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FR3116127A1 - Système radar d'imagerie à entrées et sorties multiples de type MIMO. - Google Patents

Système radar d'imagerie à entrées et sorties multiples de type MIMO. Download PDF

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FR3116127A1 FR2011577A FR2011577A FR3116127A1 FR 3116127 A1 FR3116127 A1 FR 3116127A1 FR 2011577 A FR2011577 A FR 2011577A FR 2011577 A FR2011577 A FR 2011577A FR 3116127 A1 FR3116127 A1 FR 3116127A1
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Abstract

L’invention se rapporte à un système radar d’imagerie à entrées et sorties multiples de type MIMO, comprenant : - des voies d’émission (Ve1, VeM,) ; - des voies de réception (Vr1, VrN) ; - des éléments rayonnants (ERe1, EReM, ERr1, ERrN) colocalisés formant un réseau antennaire en deux dimensions, chaque élément rayonnant (ERe1, EReM, ERr1, ERrN) ayant un domaine de couverture instantané prédéfini ; chaque élément rayonnant étant formé par une pluralité de p sous-éléments rayonnants (SeElt1, SsEltp) répartis selon au moins une des deux dimensions du réseau antennaire, le radar comprenant une pluralité de modules de dépointage électronique (MDe1, …, MDrN), chaque module de dépointage électronique étant connecté à un élément rayonnant, chaque module de dépointage étant configuré pour appliquer une commande de dépointage (Cmd) entre tous les sous-éléments rayonnants (SeElt1, SsEltp) d’un même élément rayonnant, la commande de dépointage (Cmd) étant identique d’un élément rayonnant à l’autre, de façon à déplacer le domaine de couverture de chaque élément rayonnant dans une même direction. Figure pour l’abrégé : Fig. 3

Description

Système radar d’imagerie à entrées et sorties multiples de type MIMO.
L’invention se rapporte à un système radar d’imagerie à entrées et sorties multiples de type MIMO, à un aéronef comprenant un tel système, ainsi qu’à un procédé de commande d’un système radar d’imagerie à entrées et sorties multiples de type MIMO.
Les radars d’imagerie en bande millimétrique (fréquence comprise entre 30 et 300 GHz) permettent aujourd’hui de produire l’image de l’environnement extérieur d’un avion, quelles que soient les conditions de visibilité extérieure (conditions météorologiques dégradées de type neige, pluie, brouillard, ou bien de nuit), et avec une résolution angulaire inférieure à un degré.
Lors de la phase d’atterrissage, il est en effet important que le pilote dispose du maximum d’informations en temps réel relatives à la piste d’atterrissage (dimension, délimitations, présence d’un obstacle sur la piste).
Les systèmes permettant d’afficher une image de la piste malgré un écran de visibilité sont connus sous le nom d’EFVS (« Enhanced Flight Vision System », ou système de vision de vol améliorée).
Les informations sont affichées au pilote soit sur un écran disposé dans l’avion, soit directement au niveau du casque du pilote.
La résolution angulaire requise pour ces systèmes doit être bien inférieure à un degré, et la portée supérieure à un kilomètre. Par ailleurs, afin de compenser les changements brusques d’attitude de l’avion, en particulier le lacet lorsqu’il y a des forts vents latéraux (déviation de l’axe longitudinal de l’avion), il convient de couvrir un domaine angulaire large de plusieurs dizaines de degrés.
On retrouve deux grands types d’antenne dans les systèmes de vision de type EFVS, à savoir les antennes à balayage mécanique et les antennes à balayage électronique.
Dans les antennes à balayage mécanique, un faisceau radar fin et fixe par rapport à l’antenne (parfois désigné par « pinceau ») est généré, puis orienté mécaniquement pour balayer le domaine voulu. Le document « REVS™: A Radar-Based Enhanced Vision System for Degraded Visual Environments » (Alex Brailovsky et al. SPIE, 2014) présente un système de vision de type EFVS comprenant une antenne à balayage mécanique, fonctionnant dans la bande millimétrique (94 GHz).
Les performances du système présenté dans l’article sont conformes aux exigences d’un EFVS : la portée maximale est de trois kilomètres, et la résolution angulaire est de 0,5 degrés en azimut, et d’un degré en élévation (cf. Tableau 1 du document cité).
Toutefois, ce système s’appuie sur des pièces mécaniques mobiles, qui posent fréquemment des problèmes de fiabilité. Par ailleurs, la période de répétition du radar (période de balayage) impose des contraintes en termes de délai de rafraichissement de l’image radar.
Plus généralement, la tendance générale actuelle des avionneurs est d’éviter toute partie mobile mécanique.
Les antennes à balayage électronique permettent de résoudre les problèmes de fiabilité et de délai de rafraichissement.
Les antennes réseau à commande de phase constituent un premier type d’antennes à balayage électronique. Elles sont pavées d’éléments rayonnants alimentés par des signaux radiofréquence dont le déphasage relatif est commandé. Le front d’onde est orienté en fonction du gradient de phase dans le réseau antennaire.
Ces antennes peuvent produire un balayage rapide, mais elles nécessitent de très nombreux éléments rayonnants à phase contrôlée pour réaliser une bonne résolution et une large couverture angulaire. Ces déphasages doivent par ailleurs être précisément contrôlés pour pouvoir réaliser tous les pointages requis.
Cela nécessite des déphaseurs avec une grande résolution et des tables de calibrage permettant de compenser la dispersion technologique et le comportement en température (et le cas échéant en fréquence). Ces commandes de déphasage doivent par ailleurs être très rapides pour couvrir rapidement l’espace de balayage.
Ces solutions sont très onéreuses et inadaptées pour les systèmes à coût modéré tels que les EFVS, destinés à être installés dans tout type d’avion de ligne ou d’avion d’affaires.
L’alternative la plus répandue pour produire un balayage électronique avec à la fois une bonne résolution angulaire et une couverture large à moindre coût est connue sous le nom de réseaux MIMO (« Multiple Input Multiple Output » pour « entrées multiples, sorties multiples »).
La illustre schématiquement un exemple de réseau antennaire MIMO en deux dimensions (azimut, correspondant, par convention, à la dimension horizontale, et élévation, correspondant à la dimension verticale).
Sur la , on retrouve au total j x k éléments rayonnants (ou antennes). En mode continu, chacun des j x k éléments rayonnants est associé soit à une voie d’émission, soit à une voie de réception. En mode pulsé, chacun des j x k éléments rayonnants est associé à une voie d’émission et à une voie de réception. Parmi les j x k éléments rayonnants, M sont associés à une voie d’émission, et N à une voie de réception.
Chaque élément a une dimension DAselon l’axe d’azimut, et une dimension DEselon l’axe d’élévation. Le réseau antennaire complet a une dimension LAselon l’axe d’azimut, et une dimension LEselon l’axe d’élévation.
C’est ensuite dans le domaine numérique qu’est reconstitué le réseau MIMO virtuel, constitué de M x N éléments.
Afin d’illustrer la notion de domaine de couverture et de résolution angulaire, on peut se référer à la , qui illustre le gain d’antenne du faisceau formé par le réseau antennaire en fonction du sinus directeur en azimut (le même principe s’applique pour l’axe d’élévation).
Le faisceau du réseau antennaire (en trait plein) a une largeur qui correspond à la résolution angulaire (λ/LAou λ/LEselon l’axe considéré, où λ correspond à la longueur d’onde utilisée). Le faisceau peut se déplacer dans le domaine de couverture, représenté en trait pointillé.
Le domaine de couverture est limité par le rapport λ/DAou λ/DE, selon que considère l’axe d’azimut ou l’axe d’élévation.
En choisissant soigneusement la géométrie des réseaux d'émission et de réception, la résolution angulaire du système radar d’imagerie peut être améliorée, sans ajouter d'autres éléments rayonnants au réseau. S’agissant du réseau virtuel, l’homme du métier pourra par exemple se référer au document https://www.mathworks.com/help/phased/ug/increasing-angular-resolution-with-mimo-radars.html.
On obtient ainsi des radars à bas coût reposant sur des composants facilement intégrables sur puce.
Cependant, la limitation majeure de ce type de système tient au fait que les réseaux antennaires sont souvent très lacunaires : on crée volontairement des « trous » dans le schéma d’antenne (l’espacement entre les éléments rayonnants d’émission est différent de l’espacement entre les éléments rayonnants de réception, et les espaces entre les différents éléments rayonnants peuvent être irréguliers et plus grands que la longueur d’onde), ce qui va générer des ambiguïtés dans le diagramme de rayonnement, mais ces ambigüités seront levées dans la partie numérique.
Le fait d’utiliser une antenne lacunaire va simplifier les calculs lors de la synthèse en numérique des voies du réseau virtuel, en imitant le nombre de voies à traiter.
Néanmoins, l’aspect lacunaire des réseaux MIMO implique un faible gain total, du fait du faible nombre d’éléments rayonnants d’émission. On obtient ainsi typiquement une portée d’environ 100 mètres pour des objets ayant des surfaces équivalentes radar (SER) de quelques m², ce qui n’est pas suffisant pour des applications EFVS.
La constitution d’une antenne MIMO non lacunaire pour augmenter la puissance mènerait à un nombre très important de voies à moduler en émission et à numériser en réception. La synthèse en numérique des voies du réseau virtuel deviendrait alors extrêmement coûteuse en calcul et de ce fait non réalisable dans des applications aéroportées.
L’invention vise donc à fournir un radar d’imagerie ne comprenant pas de partie mobile, ayant une résolution angulaire fine, une grande portée, tout en pouvant adresser une large couverture angulaire, et ce pour une complexité et un coût modérés.
Un objet de l’invention est donc un système radar d’imagerie à entrées et sorties multiples de type MIMO, comprenant :
- une pluralité de voies ;
- une pluralité de voies de réception ;
- une pluralité d’éléments rayonnants colocalisés formant un réseau antennaire en deux dimensions, chaque élément rayonnant pouvant être alimenté par une des voies d’émission et/ou pouvant alimenter une des voies de réception, chaque élément rayonnant ayant un domaine de couverture instantané prédéfini ;
chaque élément rayonnant étant formé par une pluralité de p sous-éléments rayonnants répartis selon au moins une des deux dimensions du réseau antennaire,
le radar comprenant une pluralité de modules de dépointage électronique, chaque module de dépointage électronique étant connecté à un élément rayonnant, chaque module de dépointage étant configuré pour appliquer une commande de dépointage entre tous les sous-éléments rayonnants d’un même élément rayonnant, la commande de dépointage étant identique d’un élément rayonnant à l’autre, de façon à déplacer le domaine de couverture de chaque élément rayonnant dans une même direction.
Avantageusement, chaque module de dépointage électronique comprend :
- un diviseur ou un combineur, respectivement connecté à la voie d’émission ou à la voie de réception, et
- une pluralité de déphaseurs, chaque déphaseur étant connecté à un des sous-éléments rayonnants de l’élément rayonnant.
Avantageusement, chaque module de dépointage électronique comprend une pluralité de moyens d’amplification, chaque moyen d’amplification étant connecté à un sous-élément rayonnant.
Avantageusement, la commande de dépointage comprend un gradient de phase appliqué entre les différents sous-éléments rayonnants.
Avantageusement, le gradient de phase correspond à un écart angulaire constant, sélectionné parmi les valeurs suivantes : 0 ; ±π/4, ±π/2, ±3π/4 ;;±π.
Avantageusement, les éléments rayonnants sont disposés sur un panneau antennaire, les éléments rayonnants occupant une surface d’au moins 50% du panneau antennaire.
Avantageusement, les sous-éléments rayonnants sont disposés selon la dimension d’azimut et selon la dimension d’élévation du réseau 2D.
Avantageusement p=2 ou 4.
Avantageusement, le système comprend une table de calibrage, configurée pour compenser, pour chaque commande de dépointage, des erreurs de déphasage entre les voies d’émission et/ou entre les voies de réception, produites par les modules de dépointage électronique.
Avantageusement, le système est configuré pour opérer dans la bande millimétrique.
Un objet de l’invention est également un aéronef, comprenant un système précité, dans lequel le système comprend un calculateur configuré pour adapter la commande de dépointage en fonction d’une différence entre le cap et la route de l’aéronef.
Avantageusement, la commande de dépointage est recalculée à une fréquence comprise en 10 et 15 Hz.
Un objet de l’invention est également un procédé de commande d’un système radar d’imagerie à entrées et sorties multiples de type MIMO, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- la transmission d’un signal radar sur une pluralité de voies d’émission ;
- la réception du signal radar sur une pluralité de voies de réception suite à une réflexion ou rétrodiffusion sur une cible ;
les voies d’émission et de réception respectivement alimentant et/ou étant alimentées par un ensemble d’éléments rayonnants colocalisés formant un réseau antennaire en deux dimensions, de façon à obtenir un domaine de couverture instantané prédéfini pour chacun des éléments rayonnants,
chaque élément rayonnant étant formé par une pluralité de p sous-éléments rayonnants répartis selon au moins une des deux dimensions du réseau antennaire, le procédé comprenant en outre l’étape suivante :
- l’application d’une commande de dépointage entre tous les sous-éléments rayonnants d’un même élément rayonnant, la commande de dépointage étant identique d’un élément rayonnant à l’autre, de façon à déplacer le domaine de couverture instantané de chaque élément rayonnant dans une même direction.
Avantageusement, le procédé comprend une étape de calibrage, dans laquelle les sous-étapes suivantes sont mises en œuvre :
- mesure d’erreurs de phases et/ou d’amplitude entre le domaine de couverture d’un élément rayonnant pour une commande de dépointage donnée, par rapport au centre du domaine de balayage décalé théorique de chaque élément rayonnant ;
- détermination de coefficients de calibrage en fonction des erreurs de phase et/ou d’amplitude mesurées ;
- stockage des coefficients de calibrage dans une table dite de calibrage propre à la commande de dépointage.
Avantageusement, l’étape de calibrage est mise en œuvre pour toutes les commandes de dépointages possibles et pour une pluralité de plages de valeurs de températures de fonctionnement.
D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement :
la , déjà décrite, représente un réseau antennaire 2D utilisé dans un radar MIMO selon l‘état de la technique ;
la , déjà décrite, représente le domaine de couverture d’un élément rayonnant, ainsi que le faisceau fin formé par l’antenne complète, avec un système radar selon l’état de la technique ;
la représente l’architecture du système radar selon l’invention, en mode continu ;
la représente le domaine de couverture d’un élément rayonnant, ainsi que le faisceau fin formé par l’antenne complète, avec un système radar selon l’invention ;
la représente une vue détaillée du module de dépointage selon l’invention ;
la représente le domaine de couverture d’un élément rayonnant en fonction de la commande de dépointage ;
la représente le champ de vue et le champ de regard en l’absence de vent de travers ;
la représente le champ de vue et le champ de regard en cas de vent de travers, en mettant en œuvre le système selon l’invention ;
la représente l’architecture du système radar selon l’invention, en mode pulsé ;
la représente le domaine de couverture de plusieurs éléments rayonnants suite à l’étape de calibrage.
La illustre l’architecture du système radar selon l’invention en mode continu. Il est rappelé qu’en mode continu, chacun des éléments rayonnants est associé exclusivement soit à une voie d’émission, soit à une voie de réception.
Le système radar selon l’invention comprend un étage MIMO EtMIMO, comprenant une pluralité de voies d’émission (Ve1, …, VeM) et une pluralité de voies de réception (Vr1, …, VrN).
Le système radar selon l’invention comprend une pluralité d’éléments rayonnants (ERe1, EReM, ERr1, ERrN), chaque élément rayonnant (ERe1, EReM, ERr1, ERrN) étant associé à une voie d’émission (Ve1, …, VeM) ou à une voie de réception (Vr1, …, VrN).
Chaque voie d’émission présente la caractéristique de pouvoir appliquer une signature individuelle au signal radar émis. Il existe plusieurs moyens d’obtenir une telle signature, par exemple les codes de Barker, le codage DDMA (Doppler Division Multiple Access), le codage OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) permettant l’utilisation de fréquences orthogonales sous forme de multiples sous-porteuses différentes, un codage en amplitude ou encore en polarisation.
Dans le cadre de l’invention, on pourra en particulier utiliser un codage de phase permettant d’obtenir l’orthogonalité entre les voies d’émission, sur une rafale d’impulsions. Ce codage est effectué par le bloc DephMIMO.
La commande du codage en phase des voies d’émission est déterminée par un composant COD de commande du codage de phase des voies d‘émission. Le composant COD peut être disposé dans le calculateur CALC du système radar.
Les voies de réception (Vr1, …, VrN) ont quant à elle la caractéristique de numériser le signal reçu sur l’élément rayonnant auquel elles sont associées, grâce au bloc NUM présent dans chaque voie de réception. Un déphasage numérique est appliqué. Puis, un bloc FFC dédié à la formation de faisceau par le calcul permet de former le diagramme de réception suite à un traitement numérique du signal reçu.
De cette manière, le réseau obtenu est un réseau MIMO qui permet de reconstruire une image radar bénéficiant de la résolution angulaire liée aux dimensions du réseau antennaire (λ/LAou λ/LEselon l’axe d’azimut ou d’élévation), et d’un domaine de couverture instantané donné par le diagramme d’un élément rayonnant (λ/DAou λ/DEselon l’axe d’azimut ou d’élévation).
Chaque élément rayonnant est subdivisé en p sous-éléments plus petits. Un module de dépointage électronique (MDe1, MDeM, MDr1, MDrN) est intercalé entre chaque voie et l’élément rayonnant.
Ce module permet de diviser le signal en p chemins qui subissent chacun un déphasage contrôlé, et éventuellement une amplification de puissance. Chacun de ces signaux alimente alors un sous-élément (SeElt1, SsEltp).
Comme on peut le voir sur la , la subdivision des éléments rayonnants en sous-éléments déphasables permet donc d’ajuster le domaine de couverture MIMO instantané en fonction de la zone à observer, et ce sans augmenter le nombre de voies MIMO et la complexité calculatoire associée.
La taille du domaine global accessible est donnée par l’inverse de la dimension d’un sous-élément rayonnant.
La illustre en détail la connexion entre un module de dépointage électronique et l’élément rayonnant correspondant. Pour simplifier la représentation, l’élément rayonnant est subdivisé selon une seule dimension.
Avec une subdivision de l’élément rayonnant en p sous-éléments, le domaine total accessible est p fois plus large que le domaine de couverture instantané MIMO.
Dans l’exemple de la , l’élément rayonnant est subdivisé en quatre sous-éléments selon la dimension azimut (SsElt1, SsElt2, SsElt3, SsElt4). Ainsi, le domaine total accessible est quatre fois plus large que le domaine de couverture instantané MIMO.
Afin que tous les éléments rayonnants du réseau antennaire déplacent leur domaine de couverture dans la même direction au même instant, il est nécessaire que chaque module de dépointage (MDe1, MDeM, MDr1, MDrN) applique une commande de dépointage Cmd entre tous les sous-éléments rayonnants d’un même élément rayonnant, la commande de dépointage Cmd étant identique d’un élément rayonnant à l’autre. La commande de dépointage Cmd peut être transmise sur un bus de données reliant le bloc de commande BLC de dépointage aux différents déphaseurs.
La commande de dépointage Cmd est générée par le calculateur CALC du système radar (cf. ). La commande de dépointage Cmd est adressée à chaque module de dépointage (par exemple MDe1 sur la ).
Le module de dépointage MDe1comprend autant de déphaseurs (φ1, φ2, φ3, φ4) qu’il y a de sous-éléments (SsElt1, SsElt2, SsElt3, SsElt4).
Chaque module de dépointage couplé à une voie d’émission comprend un diviseur, et chaque module de dépointage couplé à une voie de réception comprend un combineur, afin de de diviser/combiner le signal en p chemins. Ces composants sont facilement intégrables sur des puces de type MMIC (« Monolithic Microwave Integrated Circuit », ou Circuit intégré monolithique hyperfréquence) visées dans le cadre de l’invention.
Il n’est pas nécessaire que les déphaseurs (φ1, φ2, φ3, φ4) aient une résolution élevée, contrairement à des antennes actives à commande de phase, de type AESA, qui nécessitent un réglage très fin, déphaseur par déphaseur, avec une résolution plutôt de l’ordre de six à huit bits par déphaseur. Dans notre exemple, une résolution sur trois bits peut par exemple être suffisante, avec un pas de +/- π/4 ou plus (+/-π/2, ou +/-π selon la commande).
Il est possible de déplacer le diagramme de rayonnement unitaire dans huit directions différentes contenues dans l’ouverture du sous-élément rayonnant, en appliquant les commandes du tableau ci-dessous. Ces commandes font appel à une logique très simple et un nombre très restreint d’états de phase, ce qui rend cette solution facile à intégrer.
On applique avantageusement un gradient de phase entre les différents sous-éléments rayonnants constituant chaque élément rayonnant.
On note Δψi la valeur du déphasage du déphaseur φi (i compris entre 1 et 4) :
Commande Δψ1 Δψ2 Δψ3 Δψ4
1 0 0 0 0
2 0 π/4 π/2 3π/4
3 0 π/2 π 3π/2
4 0 3π/4 - π/2 π/4
5 0 π 0 π
6 0 -3π/4 π/2 -π/4
7 0 -π/2 -π -3π/2
8 0 -π/4 -π/2 -3π/4
Ce tableau correspond au schéma utilisant quatre déphaseurs. L’homme du métier peut, sans difficulté, adapter ce schéma pour un nombre différent de déphaseurs.
On retrouve sur la le dépointage du diagramme d’un élément rayonnant en fonction de la commande appliquée. Le domaine de couverture de l’antenne est représenté en coupe en fonction du sinus directeur de l’angle θ en azimut.
Le lobe correspondant à la commande n°5 n’est pas représenté. Dans la configuration des déphaseurs citée en exemple, cette commande produirait un demi-lobe « à droite » du lobe de la commande n°4, et un demi-lobe « à gauche » du lobe de la commande n°6, faisant ainsi le pont entre deux diagrammes.
L’invention permet ainsi de dépointer le champ de vue d’un système radar MIMO à ondes millimétriques, à un instant donné.
L’invention permet d’élargir le champ de regard (« Field Of Regard », ou FOR) du système radar, comme illustré sur les figures 7A et 7B, qui illustrent respectivement une situation d’absence de vent de travers, et une situation présentant un vent de travers.
Sur la figure 7A, en l’absence de vent, le vecteur vitesse de l’avion est bien positionné dans le champ de vision FoV du radar. Le champ de regard FoR, qui correspond à l’aire totale qui peut être acquise par le capteur, est élargi grâce au dépointage électronique.
Sur la , un vent de travers provoque un « crabbing », à savoir l’avion effectue une approche de la piste en crabe. Avec un champ de vision FoV centrée sur l’axe de l’avion, le système radar ne peut plus couvrir la piste d’atterrissage.
Le système radar selon l’invention permet au contraire de déplacer le champ de vision FoV par rapport à l’axe de du fuselage de l’avion (le cap), afin qu’il coïncide avec le vecteur vitesse de l’avion (la route) malgré le vent de travers.
Afin de compenser le crabbing de l’avion, un rafraîchissement de la commande de dépointage à une fréquence comprise entre 10 et 15 Hz peut être envisagé.
Cette fréquence permet d’obtenir un flux vidéo de bonne qualité pour le pilote compte tenu de la persistance rétinienne, sans pour autant dégrader les performances temps réel du système radar.
Avantageusement, on peut également faire varier la commande de pointage de façon cyclique, à une fréquence prédéterminée, on peut donc élargir le champ de regard (« Field Of Regard », ou FOR) du système radar.
L’utilisation de deux ou quatre sous-éléments par élément rayonnant (selon une des deux dimensions) est particulièrement avantageuse.
En effet, il est rappelé que le domaine de couverture, à savoir l’ouverture du lobe, d’un élément rayonnant, est donné par λ/D, avec D l’extension de l’élément rayonnant dans la dimension considérée. Dans la bande millimétrique, et compte tenu de la place habituellement disponible sur le panneau d’antenne, l’ouverture du lobe, à savoir le champ de vue, est habituellement comprise entre une dizaine et une vingtaine de degrés pour un radar MIMO.
En multipliant cette valeur par deux ou par quatre, on obtient ainsi un champ de regard (« Field Of Regard », ou FOR) suffisamment vaste pour envisager une application du type EFVS.
Il est à noter qu’à partir de l’exemple illustré par la , il est possible d’ajouter une ligne de sous-éléments rayonnants, associés à des déphaseurs, pour obtenir un dépointage en élévation. Il est alors possible de réaliser les différents dépointages sur deux axes, tout en conservant la même résolution pour les déphaseurs.
La commande en élévation se traduit alors par un déphase additionnel entre les lignes, ce qui produit toujours des commandes accessibles avec la résolution des déphaseurs.
Sur la , on retrouve notamment un réseau 2D de sous-éléments composant chaque élément rayonnant, selon un agencement en lignes et en colonnes, coïncidant avec les axes d’azimut et d’élévation.
Le fait de disposer les sous-éléments rayonnants selon la dimension d’azimut et selon la dimension d’élévation du réseau 2D permet ainsi de déplacer le domaine de couverture de chaque élément rayonnant dans les deux directions azimut et élévation.
Pour autant, la commande de dépointage Cmd est identique par rapport au cas où les sous-éléments rayonnants ne sont agencés que selon une direction. La caractéristique de faible résolution des déphaseurs (par exemple trois bits pour huit états de phase) est donc conservée.
Le fait de limiter, pour chaque élément rayonnant, à quatre sous-éléments en azimut, et quatre sous-éléments en élévation, résulte par ailleurs d’une contrainte d’implémentation, outre le fait que le champ de regard soit suffisamment large avec p=2 ou p=4. En effet, dans les puces utilisées pour la bande millimétrique, le design de diviseurs ou de combineurs ayant au plus seize chemins (réseau de 4x4 sous-éléments) est envisageable compte tenu de l’épaisseur du trait de gravure et de la taille des puces. Au-delà, des problèmes de routage du signal apparaissent.
On peut avantageusement disposer des moyens d’amplification (PA1, PA2, PA3, PA4) dans chaque module de dépointage électronique MDe1. Chaque moyen d’amplification (PA1, PA2, PA3, PA4) est associé à un sous-élément rayonnant (SeElt1, SsElt2, SeElt3, SsElt4).
Le module de dépointage électronique associé à une voie d’émission comprend des moyens d’amplification du type amplificateurs de puissance (PA1, Pap), alors que le module de dépointage électronique associé à une voie de réception comprend des moyens d’amplification du type amplificateurs faible bruit (LNA1, LNAp).
Etant donné qu’on multiplie par p le nombre de moyens d’amplification utilisés dans le système radar, il est possible d’intégrer les moyens d’amplification directement sur la puce des modules de dépointage, de façon distribuée, sans subir les problèmes de dissipation thermique qui se produiraient si un seul moyen d’amplification centralisé par élément rayonnant était intégré sur la puce.
Les puces habituellement utilisées dans les systèmes moyens d’amplification en bande millimétrique comprennent typiquement un substrat et des éléments actifs en silicium-germanium. Du fait des limites physiques de densité de courant, ces substrats ne peuvent supporter la dissipation thermique d’un amplificateur intégré et dimensionné pour que le radar ait une portée d’environ un kilomètre, voire plus. Les technologies en arséniure de gallium ou encore en nitrure de gallium pourraient supporter la puissance requise, mais elles sont coûteuses et embarquent plus difficilement des déphaseurs contrôlés en numérique.
C’est une des raisons pour laquelle les systèmes radar MIMO de l’état de l’art ont une portée de l’ordre de la centaine de mètres.
Grâce à la démultiplication des moyens d’amplification, la puissance des moyens d’amplifications se combine dans le champ électromagnétique, et non pas sur la puce. Une portée plus importante peut donc être obtenue.
L’intégration sur puce des moyens d’amplification permet par ailleurs d’éviter les inconvénients liés à l’encombrement et à la consommation électrique importante des technologies non intégrées, par exemple des cavités résonnantes.
Il est à noter qu’en réception, l’effet est similaire, et la combinaison de plusieurs amplificateurs faible bruit LNA (Low Noise Amplifier) au plus près de sous-éléments rayonnants de petite dimension permet de minimiser les pertes amont et ainsi de réduire le facteur de bruit, ce qui a pour effet d’améliorer la sensibilité du radar.
La présence des moyens d’amplification n’est pas indispensable pour obtenir l’effet de dépointage du domaine de couverture dans une direction donnée. C’est le cas par exemple pour une détection à faible portée.
Dans le cadre de l’invention, le réseau d’éléments rayonnants n’a pas besoin d’être plein ni à pas régulier, mais il présentera la caractéristique d’être le moins lacunaire possible. On peut par exemple faire en sorte que les éléments rayonnants occupent le panneau antennaire représentent au moins 50% de la surface du panneau antennaire. Cette contrainte vient du besoin d’obtenir une grande portée radar pour un encombrement réduit, notamment dans le domaine aéroporté.
L’invention pourrait également être implémentée dans des systèmes radars MIMO à ondes pulsées, dans lesquels les sous-éléments rayonnants sont connectés à une voie d’émission et à une voie de réception, comme l’illustre la .
Sur la , sont représentés les éléments rayonnants ER1 à ERi. Chaque élément rayonnant (ER1, ERi) peut être alimenté par une des voies d’émission (Ve1, Vei) et peut alimenter une des voies de réception (Vr1, Vri).
Cette connexion des sous-éléments à la fois à une voie d’émission et à une voie de réception peut être réalisée par exemple un circulateur, ou par un dispositif de protection des voies de réception lorsque les voies d’émission sont actives.
L’invention se rapporte également à un procédé de commande du système radar précité d’imagerie à entrées et sorties multiples de type MIMO.
Le procédé comprend avantageusement une étape de calibrage des voies d’émission et des voies de réception. Cette étape a lieu préalablement aux étapes opérationnelles d’imagerie.
Pour choisir les coefficients de déphasage, la calculateur s’appuie sur des tables de calibration TAB, illustrées en figures 3 et 8, permettant de recaler les phases présentes sur chacune des voies d’émission et de réception, afin de former correctement les faisceaux et d’obtenir une estimation fine de la direction de pointage absolue de chacun des faisceaux formés.
L’application de coefficients de déphasage au niveau des modules de dépointage électronique, destinés à réaliser un dépointage du domaine de couverture MIMO, peut en effet remettre en question la calibration des différentes voies. Si ces coefficients ne sont pas précis sur chacun des sous-éléments rayonnants, il en résulte en une erreur de phase et/ou d’amplitude sur chaque voie. La formation des faisceaux MIMO sur le domaine dépointé est alors perturbée.
Afin d’éviter cet écueil, l’étape de calibrage met en œuvre les sous-étapes suivantes.
Dans une première sous-étape, on mesure, pour chaque commande de dépointage, par exemple une des huit commandes du tableau mentionné précédemment, les erreurs entre chaque diagramme d’élément rayonnant déplacé, comme illustré par la . Cette mesure correspond à l’erreur par rapport au centre du domaine de balayage décalé théorique de chaque élément rayonnant.
Dans une deuxième sous-étape, les diagrammes des éléments rayonnants sont réalignés entre eux, en compensant les erreurs de phase et/ou d‘amplitude mesurées à la sous-étape précédente, ce qui permet d’obtenir des coefficients de calibrage.
Ces coefficients de calibrage sont ensuite stockés dans la table de calibrage TAB, propre à la commande de dépointage Cmd considérée. Sur les figures 3 et 8, une seule table a été représentée dans le calculateur CALC, par souci de simplification des figures.
Cette étape de calibrage doit notamment être implémentée pour compenser le fait que les déphaseurs intégrés aux puces ne disposent pas de moyens de correction intégrés.
La procédure de calibrage est réitérée pour toutes les commandes de dépointage et pour une pluralité de plages de valeurs de températures de fonctionnement.
C’est au niveau du calculateur que l’on vient compenser les erreurs pour obtenir une antenne correctement focalisée. Du point de vue du diagramme, cela signifie que l’enveloppe des diagrammes dépointés des éléments rayonnants peut supporter des petites déformations et disparités. C’est la mise en phase des voies MIMO qui permet d’obtenir la formation précise et refocalisée des faisceaux fins. Il est à noter que les modules de dépointage électronique étant tous identiques et que les commandes de déphasage le sont aussi, à chaque instant, les erreurs attendues sont essentiellement communes entre tous les modules.
La mise en phase des voies MIMO a lieu dans toute architecture de type MIMO, il n’est donc pas nécessaire de modifier le calculateur.
Le système radar selon l’invention comprend ainsi des tables de calibrage de façon à corriger le dépointage, en plus des tables de calibrage en température, habituellement présentes dans les systèmes radar MIMO, afin de compenser les dérives en température.
Le système radar selon l’invention peut être avantageusement embarqué dans un aéronef. Il peut être envisagé d’utiliser des puces radar issues des applications automobiles, à bas coût, et à les associer à des modules de dépointage électronique réalisés à partir d’ASIC en technologie intégrée avancée, dont le coût est également limité de par la simplicité des fonctions intégrées (amplification, déphasage peu résolu).

Claims (15)

  1. Système radar d’imagerie à entrées et sorties multiples de type MIMO, comprenant :
    - une pluralité de voies d’émission (Ve1, VeM, Vei) ;
    - une pluralité de voies de réception (Vr1, VrN, Vri) ;
    - une pluralité d’éléments rayonnants (ERe1, EReM, ERr1, ERrN, ER1, ERi) colocalisés formant un réseau antennaire en deux dimensions, chaque élément rayonnant (ERe1, EReM, ERr1, ERrN, ER1, ERi) pouvant être alimenté par une des voies d’émission (Ve1, VeM, Vei) et/ou pouvant alimenter une des voies de réception (Vr1, VrN, Vri), chaque élément rayonnant (ERe1, EReM, ERr1, ERrN, ER1, ERi) ayant un domaine de couverture instantané prédéfini ;
    caractérisé en ce que chaque élément rayonnant (ERe1, EReM, ERr1, ERrN,ER1, ERi) est formé par une pluralité de p sous-éléments rayonnants (SeElt1, SsEltp) répartis selon au moins une des deux dimensions du réseau antennaire,
    le radar comprenant une pluralité de modules de dépointage électronique (MDe1, …, MDrN,MDei,MDri), chaque module de dépointage électronique (MDe1, MDeM, MDr1, MDrN,MDei,MDri) étant connecté à un élément rayonnant (ERe1, EReM, ERr1, ERrN, ER1, ERi), chaque module de dépointage (MDe1, MDeM, MDr1, MDrN,MDei,MDri) étant configuré pour appliquer une commande de dépointage (Cmd) entre tous les sous-éléments rayonnants (SeElt1, SsEltp) d’un même élément rayonnant (ERe1, EReM, ERr1, ERrN, ER1, ERi), la commande de dépointage (Cmd) étant identique d’un élément rayonnant (ERe1, EReM, ERr1, ERrN, ER1, ERi) à l’autre, de façon à déplacer le domaine de couverture de chaque élément (ERe1, EReM, ERr1, ERrN, ER1, ERi) rayonnant dans une même direction.
  2. Système selon la revendication 1, dans lequel chaque module de dépointage électronique (MDe1, MDeM, MDr1, MDrN,MDei,MDri) comprend :
    - un diviseur ou un combineur, respectivement connecté à la voie d’émission (Ve1, VeM, Vei) ou à la voie de réception (Vr1, VrN, Vri), et
    - une pluralité de déphaseurs (φ1, φp), chaque déphaseur (φ1, φp) étant connecté à un des sous-éléments rayonnants (SeElt1, SsEltp) de l’élément rayonnant (ERe1, EReM, ERr1, ERrN,ER1, ERi).
  3. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel chaque module de dépointage électronique comprend une pluralité de moyens d’amplification (PA1, PAp, LNA1, LNAp), chaque moyen d’amplification (PA1, PAp, LNA1, LNAp) étant connecté à un sous-élément rayonnant (SeElt1, SsEltp).
  4. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la commande de dépointage (Cmd) comprend un gradient de phase appliqué entre les différents sous-éléments rayonnants (SeElt1, SsEltp).
  5. Système selon la revendication 4, dans lequel le gradient de phase correspond à un écart angulaire constant, sélectionné parmi les valeurs suivantes : 0 ; ±π/4, ±π/2, ±3π/4 ;±π.
  6. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les éléments rayonnants (ERe1, EReM, ERr1, ERrN, ER1, ERi) sont disposés sur un panneau antennaire, les éléments rayonnants (ERe1, EReM, ERr1, ERrN, ER1, ERi) occupant une surface d’au moins 50% du panneau antennaire.
  7. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les sous-éléments rayonnants (SeElt1, SsEltp) sont disposés selon la dimension d’azimut et selon la dimension d’élévation du réseau 2D.
  8. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel p=2 ou 4.
  9. Système selon l’une des revendications précédentes, comprenant une table de calibrage (TAB), configurée pour compenser, pour chaque commande de dépointage (Cmd), des erreurs de déphasage entre les voies d’émission (Ve1, VeM, Vei) et/ou entre les voies de réception (Vr1, VrN, Vri), produites par les modules de dépointage électronique (MDe1, MDeM, MDr1, MDrN,MDei,MDri).
  10. Système selon l’une des revendications précédentes, configuré pour opérer dans la bande millimétrique.
  11. Aéronef, comprenant un système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le système comprend un calculateur (CALC) configuré pour adapter la commande de dépointage en fonction d’une différence entre le cap et la route de l’aéronef.
  12. Aéronef selon la revendication 11, dans lequel la commande de dépointage est recalculée à une fréquence comprise en 10 et 15 Hz.
  13. Procédé de commande d’un système radar d’imagerie à entrées et sorties multiples de type MIMO, le procédé comprenant les étapes suivantes :
    - la transmission d’un signal radar sur une pluralité de voies d’émission (Ve1, VeM, Vei) ;
    - la réception du signal radar sur une pluralité de voies de réception (Vr1, VrN, Vri) suite à une réflexion ou rétrodiffusion sur une cible ;
    les voies d’émission (Ve1, VeM, Vei) et de réception (Vr1, VrN, Vri) respectivement alimentant et/ou étant alimentées par un ensemble d’éléments rayonnants (ERe1, EReM, ERr1, ERrN, ER1, ERi) colocalisés formant un réseau antennaire en deux dimensions, de façon à obtenir un domaine de couverture instantané prédéfini pour chacun des éléments rayonnants (ERe1, EReM, ERr1, ERrN, ER1, ERi),
    caractérisé en ce que, chaque élément rayonnant (ERe1, EReM, ERr1, ERrN, ER1, ERi) étant formé par une pluralité de p sous-éléments rayonnants (SeElt1, SsEltp) répartis selon au moins une des deux dimensions du réseau antennaire, le procédé comprend en outre l’étape suivante :
    - l’application d’une commande de dépointage (Cmd) entre tous les sous-éléments rayonnants (SeElt1, SsEltp) d’un même élément rayonnant (ERe1, EReM, ERr1, ERrN), la commande de dépointage (Cmd) étant identique d’un élément rayonnant (ERe1, EReM, ERr1, ERrN, ER1, ERi) à l’autre, de façon à déplacer le domaine de couverture instantané de chaque élément rayonnant (ERe1, EReM, ERr1, ERrN, ER1, ERi) dans une même direction.
  14. Procédé selon la revendication 13, comprenant une étape de calibrage, dans laquelle les sous-étapes suivantes sont mises en œuvre :
    - mesure d’erreurs de phases et/ou d’amplitude entre le domaine de couverture d’un élément rayonnant (ERe1, EReM, ERr1, ERrN, ER1, ERi) pour une commande de dépointage (Cmd) donnée, par rapport au centre du domaine de balayage décalé théorique de chaque élément rayonnant (ERe1, EReM, ERr1, ERrN, ER1, ERi) ;
    - détermination de coefficients de calibrage en fonction des erreurs de phase et/ou d’amplitude mesurées ;
    - stockage des coefficients de calibrage dans une table dite de calibrage (TAB) propre à la commande de dépointage (Cmd).
  15. Procédé selon la revendication 14, dans laquelle l’étape de calibrage est mise en œuvre pour toutes les commandes de dépointages (Cmd) possibles et pour une pluralité de plages de valeurs de températures de fonctionnement.
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