages associés à chacune d'entre elles contrebalancent les inconvénients des deux autres techniques mises en oeuvre.

En tout premier lieu le balayage conique de type mécanique permet d'obtenir une largeur de zone d'exploration importante (ou "spath selon la terminologie anglo-saxonne).

Comme il a été indiqué, pour obtenir une résolution spatiale importante, il serait nécessaire de recourir à des antennes de grandes dimensions. Dans ce cas, il serait également nécessaire de compenser les moments, ce qui entraîne une grande complexité mécanique pour obtenir un mouvement de rotation d'une antenne de grande taille.

Pour obvier cet inconvénient, selon une deuxième caractéristique importante de l'invention, on fait appel à une technique d'interférométrie, ce qui autorise une vitesse de rotation faible, tout en conservant de bonnes performances en résolution spatiale.

Un interféromètre permet de synthétiser des pixels de petites tailles à l'intérieur de la zone d'exploration.

Ces pixels sont définis comme étant la région projetée sur la surface du globe terrestre GT de la largeur de faisceau à -3 dB de l'antenne équivalente synthétisée.

Pour ce faire, on utilise avantageusement une antenne plane à éléments distribués. Le fait qu'une antenne d'un interféromètre est plane présente des avantages certains par rapport à une antenne du type à réflecteur alimenté par des sources d'énergie radiante.

Cependant, les techniques d'interférométrie présentent à leur tour des inconvénients. L'inconvénient principal est dû au fait que le fonctionnement doit être cohérent en phase et qu'il soit nécessaire d'effectuer un traitement du signal interférométrique. En outre, un interféromètre en ondes millimétriques, ce qui est le cas, présente les deux limitations importantes suivantes
En premier lieu, la zone d'exploration est limitée par des effets de décorrélation, c'est-à-dire la décorrélation due à la bande passante et à la taille des capteurs. Plus ces paramètres sont importants (et aussi meilleure est la sensibilité), plus étroite est la zone d'observation. Cet effet indésirable est surmonté par le balayage mécanique rappelé ci-dessus, ce qui autorise une zone d'exploration de l'interféromètre inférieure à la zone d'exploration requise pour une application donnée.

En second lieu, il existe des interféromètres de type unidimensionnel et des interféromètres de type bidimensionnel. Ces deux types d'interféromètres doivent avoir des éléments d'antennes espacés de façon appropriée pour éviter les effets parasites des repliements d'image ("alias" selon la terminologie anglo-saxonne). L'espacement est typiquement de 0,5 X dans le cas d'un interféromètre unidimensionnel et de 0,58 x dans le cas d'un interféromètre bidimensionnel, avec X la longueur d'onde utilisée. On doit également obtenir un bon facteur de remplissage de l'antenne, facteur de remplissage qui doit être compatible avec la sensibilité recherchée. Dans le cas des ondes millimétriques, cela conduit à un grand nombre de récepteurs et une quantité très importante de corrélateurs. Cet inconvénient est résolu par l'invention en utilisant des réseaux dispersés d'éléments d'antenne, c'est-à-dire en mettant en oeuvre des sousréseaux.

En effet, selon une troisième caractéristique importante de l'invention, on recourt à une technique de sous-réseaux. Cette technique se réfère à la combinaison de plusieurs éléments d'un réseau pour former un élément combiné de telle façon que deux éléments combinés successifs sont espacés d'une distance inférieure à leur longueur.

Cette disposition permet dans le cas d'un interféromètre d'échantillonner le champ avec un espacement inférieur à la taille des éléments combinés, ce qui présente un impact double, comme indiqué ci-dessous
D'un côté, des éléments plus grands et plus directifs peuvent être réalisés de manière à améliorer le facteur de remplissage de l'antenne interférométrique distribuée sans modifier l'espacement entre éléments combinés.

D'un autre côté, des espacements plus importants que le maximum admissible pour fonctionner dans des conditions sans repliement peuvent être utilisées à condition que l'illumination et la forme des éléments combinés directeurs et l'espacement soient sélectionnées de façon appropriée. Un fonctionnement dans des conditions de très faible repliement est possible en utilisant une illumination uniforme d'ouvertures rayonnantes hexagonales en interférométrie bi dimensionnelle. L'équivalent, en interférométrie unidimensionnelle, est constitué par l'illumination uniforme d'une ouverture rayonnante rectangulaire.

On va maintenant décrire, de façon schématique, un système radiomètrique hyperfréquence interférométrique selon l'invention, et dont les caractéristiques principales viennent d'être rappelées, en regard des figures la et lb.

Il doit être bien entendu que le système radiométrique hyperfréquence interférométrique selon l'invention peut inclure un interféromètre aussi bien du type unidimensionnel que du type bidimensionnel, le premier type présentant toutefois une complexité moins élevée. Pour fixer les idées, on va considérer ci-après un système radiométrique incorporant un interféromètre du premier type, c'est-à-dire unidimensionnel.

Comme il a été indiqué ci-dessus, on utilise avantageusement dans ce cas une ouverture rayonnante rectangulaire uniformément illuminée. L'antenne interférométrique 1 est mise en rotation de façon mécanique, de manière à obtenir un balayage conique autour d'un axe de rotation A confondu avec la direction du nadir sous l'antenne 1. Sur la figure la, l'antenne 1 est disposée dans un plan XY incliné par rapport à la direction du nadir (axe A) . L'axe Z, qui forme avec les deux axes précédents XY un trièdre orthonormé, constitue l'axe de visée ("boresight" selon la terminologie anglo-saxonne). Lorsque l'antenne 1 est mise en rotation autour de la direction du nadir, c'està-dire de l'axe A, l'axe de visée Z décrit un cône de demiangle au sommet 0. Le champ de vision instantanée CVI ("IFOV" selon la terminologie anglo-saxonne) s'étend suivant une direction D perpendiculaire à la trace TB du balayage sur le sol du globe terrestre GT. L'angle de balayage y représente l'angle que forment, à un instant donné du balayage conique du faisceau, la direction D et la trace T sur le globe terrestre GT du mouvement du satellite support de l'antenne 1.

Le champ de vision instantanée CVI correspond à la largeur de faisceau de chaque élément d'antenne qui consiste avantageusement en une ouverture rayonnante rectangulaire allongée, uniformément illuminée.

La figure lb illustre très schématiquement une antenne plane 1 pour une interférométrie unidimensionnelle.

Elle comporte m éléments d'antenne, EA1 à EAm, constitués d'ouvertures rectangulaires distribuées le long de l'axe Y.

Le grand côté de chaque élément d'antenne, EA1 à BAin, r est orienté perpendiculairement au plan de site YZ, permettant d'obtenir la résolution spatiale recherchée suivant la direction de balayage TB (azimut) du fait de ses dimensions physiques. La résolution spatiale suivant une direction D (site) perpendiculaire à la trace de balayage TB est obtenue par interférométrie, selon une des caractéristiques importantes de l'invention, et plusieurs pixels, P1 à pn, peuvent être synthétisés simultanément à l'intérieur du champ de vision instantanée CVI.

Les éléments, EA1 à EAm, de l'antenne interférométrique 1 peuvent être uniformément répartis, ce qui entraîne un grand nombre d'éléments. I1 est possible d'optimiser le nombre d'éléments d'antenne, c'est-à-dire en les distribuant tout en conservant toutes les lignes de base nécessaires pour obtenir le traitement de synthèse d'ouverture rayonnante. Pour ce faire, les éléments d'antenne, EA1 à EAm, sont disposés le long de l'axe Y en des endroits "stratégiques", en fonction de la longueur d'onde utilisée k. En soi, cette technique est connue et on pourra se référer à l'article de C. S. Ruf, intitulé "Numerical Annealing of Low-Redundancy Linear Arrays", "IGARSS"93, 1993. Par cette technique, on diminue fortement la redondance et, donc, le nombre d'éléments d'antennes. Une antenne de ce type sera illustrée ci-après en regard de la figure 3.

Le facteur de remplissage est conservé suffisamment élevé en arrangeant les éléments d'antennes, EA1 à EAm, en sous-réseaux. Cette disposition, conforme à une autre caractéristique importante de l'invention, permet de satisfaire une exigence de sensibilité en température typiquement de l'ordre de 0,5 à 1 "K. L'arrangement de l'antenne 1 en sousréseaux implique l'utilisation d'amplificateurs de signaux et de combinateurs à plusieurs positions de manière à former les éléments combinés.

La figure 2 illustre schématiquement, sous forme de bloc diagramme, la configuration de l'antenne 1 en sousréseaux et des circuits électroniques associés. Pour fixer les idées, on a supposé, dans un but de simplification, que l'antenne 1 ne comportait que six éléments d'antenne, référencés AE1 à AE6. Ces éléments d'antenne sont regroupés en sous-réseaux et les signaux de sortie, SAE1 à SAE6 sont distribués sélectivement à une série de corrélateurs 2, répartis en cinq groupes (dans l'exemple. décrit) : 12 à 14, 23 à 26, 34 à 36, 45 et 46, et 56, c'est-à-dire comprenant, respectivement, de cinq corrélateurs à un corrélateur unique. Dans l'exemple illustré, le signal SAE1 du premier élément d'antenne AE1 est transmis à tous les corrélateurs du premier groupe : 12 à 16, le signal SAE2 du deuxième élément d'antenne AE2 est transmis au corrélateur 12 et à tous les corrélateurs du deuxième groupe : 23 à 26, le signal SAE3 du troisième élément d'antenne AE3 est transmis aux corrélateurs 13, 23 et à tous les corrélateurs du troisième groupe 34 à 36, le signal SAE4 du quatrième élément d'antenne AE4 est transmis aux corrélateurs 14, 24, 34, et à tous les corrélateurs du quatrième groupe : 45 et 46, le signal SAE5 du cinquième élément d'antenne AEg est transmis aux corrélateurs 15, 25, 35, 45 et au corrélateur unique 56 du cinquième groupe, et le signal SAXES du sixième élément d'antenne AE6 est transmis aux corrélateurs 16, 26, 36, 46 et 56.

Les signaux de sortie de ces différents corrélateurs 2 sont transmis à des circuits de Transformée de
Fourier 3 qui délivrent les signaux représentant des pixels d'image, ici quinze pixels pl à P15, composant le champ de visée instantanée CVI ( figure la).

Selon le type d'application, on peut se fixer deux objectifs, qui s'avèrent divergents : un minimum de complexité mécanique ou un minimum de complexité des circuits électroniques.

La complexité mécanique dépend essentiellement de la vitesse de rotation du système radiométrique hyperfréquence interférométrique, c'est-à-dire aussi de l'antenne 1. Un minimum de complexité mécanique peut donc être atteint lorsque la vitesse de rotation est faible, ce qui est à son tour rendu possible lorsque le système se trouve dans des conditions de fonctionnement exemptes de repliement d'image ("alias-free") . Ceci est possible lorsque l'espace entre éléments d'antenne est égal typiquement à 0,5 B. La dimension de l'élément d'antenne en site est choisie avantageusement comme étant le minimum pour lequel le facteur de remplissage du réseau distribué est compatible avec la sensibilité recherchée. Pour fixer les idées et à titre d'exemple, des éléments d'antenne de longueur 2k sont propres à obtenir une conversion en des facteurs de remplissage appropriés de plus de 20 %.

Les dimensions d'un élément d'antenne relativement faible en site procure un champ de vision instantané important suivant la direction D et autorise une vitesse de rotation faible. Par contre, l'espacement faible entre éléments entraîne un nombre important de récepteurs et de corrélateurs, contrairement au mode de réalisation qui va maintenant être décrit.

En effet, si on désire un minimum de complexité en ce qui concerne les circuits électroniques, c'est-à-dire un minimum de récepteurs et de corrélateurs, il est nécessaire de fonctionner sous des conditions de repliement faible, ce qui se réalise lorsque l'espacement entre élément de l'antenne 1 est supérieur à 0,5 k. Dans ce cas, des images repliées viennent s'interposer dans le champ de vue de l'antenne 1. Pour calculer le niveau perturbateur de repliement à l'intérieur du champ de vision instantanée CVI, la hauteur h de l'orbite Ob suivie par le satellite (non représenté) portant l'antenne 1 (c'est-à-dire la distance séparant l'antenne 1 de la projection T (ou trace) de cette orbite Ob sur le globe terrestre GT) et l'angle d'incli- naison du plan XY de l'antenne 1 doivent être pris en compte. En effet, seul le repliement d'image du disque terrestre est à considérer. Le ciel froid est à une très faible température, connue et constante (2,7 K) qui peut donc être très facilement corrigé. Une ouverture rayonnante uniformément illuminée a la propriété de présenter des zéros à tous les centres de repliement, dont le résultat est la présence d'une région à faible repliement autour de la direction de visée Z. La taille relative de la gamme angulaire à faible repliement, comparée au champ de visée instantanée CVI (c'est-à-dire la largeur de faisceau des éléments d'antenne) s'accroît proportionnellement au rapport entre la faible dimension des éléments d'antenne, EA1 à BAin, et l'espacement minime entre ceux-ci. Typiquement, un rapport de quatre entre la hauteur et l'espacement des éléments conduit à un niveau de repliements inférieur à -20 dB sur la majeure partie du champ de vision instantanée CVI.

La région de faible repliement est la partie effective du champ de vision instantanée CVI pour laquelle les pixels, pi à Pn (figure la) peuvent être synthétisés avec la précision radiométrique requise.

Un espacement important entre éléments d'antennes,
EA1 à BAin, conduit directement à un plus faible nombre de récepteurs et de corrélateurs. La haute directivité des éléments et la présence de repliement diminue la partie utilisable du champ de vision instantanée CVI (perpendiculairement au balayage) et requière une vitesse de rotation plus importante que dans le mode de réalisation précédemment décrit.

Ce qui vient d'être explicité pour une antenne pour interférométrie unidimensionnelle s'applique également à une antenne pour interférométrie bidimensionnelle.

Pour fixer les idées, on va maintenant décrire un exemple de réalisation pratique d'un système radiomètrique hyperfréquence interférométrique conforme à l'invention, applicable à la cartographie pluviale.

Le niveau de l'orbite h est de 800 km a été choisi pour obtenir la zone d'exploration la plus importante possible et, donc également, l'intervalle de rafraî- chissement le plus court possible. On a sélectionné deux fréquences, 36,5 et 89 GHz et une polarisation du faisceau unique. On va seulement détailler ci-après les caractéristiques obtenues avec la fréquence basse, c'est-àdire 36,5 GHz.

L'angle d'incidence a entre la normale à la surface du globe terrestre GT et l'inclinaison du faisceau, entre le pixel pl et le pixel pn, varie dans l'exemple décrit entre 25 degrés minimum et 56 degrés maximum, l'angle e entre l'axe Z et la normale N, au point d'impact de l'axe Z, étant choisi égal à 34,84 degrés.

On se fixe comme objectif une résolution de 5 km, suivant les directions D et TB, pour un angle d'incidence de 50 degrés.

Les équations gouvernant les antennes interférométriques du type linéaire plane à éléments dispersés permettent de dériver, à partir de la hauteur h = 800 km de l'orbite suivie et de la résolution spatiale désirée de 5 km suivant les deux directions précitées, les dimensions des éléments, EA1 à EAm, de l'antenne 1, leur nombre et leur localisation sur l'axe Y. Dans ces conditions, en supposant que l'on sélectionne une fenêtre de Hamming à transition progressive dans les deux directions, en vue d'obtenir une efficacité de faisceau élevée, les dimensions globales de l'antenne 1 sont égales à 3,3 m, suivant l'axe Y (ou Ly = 403 X, pour la dimension suivant Y exprimée en longueurs d'onde) et 2,1 m (206 A) suivant l'axe X, (ou LX = 403 X, pour la dimension suivant X exprimée en longueurs d'onde), comme illustré sur la figure lb.

Un exemple de réalisation pratique d'antenne 1, plane à éléments dispersés, est illustré par la figure 3.

Les dimensions physiques de l'antenne sont celles qui viennent d'être rappelées et elle comprend 22 éléments. Tous les éléments d'antenne, AE1 à AE22 ont une forme identique rectangulaire et les mêmes dimensions : 206k suivant l'axe X (de part et d'autre dune origine zéro correspondant à l'axe Z : figures la et lb) et 2R suivant l'axe Y. On constate cependant que, d'une part, les éléments, AE1 à
AE22, sont répartis de façon non uniforme, d'autre part, que certains éléments se chevauchent : les éléments AE1 à AE3,
AE6 et AE7, AE18 et AE19, ainsi que AE21 et AE22. La répartition exacte le long de l'axe Y est obtenu par le calcul, ces calculs pouvant être automatisés en faisant appel à des programmes spécialisés de calcul d'antennes. L'objectif à atteindre est de minimiser la redondance (nombre d'éléments d'antenne), tout en obtenant un fonctionnement correct et les caractéristiques techniques rappelées ci-dessus.

L'interférométrie est obtenue en site et le critère de minimum de complexité mécanique a été appliqué. La longueur maximale de ligne de base en site est de 403 X ce qui permet 806 points d'échantillonnage dans un domaine de fréquence spatiale à espacement 0,5 B. Une extrapolation de la figure 4, qui donne le nombre de récepteurs en fonction de la ligne de base maximum (806 points d'échantillonnage), indique que cette ligne de base maximum peut être réalisée à l'aide de 51 récepteurs. La figure 4 est extraite de l'article de C. S. Ruf précité. En adoptant un faible degré de chevauchement tout au long (axe Y) du réseau formé par les éléments, le facteur de remplissage peut être estimé à 51/806 = 0,063 fois la dimension de l'élément d'antenne en site, exprimé en unités d'espacement. Pour obtenir un facteur de remplissage au-dessus de 20 %, un rapport de quatre est choisi entre la dimension d'élément et l'espacement. La dimension d'élément en site devient 2S et le facteur de remplissage 25% environ.

La largeur de faisceau dans le plan de site de l'élément d'antenne correspond à une ouverture uniformément illuminée, de taille 2R,</

Puisque la direction de visée (axe Z) forme un angle a d'environ 40 degrés avec la normale N à la surface du globe terrestre GT, le plan XY de l'antenne 1 est incliné de façon à ce que le nadir (axe A) et la direction de visée (axe Z) forment un angle 0 de 34,8 degrés. Quand l'antenne 1 est mise en rotation autour de la direction du nadir (axe
A), le champ de vision instantanée CVI balaie la surface du globe terrestre GT. La figure 7 illustre ce mouvement de balayage composite cycloïdale. En effet, à la rotation de l'antenne 1 autour de l'axe A se superpose la projection du mouvement orbital de celle-ci. De façon plus précise, les courbes C1, Cx (courbe intermédiaire en pointillés) et Cn illustrent les déplacements des pixels pl, px (intersection de l'axe Z), et pn, respectivement, sur la surface du globe terrestre GT, c'est-à-dire les angles incidence a : 25, 40 et 56 degrés. Sur cette figure 7, il est facile de constater que, lorsque la projection du mouvement de l'antenne 1 sur la surface du globe terrestre GT (sur la trace T) a parcouru 625 km (dans l'exemple décrit), il est nécessaire que l'antenne ait effectué une révolution complète sur elle-même pour obtenir une couverture continue, ce qui détermine la vitesse de rotation ou, ce qui revient au même, la période de rotation. Dans l'exemple pratique décrit, cette période de rotation est de 93 s. La largeur utile L de la zone d'exploration est de 1800 km environ, soit + 900 km de part et d'autre de la coordonnée X = 0 (suivant la direction TB).

La vitesse équivalente de rotation est de 0,64 tours par minute. Cette vitesse de rotation est suffisamment faible pour que l'on puisse utiliser un satellite tournant avec un volant inertiel de compensation. Cela signifie qu'il n'y a nul besoin de recourir à des organes en rotation (joints tournants, etc.) dans l'instrument ou qu'il n'y a pas besoin non plus que l'antenne 1 soit en mouvement de rotation par rapport au satellite (non représenté), ce qui présente un avantage important.

Le temps d'intégration du pixel px (sur la direction de visée : axe Z) est de 112 ms. En admettant que la température de bruit du système (aussi bien de la scène observée que des récepteurs) est 800 OK, que la sensibilité radiométrique doit être de 0,7 "K et en tenant compte de la valeur du facteur de remplissage (0,25 environ), une bande passante de 183 MHz est nécessaire.

Le nombre de corrélateurs complexes nécessaire est égal au nombre de points d'échantillonnage (806 points), ce qui correspond en réalité à un nombre double de corrélateurs (parties réelles et imaginaires), c'est-à-dire 1612 corrélateurs. il s'ensuit que le produit bande passante x nombre de corrélateurs", donnant le degré de complexité électrique, est 295 GHz.

De façon pratique, l'antenne 1 peut être réalisée sous forme d'un réseau de guides d'onde à fentes. Pour obtenir une bande passante suffisante et une insensibilité aux erreurs de tolérances de fabrication, il est nécessaire que le réseau d'alimentation des guides d'onde pour chaque sous-réseau consiste en une structures résonante. A titre d'exemple, chaque sous-réseau de 206R > < x 2k 2X peut consister en trois à quatre guides empilés en site, ayant chacun quatre sections en azimut. La masse estimée d'une telle antenne, en excluant le mécanisme de déploiement, les récepteurs et l'électronique radiofréquence associée est d'environ 30 kg.

Les pertes électriques sont estimées à 1 dB.

Les sous-réseaux qui ne se chevauchent pas sont connectés, chacun à un récepteur différent. Ce récepteur est réalisé en technologie dite "MMIC" (de tZMonolithic Microwave
Integrated Circuit", ou circuit intégré monolithique microonde). Les signaux délivrés par les guides d'onde appartenant à des réseaux se chevauchant doivent être tout d'abord amplifiés, puis divisés et enfin recombinés avec les signaux des guides d'onde voisins pour réaliser la dimension de sous-réseau requise.

Dans l'exemple décrit, il existe 51 sous-réseaux et les signaux correspondants sont avantageusement transposés par abaissement de fréquence et numérisés en signaux de 1 bit. Ces signaux numérisés de fréquence intermédiaire sont alors transmis à l'unité de corrélation qui réalise 1612 corrélations réelles sur 1 bit.

Comme il a été indiqué, l'invention englobe également les antennes pour une interférométrie bidimensionnelle. Dans cette configuration, les éléments d'antenne sont avantageusement constitués par des ouvertures rayonnantes hexagonales. L'antenne proprement dite sera également avantageusement plane comme pour une antenne unidimensionnelle (figure 3). Sa configuration sera préférentiellement celle d'un "Y" de centre de symétrie confondue avec l'axe Z (axe de visée). Les branches du "Y" sont disposées à 120 degrés les unes des autres.

La figure 8 illustre schématiquement un exemple d'une telle antenne référencée 1'. Les trois axes à 120 degrés sont référencés Al à A3. Les éléments d'antennes ont été représentés avec différentes sortes de hachures. De façon avantageuse, les sous-réseaux regroupent des éléments d'antennes arrangés sous une configuration hexagonale. On a représenté un de ces sous-réseaux, d'indice arbitraire x, par la référence SRx. il comprend six éléments d'antenne
AExl à AEx6, répartis de façon symétrique par rapport à l'axe A2. Dans l'exemple de configuration particulière illustrée par la figure 8, la zone centrale, autour de l'axe Z est vide, c'est-à-dire ne comporte pas d'élément d'antenne.

De nombreuses autres configurations sont possibles (par exemple des sous-réseaux à configuration en triangle), avec recouvrement ou non des ouvertures rayonnantes, c'està-dire des éléments d'antenne.

Avec ce type d'antenne interférométrique en deux dimensions, on obtient un champ de visée instantanée, ici référencé CVI', constitué de pixels, non seulement suivant la direction D, comme dans le cas d'une antenne interférométrique unidimensionnelle (figures la, lb et 3), mais aussi suivant la direction du balayage TB, comme le montre schématiquement la figure 9. A titre d'exemple, on a représenté le pixel Pxy à l'impact de l'axe de visée Z sur la surface du globe terrestre GT.

A la lecture de ce qui précède, on constate aisément que l'invention atteint bien les buts qu'elle s'est fixés.

Il doit être clair cependant que l'invention n'est pas limitée aux seuls exemples de réalisations explicitement décrits, notamment en relation avec les figures 1 à 8. En particulier de nombreuses configurations d'antenne peuvent convenir dans le cadre de l'invention.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Système radiométrique hyperfréquence interférométrique comprenant une antenne (1,1') supportée par un satellite en orbite autour du globe terrestre (GT) et destiné à projeter un faisceau d'exploration d'une zone déterminée de la surface du globe terrestre (GT), caractérisé en ce que ladite antenne (1, 1') est soumise à un mouvement de rotation autour d'un axe (A), dit de nadir, formant un angle déterminé (0) par rapport à une direction dite de visée (Z), de manière à obtenir un balayage conique autour de la direction du nadir (A) et à ce que l'impact dudit faisceau effectue un mouvement cycloïdal (C1, Cx, Cn), d'axe de symétrie confondu avec la trace (T) du mouvement orbital dudit satellite sur la surface du globe terrestre (GT), en ce que ladite antenne (1, 1') est une antenne réseau de type interférométrique, de manière à ce que le champ de visée instantanée (CVI,

CVI') soit constitué de zones contiguës élémentaires, dites pixels (P1-Pn, Pxy), suivant au moins un axe (D) perpendiculaire audit balayage conique, et en ce que ladite antenne interférométrique (1, 1') est composée d'éléments discrets (AE1-AEn, AExl-AEx6) connectés en sous-réseaux (SRx).

2. Système radiométrique hyperfréquence interférométrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite antenne interférométrique (1, 1') est une antenne plane et en ce que le plan (XY) de l'antenne (1) est incliné par rapport à la direction du nadir (A) de manière à ce que l'axe normal (Z) audit plan forme ledit angle déterminé (0), cet angle étant égal au demi angle au sommet du cône de balayage autour de la direction du nadir (A).

3. Système radiométrique hyperfréquence interférométrique, selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite antenne interférométrique (1) étant du type unidimensionnel, elle comprend une pluralité d'éléments (AE1-

AEn) constitués d'ouvertures rayonnantes uniformément illuminées par une énergie radiante dans la gamme des longueurs d'onde hyperfréquence, en ce que ces éléments (AE1-AEn) ont une forme rectangulaire dont le grand côté (Lx) est égal à la dimension de ladite antenne (1) suivant un axe (X) perpendiculaire au plan de site (YZ) et en ce que lesdits éléments (AE1-AEn) sont distribués le long d'un axe (Y) perpendiculaire audit grand côté (Lx).

4. Système radiométrique hyperfréquence interférométrique, selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite distribution est non uniforme, de manière à réduire la redondance desdits éléments d'antenne (AE1-AEn).

5. Système radiométrique hyperfréquence interférométrique, selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que ladite antenne (1) a la configuration d'une fenêtre de Hartirning de dimensions 403x206 X, les dimensions des éléments d'antenne 2x206 X, le facteur d'échantillonnage spatial 0,5 x et le facteur de remplissage 0,25, avec X la longueur d'onde utilisée, comprise dans la gamme des hyperfréquences.

6. Système radiométrique hyperfréquence interférométrique selon la revendication 5, caractérisé en ce que la vitesse de rotation animant ladite antenne (1) autour de la direction de nadir (A) est de 0,6452 tr/mn.

7. Système radiométrique hyperfréquence interférométrique suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ladite antenne interférométrique (1') étant du type bidimensionnelle, elle comprend une pluralité d'éléments (AExl-AEx6) constitués d'ouvertures rayonnantes uniformément illuminées par une énergie radiante dans la gamme des longueurs d'onde hyperfréquence, en ce que ces éléments sont de forme hexagonale et sont répartis symétriquement suivant trois axes (Al-A3) formant entre eux des angles de 120 degrés, de manière à présenter une configuration en "Y", et en ce que le centre de symétrie du "Y" est confondu avec ledit axe de visé (Z).

8. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits éléments d'antenne hexagonaux (AExl-AEx6) sont répartis en sous-réseaux (SRx) de forme également hexagonale.

9. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'angle d'incidence (cri) dudit axe de visée (Z) avec la normale (N) à la surface du globe terrestre (GT) est de 40 degrés.

10. Système radiométrique hyperfréquence interférométrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite fréquence utilisée est choisie parmi les deux fréquences 36,5 GHz ou 89 GHz.