FR3070766A1 - Systeme radar de poursuite ameliore - Google Patents
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Abstract
Ce système radar (10) de poursuite intègre un radar (12), un bloc de traitement du signal (14) et un bloc de traitement de l'information (16), le bloc de traitement du signal (14) étant propre à générer périodiquement un vecteur de mesure à partir des signaux électriques délivrés par le radar (12), et le bloc de traitement de l'information (16) étant propre à estimer une trajectoire d'un objet pisté à partir du vecteur de mesure généré par le bloc de traitement du signal (14). Le radar (12) est un radar actif, le vecteur de mesure est étendu et comporte, outre au moins une mesure d'une grandeur usuelle, au moins une mesure d'une grandeur supplémentaire obtenue à partir d'une analyse de la phase (Fk) des signaux électromagnétiques reçus par le radar (12).
Description
SYSTEME RADAR DE POURSUITE AMELIORE
La présente invention concerne le pistage de cible au moyen d’un système radar.
De manière classique, un système de détection d’un système radar de poursuite est constitué de deux blocs de traitement : un bloc de traitement du signal radar, qui fournit séquentiellement des mesures bruitées de position et éventuellement de vitesse radiale relatives d’objets (aussi dénommés « détections ») ; et un bloc de traitement de l’information, qui permet de pister un objet d’intérêt, c’est-à-dire d’estimer la trajectoire de cet objet (aussi dénommé « cible »).
Plus précisément, la fonction de pistage est réalisée à partir des mesures usuelles suivantes issues du bloc de traitement du signal radar :
une mesure de distance, correspondant à la distance radiale entre le radar du système radar et l’objet pisté, une mesure d’azimut, correspondant à l’angle, dans le plan horizontal, entre le radar et l’objet pisté,
- une mesure de site, correspondant à l’angle, dans le plan vertical, entre le radar et l’objet pisté, et
- éventuellement lorsque le système radar permet une exploitation de l’effet Doppler sur les échos reçus par le radar, une vitesse radiale relative entre le radar et l’objet pisté.
L’estimation de la trajectoire d’une cible peut alors se faire à partir de ces mesures usuelles au moyen d’algorithmes de traitement connus, tels qu’un filtre de Kalman, un filtre particulaire, ou toute autre méthode adaptée.
Les performances de l’estimation d’une cible en sortie du bloc de traitement de l’information sont limitées, d’une part par la quantité d’information apportée par les mesures, et d’autre part par le niveau de bruit.
Le problème à résoudre est donc celui de l’amélioration de l’estimation de la trajectoire d’une cible.
Une solution connue pour augmenter la quantité d’information disponible pour le pistage consiste à multiplier les senseurs (plusieurs radars éclairent un même objet) et/ou d’utiliser des senseurs additionnels au radar (boule optronique par exemple). L’algorithme de traitement de l’information mis en œuvre doit alors d’abord procéder à une fusion des données délivrées par ces différents senseurs afin de procéder ensuite à une estimation de la trajectoire d’un objet d’intérêt. Ceci est par exemple présenté dans le document Y. Bar-Shalom, P. K. Willett et X. Tian, «Tracking and data fusion: a handbook of algorithm ».
Le but de cette invention est de résoudre ce problème d’une autre manière.
Pour cela l’invention a pour objet un système radar de poursuite intégrant un radar, un bloc de traitement du signal et un bloc de traitement de l’information, le bloc de traitement du signal étant propre à générer périodiquement un vecteur de mesure à partir des signaux électriques délivrés par le radar, et le bloc de traitement de l’information étant propre à estimer une trajectoire d’un objet pisté à partir du vecteur de mesure généré par le bloc de traitement du signal, dans lequel, le radar étant un radar actif, le vecteur de mesure est étendu et comporte, outre au moins une mesure d’une grandeur usuelle, au moins une mesure d’une grandeur supplémentaire obtenue à partir d’une analyse de la phase des signaux électromagnétiques reçus par le radar.
Le système radar selon l’invention tire profit de l’analyse de la phase du signal radar reçu pour en déduire des mesures supplémentaires de distance, d’azimut et/ou de site. Ces mesures supplémentaires sont alors associées aux mesures usuelles pour réaliser le pistage, qui s’en trouve amélioré.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le système radar comporte une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la ou chaque mesure d’une grandeur supplémentaire est choisie parmi une de distance, un azimut et une élévation, ces grandeurs étant mesurées relativement entre le radar et un objet détecté ;
- la ou chaque mesure d’une grandeur usuelle est choisie parmi une distance, un azimut, une élévation et une vitesse radiale, ces grandeurs étant mesurées relativement entre le radar et un objet détecté ;
- le radar actif est un radar à antenne fixe à formation de faisceau comprenant plusieurs voies de réception ;
- le radar actif est un radar doppler ;
- le bloc de traitement du signal est propre à délivrer un premier vecteur de mesure ou un second vecteur de mesure, le premier vecteur de mesure comportant uniquement au moins une mesure d’une grandeur usuelle et le second vecteur de mesure étant le vecteur de mesure étendu, et dans lequel le bloc de traitement de l’information comporte un premier module d’estimation de trajectoire propre à traiter le premier vecteur de mesure et un second module d’estimation de trajectoire propre à traiter le second vecteur de mesure, le bloc de traitement de l’information comportant un module de sélection propre à sélectionner le module d’estimation parmi les premier et second modules d’estimation de trajectoire vers lequel transmettre un vecteur de mesure reçu en entrée du bloc de traitement de l’information ;
- le module de sélection du bloc de traitement de l’information est piloté par une commande corrélé temporellement à la génération d’un vecteur de mesure étendu par le bloc de traitement du signal.
L’invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui va suivre d’un mode de réalisation particulier, donné uniquement à titre d’exemple non limitatif, cette description étant faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation sous forme de blocs d’un mode de réalisation possible du système radar selon l’invention ; et,
- la figure 2 représente différents graphes de l’évolution temporelle de l’erreur sur l’estimation de la trajectoire d’une cible en sortie du système radar de la figure 1, pour différents vecteurs de mesure.
La figure 1 représente schématiquement un système radar selon l’invention.
Le système 10 comporte un radar 12, un bloc de traitement du signal 14 et un bloc de traitement de l’information 16.
Le radar 12 est un radar actif. Il s’agit plus précisément d’un radar doppler à antenne fixe à formation de faisceau comprenant plusieurs voies de réception.
Le bloc de traitement du signal 14 comporte, de manière classique un module 142 de détermination de mesures usuelles à partir des signaux délivrés par le radar 12.
Ces mesures usuelles sont la distance rk, l’azimut 6azk et l’élévation 0ei k relative entre le radar 12 et l’objet détecté.
Avantageusement, le système radar 10 fournit une mesure usuelle de vitesse radiale relative entre le radar 12 et l’objet détecté. Cette mesure usuelle est notée rk.
Le bloc de traitement du signal comporte un module 144 d’élaboration d’un premier vecteur de mesure noté : zk = [rk,eazk,eeik,rk].
Ce vecteur regroupe, pour un objet détecté, les mesures bruitées des quatre grandeurs usuelles à l’instant k.
Un tel premier vecteur de mesure est délivré avec une fréquence d’échantillonnage F.
Le bloc de traitement du signal 14 est également propre à fournir un jeu de mesures supplémentaires, qui sont issues de l’analyse de la phase des signaux reçus par le radar 12.
Le bloc de traitement de signal 14 comporte ainsi une chaîne 150 de détermination d’un second vecteur de mesure.
Le second vecteur de mesure est avantageusement constitué, en plus des mesures usuelles délivrées par le module 142, d’une mesure supplémentaire de distance rk, d’une mesure supplémentaire d’azimut 6azk et d’une mesure supplémentaire d’élévation ëeik.
La chaîne 150 comporte un module 152 de mesure de la phase (/>k à partir des signaux délivrés par le radar 12.
Puisqu’il convient de discerner la construction d’une mesure supplémentaire de distance de celles des mesures supplémentaires d’azimut et d’élévation, la chaîne 150 comporte un module de mesure de distance 154 et un module de mesure d’angle 156.
Le module de mesure de distance 154 détermine la mesure supplémentaire de distance fk à partir de la mesure de la phase </>k de la manière suivante.
La phase du signal reçu </>k est reliée à la distance rk selon la relation :
^=4^[27γ] (1) avec fe la fréquence du signal émis par le radar et c la vitesse de la lumière.
La relation (1) est établie modulo 2π, cependant, l’utilisation de différentes fréquences d’émission fe (entrelacement de fréquences d’émission) permet de lever l’ambiguïté introduite par le modulo.
Cette relation est connue de l’homme du métier. Elle est par exemple présentée dans le document Y. Cheng, X. Wang, T. Caelli et B. Moran, « Target tracking and localization with ambiguous phase measurements of sensor networks ». On notera que dans ce document le pistage est effectué par une pluralité de radars chaque radar se fondant uniquement que cette mesure de distance.
Le module de mesure d’angle 156 détermine les mesures supplémentaires d’azimut ëazk et d’élévation 0eZk à partir de la mesure de la phase </>k de la manière suivante.
Les traitements de la mesure de la phase du signal reçu </>k pour obtenir une mesure de l’azimut et une mesure de l’élévation résultent d’une analyse d’écartométrie monopulse de phase. Il s’agit d’utiliser plusieurs récepteurs pour mener un traitement de type interférométrique permettant de calculer l’angle d’arrivé.
Cette pluralité de récepteurs peut être apportée par un radar comportant plusieurs voies de réception.
En variante, la pluralité de récepteurs est obtenue par la mise en œuvre d’une technique du type radar à synthèse d’ouverture ou SAR connu de l’homme du métier, par exemple du document J. Darricau, « Physique et Théorie du Radar », 1994, 3eme édition. Une telle technique consiste, au cours du déplacement du récepteur unique du radar, à éclairer une cible à plusieurs reprises puis à traiter de manière cohérente les signaux reçus. L’antenne synthétique obtenue présente une longueur sensiblement équivalente au double de la longueur du déplacement, ce qui procure une très grande résolution angulaire et une très grande précision de localisation.
Comme expliqué dans le document M. Zink, H. Ottl et A. Freeman, « Design of a monopulse SAR System for the détermination of élévation angles » il est alors possible de mesurer les angles sous lesquels l’objet est détecté à partir à la fois des variations d’amplitude et de la phase du signal reçu.
La chaîne 150 comporte finalement un module 158 de détermination d’un second vecteur de mesure.
Le module 158 prend en entrée les mesures usuelles en sortie du module 142, la mesure de distance en sortie du module 154 et les mesures d’angle à la sortie du module 156 pour générer le second vecteur de mesure, noté zk = [^,0^, 9ei>k,rk,fk,9aZtk,9ekk].
Le second vecteur de mesure est donc enrichi par rapport au premier vecteur de mesure.
Les bruits sur les mesures supplémentaires issues du traitement de la phase ne sont pas nécessairement les mêmes que ceux des mesures usuelles.
Les vecteurs de mesure en sortie du bloc de traitement du signal 14 sont appliqués en entrée du bloc de traitement de l’information 16.
Le bloc 16 comporte un module d’adaptation 162. Celui-ci détermine la forme du vecteur de mesure qu’il reçoit.
Si le vecteur de mesure reçu a la forme d’un premier vecteur de mesure, le module d’adaptation 162 le transmet au premier module 164 d’estimation de trajectoire. Le module 164 estime la trajectoire de la cible en déterminant un état de la cible vek+1 à l’instant suivant.
Plus précisément, la trajectoire estimée de la cible est représentée au cours du temps par des vecteurs d’états stockant les positions, vitesses et accélérations sur les trois axes x, y et z. Ainsi, l’état à l’instant k est le vecteur : vek = [xk'^k> Xk< Yk> Ÿk> Ÿk< zk> Zk< Zkl·
Il est à noter que cette estimation utilise non seulement le vecteur de mesure à l’instant courant zk mais également l’état de la cible vek à l’instant courant tel que précédemment déterminé en sortie du bloc 16.
Si le vecteur de mesure reçu a la forme d’un second vecteur de mesure, le module d’adaptation 162 le transmet au second module 166 d’estimation de trajectoire.
Ainsi, lorsqu’elles sont disponibles, les mesures additionnelles sont utilisées, en plus des mesures usuelles, pour estimer la trajectoire de l’objet d’intérêt.
Le module 166 estime alors la trajectoire de la cible en déterminant un état de la cible vek+1 à l’instant suivant. L’algorithme d’estimation permettant cette estimation met par exemple en œuvre un filtre de Kalman « étendu » (EKF), un filtre de Kalman « sans parfum », un filtrage particulaire, une technique des moindres carrés, etc.
Il est à noter que cette estimation utilise non seulement le vecteur de mesure à l’instant courant zk mais également l’état de la cible vek à l’instant courant tel que précédemment déterminé en sortie du bloc 16.
Il est également à noter qu’on ne définit pas les mêmes relations entre zk et vek+1 d’une part et entre zk et vek+1 d’autre part. Même si l’algorithme d’estimation des modules 164 et 166 sont similaires, ils doivent être adaptés à la représentation dans l’espace d’état du vecteur de mesure reçu à l’instant courant.
Le module d’adaptation 162 peut être commandé par l’application d’une consigne C. Si la chaîne 150 d’utilisation de la mesure de phase est active, alors la consigne C permet de sélectionner le traitement par le module 166 du vecteur de mesure appliqué en entrée du bloc 16 qui prendra la forme d’un vecteur de mesure étendu. Sinon le module 164 sera sélectionné pour traiter le vecteur de mesure.
La figure 2 représente un premier graphe C1 de l’erreur sur l’estimation de l’état d’une cible en fonction du temps. Ce premier graphe est obtenu à partir des sorties du premier module 164 à partir donc des seules mesures usuelles.
Sur cette figure, est également représenté un second graphe C2 de l’erreur sur l’estimation de l’état d’une cible en fonction du temps. Ce second graphe est obtenu à partir des sorties du second module 166, l’estimation étant donc faite à partir non seulement des mesures usuelles, mais également des mesures supplémentaires.
On constate en moyenne une plus grande précision de l’état estimé à partir du vecteur d’état étendu.
En variante, les mesures supplémentaires issues de l’analyse de la phase du signal radar reçu ne sont pas délivrées en sortie du bloc 14 à la même fréquence d’échantillonnage que les mesures usuelles, mais à un multiple de la fréquence d’échantillonnage F des mesures usuelles.
Par exemple un second vecteur d’état est délivré toute les vingt-cinq secondes alors qu’un premier vecteur d’état est délivré toutes les secondes.
Le module d’adaptation 162 est alors commandé, par une consigne C adaptée, pour appliquer une fois sur vingt-cinq le vecteur de mesure reçu vers le module 166, et ceci en synchronisation avec la génération par le bloc 14 d’un vecteur de mesure étendu.
C’est ce qui est représenté sur la figure 2 par le graphe C3.
Ainsi, l’état estimé en sortie du bloc 16 est périodiquement recalé par la prise en compte d’un vecteur de mesure étendu qui comporte plus d’informations et conduit donc à une estimation plus précise pour le pas de temps suivant.
Le traitement proposé enrichit le vecteur de mesures usuelles par des mesures additionnelles issues du traitement de la phase du signal radar reçu.
Ces mesures additionnelles peuvent être générées de manière systématique ou périodique selon les besoins de précision d’estimation.
Bien que dans le mode de réalisation venant d’être présenté, on utilise comme mesures supplémentaires à la fois une mesure de distance, une mesure d’azimut et une mesure d’élévation, en variante l’une ou deux de ces grandeurs est(sont) utilisée(s), en plus des mesures usuelles pour le pistage. Ce choix dépend notamment du type de radar utilisé et des grandeurs qu’il peut permettre de déduire de la phase du signal reçu.
L’homme du métier constatera que la présente invention utilise conjointement des mesures radar usuelles et des mesures supplémentaires issues de l’analyse de la phase du signal radar reçu, et ceci à partir d’un seul radar. Les mesures étant plus nombreuses à chaque instant, la précision de l’estimation est accrue.
L’invention consiste en un radar doppler à antenne fixe à formation de faisceau comprenant plusieurs voies de réception pour lequel la fonction de pistage de cibles est améliorée par exploitation de la phase du signal radar reçu.
L’utilisation de plusieurs voies de réception permet à partir d’un traitement monopulse ou interférométrique de disposer de moyens de localisation angulaire en azimut et en élévation par exploitation de la phase du signal reçu. Le mouvement de la cible peut également être utilisé pour générer une antenne synthétique d’une longueur sensiblement équivalente au double de la longueur du déplacement, ce qui procure une très grande résolution angulaire et une très grande précision de localisation.
Il est alors possible de mener la poursuite de cibles en utilisant conjointement les mesures radar usuelles et des mesures radar issues de l’analyse de la phase du signal reçu.
Claims (7)
- REVENDICATIONS1, - Système radar (10) de poursuite intégrant un radar (12), un bloc de traitement du signal (14) et un bloc de traitement de l’information (16), le bloc de traitement du signal (14) étant propre à générer périodiquement un vecteur de mesure à partir des signaux électriques délivrés par le radar (12), et le bloc de traitement de l’information (16) étant propre à estimer une trajectoire d’un objet pisté à partir du vecteur de mesure généré par le bloc de traitement du signal (14), caractérisé en ce que, le radar (12) étant un radar actif, le vecteur de mesure est étendu et comporte, outre au moins une mesure d’une grandeur usuelle, au moins une mesure d’une grandeur supplémentaire obtenue à partir d’une analyse de la phase (</>fc) des signaux électromagnétiques reçus par le radar (12).
- 2, - Système selon la revendication 1, dans lequel la ou chaque mesure d’une grandeur supplémentaire est choisie parmi une de distance (fk), un azimut (6az>k) et une élévation (eelk), ces grandeurs étant mesurées relativement entre le radar et un objet détecté.
- 3, - Système selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la ou chaque mesure d’une grandeur usuelle est choisie parmi une distance (rfe), un azimut (f)azk), une élévation (eelk) et une vitesse radiale (ffe), ces grandeurs étant mesurées relativement entre le radar et un objet détecté.
- 4, - Système radar selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le radar actif est un radar à antenne fixe à formation de faisceau comprenant plusieurs voies de réception.
- 5, - Système radar selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le radar actif est un radar doppler.
- 6, - Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le bloc de traitement du signal (14) est propre à délivrer un premier vecteur de mesure (zfe) ou un second vecteur de mesure (zfe), le premier vecteur de mesure comportant uniquement au moins une mesure d’une grandeur usuelle et le second vecteur de mesure étant le vecteur de mesure étendu, et dans lequel le bloc de traitement de l’information (16) comporte un premier module d’estimation de trajectoire (164) propre à traiter le premier vecteur de mesure et un second module d’estimation de trajectoire (166) propre à traiter le second vecteur de mesure, le bloc de traitement de l’information (16) comportant un module de sélection (162) propre à sélectionner le module d’estimation parmi les premier et second modules d’estimation de trajectoire vers lequel5 transmettre un vecteur de mesure reçu en entrée du bloc de traitement de l’information (16).
- 7,- Système selon la revendication 6, dans lequel le module de sélection (162) du bloc de traitement de l’information (16) est piloté par une commande (C) corrélé 10 temporellement à la génération d’un vecteur de mesure étendu par le bloc de traitement du signal (14).
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