FR2630828A1

FR2630828A1 - Radar permettant l'analyse de cibles complexes

Info

Publication number: FR2630828A1
Application number: FR8805601A
Authority: FR
Inventors: David John Price; John David Redman
Original assignee: Thorn EMI Electronics Ltd
Current assignee: EMI Group Electronics Ltd
Priority date: 1986-10-15
Filing date: 1988-04-27
Publication date: 1989-11-03
Anticipated expiration: 2008-04-27
Also published as: GB2200008A; GB8624722D0; DE3814153A1; GB8724041D0; FR2630828B1; GB2200008B

Abstract

L'invention concerne un radar comprenant : - des moyens 1 à 8 pour émettre une succession d'impulsions radar à des fréquences respectives, - des moyens 7 à 12 pour recevoir des échos correspondants, - des moyens 15 pour soumettre les échos, en fonction de la fréquence d'émission, à une transformation de Fourier permettant de déduire une pluralité de signaux de transformation représentant une distribution, en fonction de leurs distances différentielles, de paires de sources de dispersion formées par les sources de dispersion d'une cible complexe 20 et une source de dispersion externe 21 mobile unique, et - des moyens 16 à 19 pour comparer les signaux de transformation obtenus lorsque la source de dispersion externe mobile se trouve dans une première position à proximité de la cible complexe avec les signaux de transformation obtenus lorsque la source de dispersion externe mobile se trouve, soit à une seconde position proche de la cible complexe, soit est complètement retirée. De la sorte, on peut déduire les positions des sources de dispersion de la cible complexe.

Description

La présente invention concerne un radar, et elle concerne

particulièrement, bien que de façon non exclusive, un radar

utilisé pour caractériser et reconnaître des cibles complexes.

Le US-A-4 450 444 décrit l'utilisation d'un radar cohérent pour obtenir des images de cibles radar complexes à la fois dans- la direction de l'éloignement et dans la direction transverse. Ceci est obtenu en utilisant une fréquence radar variant par paliers et en mesurant les composantes en phase et en quadrature de phase des échos renvoyés. Ces composantes sont traitées, notamment avec transformation de Fourier, de manière à fournir un profil en distance de la cible. On effectue alors une transformation de Fourier d'une série de signatures de profils, cellule de distance par cellule de distance, pour

obtenir la fréquence Doppler dans chaque cellule de distance.

Les fréquences Doppler sont proportionnelles à la vitesse angulaire de changement d'aspect de la cible par rapport au radar et à la position en direction transverse de la source de dispersion dans la cellule de distance, par rapport à une

rotation d'aspect arbitraire.

Lorsque c'est possible, il est avantageux d'utiliser un radar non cohérent, car la précision de phase et la stabilité de fréquence sont considérablement moindres que celles nécessaires pour un radar cohérent, ce qui réduit grandement les contraintes de conception du radar. On sait que les radars agiles à fréquence non cohérente fournissent, au moyen d'une transformation de Fourier des échos reçus, la distribution énergétique des échos en fonction de la distance différentielle entre les paires de sources de dispersion. Cette distribution des distances différentielles est également la fonction d'autocorrélation des sources de dispersion. Cependant, il n'est pas possible de déduire une carte de réflectivité radar d'une cible complexe à partir d'une distribution de distances

différentielles en raison des ambiguités de distance.

Jusqu'à présent, on considérait qu'il n'était pas possible d'obtenir une carte de réflectivité vraie d'une cible complexe

au moyen d'un radar non cohérent.

L'un des buts de la présente invention est de proposer un radar non cohérent pouvant fournir une carte de réflectivité radar d'une cible complexe permettant la caractérisation ou la

reconnaissance de la cible complexe.

A cet effet, il est proposé un radar comprenant des moyens pour émettre une succession d'impulsions radar à des fréquences respectives, des moyens pour recevoir des échos correspondants, des moyens pour soumettre les échos, en fonction de la fréquence d'émission, à une transformation de Fourier permettant de déduire une pluralité de signaux de transformation représentant une distribution, en fonction de leurs distances différentielles, de paires de sources de dispersion formées par les sources de dispersion d'une cible complexe et une source de dispersion externe mobile unique, et des moyens pour comparer les signaux de transformation obtenus lorsque la source de dispersion externe mobile se trouve dans une première position à proximité de la cible complexe avec les signaux de transformation obtenus lorsque la source de dispersion externe mobile se trouve soit à une seconde position proche de la cible complexe soit est complètement retirée, de manière à déduire les positions des sources de dispersion de la

cible complexe.

Dans l'un des modes de réalisation de la présente invention, la source de dispersion externe est placée au-delà de la cible complexe pendant un même nombre de mesures à effectuer à chaque fréquence d'émission respective, les mesures ainsi effectuées à chaque fréquence respective étant additionnées. La transformée de Fourier des résultats, qui sont ordonnés par rang de fréquence, donne la distribution des distances différentielles entre des paires de sources de dispersion respectives (distribution qui est également la fonction d'autocorrélation

des sources de dispersion dans la direction de l'éloignement).

La source de dispersion externe est alors retirée et l'on déduit alors à nouveau la distribution des distances différentielles. Les deux distributions de distances différentielles sont alors soustraites l'une de l'autre pour donner le profil de réflectivité radar de la cible complexe

dans la direction de l'éloignement.

Dans un autre mode de réalisation de la présente invention, la source de dispersion externe est placée dans la même cellule de résolution de distance et d'azimut que la cible complexe, et on fait tourner la cible complexe soit de façon continue pendant les cycles successifs de fréquences d'émission soit par échelons entre les cycles successifs. Les résultats obtenus à chaque cycle d'émission de fréquences sont ordonnés par rang de fréquence et conservés dans une mémoire matricielle dont une ligne correspond à chaque cycle de fréquence. Ils sont alors traités dans un circuit de transformation de Fourier bidimensionnelle pour donner, à la fois dans la direction de l'éloignement et dans la direction transverse, les fonctions d'autocorrélation des source de dispersion. La procédure est répétée sans la source de dispersion externe et on soustrait l'une de l'autre les intensités correspondantes dans les deux matrices résultantes pour obtenir les résultats voulus dans une mémoire matricielle finale. Cette mémoire finale donne effectivement une carte de la réflectivité radar sur la zone de la cible complexe, qui montre la position des points de dispersion principaux de la cible complexe. En variante, au lieu de faire tourner la cible complexe, on pourrait faire tourner le radar autour de la cible soit de façon continue au cours de cycles de fréquences successifs, soit par échelons

entre des cycles de fréquences successifs.

La présente invention propose également un équipement conçu pouf utiliser les profils et/ou les données produits par un

radar incorporant la présente invention.

Les inventeurs ont trouvé que la manière de faire de la présente invention permet d'obtenir un profil de réflectivité

vrai de cibles complexes au moyen d'un radar non cohérent.

Pour que l'invention puisse être aisément mise en oeuvre, on va maintenant en décrire des modes de réalisation particuliers, mais seulement à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 montre une-variation par échelons de la fréquence d'émission en fonction du temps, - la figure 2 illustre la variation en fréquence de l'énergie reçue depuis deux sources de dispersion séparées l'une de l'autre dans la direction de l'éloignement, - la figure 3 montre une carte d'une paire de sources de dispersion dans le domaine des distances différentielles, - la figure 4A montre trois sources de dispersion et la figure 4B montre la carte correspondante dans le domaine des distances différentielles, - la figure 5A montre les trois mêmes sources de dispersion que sur la figure 4A, avec en plus un source de dispersion externe, et la figure 5B montre la carte correspondante dans le domaine des distances différentielles, la figure 6 montre l'effet de la soustraction du profil de distance différentielle de la figure 4B de celui de la figure B, - la figure 7 montre un schéma par blocs d'un radar non cohérent pouvant être utilisé dans un premier ou un second mode de réalisation de la présente invention, - la figure 8 montre une carte bidimensionnelle dans le domaine des distances différentielles et dans le domaine des angles, pour une cible complexe particulière, - la figure 9 montre une carte bidimensionnelle dans le domaine des distances différentielles et dans le domaine des angles pour la même cible complexe que celle de la figure 8, avec addition d'une source de dispersion externe, - la figure 10 montre un schéma par blocs d'un radar non- cohérent pouvant être utilisé dans un troisième mode de réalisation de la présente invention, - la figure 11 montre une carte bidimensionnelle dans le domaine des distances différentielles et dans le domaine des distances différentielles transverses pour la même cible complexe que celle de la figure 9, et - la figure 12 montre une carte bidimensionnelle dans le domaine des distances différentielles et dans le domaine des distances différentielles transverses pour la même cible complexe que celle de la figure 11, avec addition d'une source

de dispersion externe.

Les radars non cohérents qui donnent l'autocorrélation des sources de dispersion exploitent un effet qui peut être compris en considérant tout d'abord un exemple simplifié dans lequel un radar non cohérent illumine une paire de sources de dispersion éloignées l'un de l'autre, d'un écart de distance r, que l'on appelera par la suite "distance différentielle". On balaye par échelons la fréquence radar f sur une gamme de fréquence F, la fréquence de 2N lots successifs de M impulsions étant incrémentée par échelons de f = F/2N, comme illustré sur la figure 1. Au fur et à mesure que l'on balaye de cette manière la fréquence, les phases relatives des échos provenant des deux sources de dispersion vont changer, ce qui va provoquer une variation, oscillant avec la fréquence, de l'énergie des impulsions d'écho provenant des sources de dispersion détectées par le récepteur, comme illustré sur la figure 2. Une analyse en fréquence des échos, par exemple une transformée discrète de Fourier des échos, produit une carte de la paire sur 2N cellules dans le domaine des distances différentielles. De la sorte, dans l'exemple décrit, on produit une "raie" dans les cellules nr, correspondant à la distance différentielle r, comme illlustré à la figure 3, et les Nièmes cellules correspondent à la distance différentielle R correspondant à la résolution maximale, qui est liée à la largeur de bande B du radar par l'expression: R = c/2B (équation 1)

o c est la vitesse de la lumière.

Un exemple simple d'une cible complexe comprend trois sources de dispersion dominantes a2,a3 et a4 espacées le long de la direction de l'éloignement de la manière illustrée figure 4A. La distribution correspondante d'énergie dans le domaine des distances différentielles est représentée à la figure 4B, qui correspond également à la fonction d'autocorrélation de la figure 4A. Chaque paire de sources de dispersion produit deux raies dans le domaine des distances différentielles, ces raies étant idertiquement espacées de part et d'autre de la raie de distance différentielle nulle d'un écartement proportionnel à la distance différentielle séparant les deux sources de dispersion. Par exemple, a2 et a4 sont les sources de dispersion les plus éloignées l'une de l'autre, et produisent donc les deux raies les plus éloignées de la raie de distance différentielle nulle dans le domaine des distances différentielles. Sur les figures 4A et 4B, la hauteur des raies

représente la distribution énergétique.

Lorsqu'une source de dispersion extérieure al est introduite avec une distance différentielle par rapport à a2 égale à b (comme illustré figure 5A), on introduit des paires supplémentaires de raies ala2, ala3 et ala4 dans le domaine des distances différentielles, comme représenté figure 5B qui correspond à la fonction d'autocorrélation de la figure 5A. La soustraction du profil de distance différentielle de la figure 4A de celui de la figure SA donne le résultat représenté figure 6. Il ne reste que les raies représentatives des distances différentielles de la source de dispersion extérieure & chacune des sources de dispersion cibles. La distance de chaque raie par rapport au centre est proportionnelle à la distance de la source de dispersion cible correspondant à la source de dispersion extérieure. La figure 6 donne donc une carte des sources de dispersion de la cible complexe dans la direction de l'éloignement. On connait l'échelle de la carte si l'on connait la différence de distance entre la source de dispersion externe et l'une des sources de dispersion de la cible. En variante, on pourrait déduire l'échelle de la carte en déplaçant la source de dispersion externe d'une distance connue dans la direction de l'éloignement et en mesurant le mouvement du profil de distance de la figure 6 vers la raie centrale ou en éloignement

de celle-ci.

On a représenté figure 7 un radar permettant de déduire le profil de distance d'une cible complexe. Un oscillateur à commande par tension 1 est commandé par échelons de fréquence par l'intermédiaire d'un circuit de commande de fréquence 2 sous le contrôle du circuit de commande temporelle 3, -qui contrôle également les autres éléments du radar. La sortie de l'oscillateur commandé en tension est appliquée, par' l'intermédiaire d'un circulateur 4, à un interrupteur à diode

PIN 5 qui est actionné par la commande temporelle 3.

L'interrupteur 5 est passant pendant les périodes d'émission, ce qui permet au signal de sortie de l'oscillateur commandé en tension d'atteindre l'amplificateur pulsé 6, dont la largeur des impulsions et la fréquence de répétition des impulsions sont commandées par le circuit de commande temporelle 3. Les impulsions de sortie de l'amplificateur pulsé 6 sont appliquées à l'antenne 8 par l'intermédiaire du duplexeur 7. Les échos reçus en provenance de la cible 20 sont appliqués par l'intermédiaire du duplexeur 7 au mélangeur 9 puis aux amplificateurs à fréquence intermédiaire 10. Pendant la durée de la réception, l'oscillateur commandé en tension est commuté en fréquence, et son signal de sortie est renvoyé, du fait du commutateur 5 qui n'est plus passant, vers le mélangeur 9 par l'intermédiaire du circulateur 4, de manière à procurer la fréquence d'oscillateur local, qui est décalée de la fréquence des échos retournés d'une valeur de fréquence égale à la fréquence intermédiaire. Le signal de sortie du mélangeur 9 est amplifié en 10, détecté en 11, échantillonné et numérisé en 12 et appliqué à l'intégrateur 13. En général, il est préférable d'intégrer pour chaque fréquence d'émission les échos numérisés provenant de plusieurs impulsions, pour avoir un rapport signal/bruit meilleur que celui que l'on aurait avec un écho unique. Les échos intégrés sont conservés dans la mémoire 14

jusqu'à ce que le cycle d'émission en fréquence ait été achevé.

Ils sont alors soumis à une transformation de Fourier en 15 pour en déduire la distribution des distances différentielles des sources de dispersion. Les résultats en sortie de la transformation de Fourier sont conservés dans la mémoire 16 pour les mesures effectuées en présence d'une source de dispersion externe,- et dans la mémoire 17 pour les mesures

effectuées en l'absence de toute source de dispersion externe.

On soustrait en 18, pour chaque cellule de distance différentielle respective, les résultats se trouvant dans les mémoires 16 et 17, et les différences sont mémorisées en 19, ce qui donne une carte des sources de dispersion de la cible

complexe dans la direction de l'éloignement.

Le mode de réalisation que l'on a décrit ci-dessus illustre la manière dont un radar non cohérent peut être utilisé pour déduire le profil de réflectivité d'une cible complexe dans la

direction de l'éloignement.

Dans un second mode de réalisation de la présente invention, on peut faire soit tourner la cible complexe, soit tourner le radar autour de celle-ci. Cette rotation relative des sources de dispersion par rapport au radar affecte les différences de phases des échos provenant de paires de sources de dispersion en fonction de leurs distances différentielles transverses respectives de manière semblable à l'effet de la variation de la fréquence d'émission sur les différences de phase des échos provenant de paires de sources de dispersion en fonction de leurs distances différentielles respectives. Ainsi, si l'on incrémente par échelons, comme dans la figure 1, l'angle de rotation au lieu de la fréquence, et s'il y a trois sources de dispersion dominantes éloignées en direction transverse comme représenté figure 4A, la distribution d'énergie correspondante dans le domaine des distances différentielles transverses correspond à celle illustrée figure 4B. De la même façon, si la source de dispersion externe est introduite avec une distance différentielle transverse par rapport à a2 égale à b, la distribution d'énergie correspondante dans le domaine des distances différentielles transverses correspond à ce qui est illustré figure 5B. La soustraction de la distribution des distances différentielles transverses de la figure 4B de celles de la figure 5B donne une carte des sources de dispersion de'la cible complexe dans la direction transverse. Pour ce mode de réalisation, on peut utiliser le radar de la figure 7, toutes les impulsions d'émission ayant la même fréquence et plusieurs impulsions étant utilisées pour chaque angle de rotation

respectif des cibles par rapport au radar.

Le second mode de réalisation décrit ci-dessus illustre la manière dont on peut utiliser un radar non cohérent pour déduire le profil de réflectivité en direction transverse d'une

cible tournante complexe.

Le premier et le second mode de réalisation mettent chacun en jeu une soustraction scalaire des intensités de deux fonctions d'autocorrélation unidimensionnelles pour des positions qui se correspondent. Ceci peut amener à faire des erreurs dans les intensités du profil de réflectivité en

distance, car on ignore les phases des intensités originelles.

Ces erreurs peuvent être évitées si on combine la fréquence en échelons et la rotation angulaire des sources de dispersion par rapport au radar, ce qui permet de déduire un profil bidimensionnel vrai de la cible complexe, comme décrit par la suite. Dans un troisième mode de réalisation, on fait tourner de façon continue la cible complexe pendant une série de cycles de fréquences d'émission qui sont soit répartis à intervalle égaux dans le temps, soit continus. La rotation pour chaque cycle de fréquence est relativement faible, de l'ordre de 1 . Si l'on utilisait le radar de la figure 7, le signal de sortie comprendrait une série de profils de réflectivité radar dans la direction de l'éloignement pour chaque cycle de fréquence respectif, correspondant à une distance d'orientation respective des sources de dispersion. La figure 8 montre la série de profils obtenus dans le domaine des distances différentielles (immédiatement après la transformation de Fourier effectuée en 15 sur la figure 7), en utilisant un modèle simple de cible complexe. La figure 9 montre une série semblable de profils lorsque l'on a placé une source de dispersion externe à proximité du modèle simple de cible complexe. Pour ce dernier mode de réalisation, on a représenté à la

figure 10 un radar qui convient mieux que celui de la figure 7.

Lorsque les éléments du circuit sont identiques, on a utilisé les mêmes références numériques sur la figure 10 que sur la figure 7. Dans la configuration de la figure 10, l'émetteur (éléments 1 à 8) et le récepteur jusqu'à l'intégrateur 13, sont identiques. Dans le radar de la figure 7, les échos intégrés pendant un cycle de fréquences d'émission étaient mémorisés dans la mémoire 14 puis subissaient une transformation de Fourier en 15. Dans la configuration de la figure 10, on fait tourner la cible 20 de la manière indiquée par les flèches, ou bien l'on fait tourner le radar autour de la cible. On conserve dans la mémoire 22 les échos intégrés pendant plusieurs cycles de fréquences d'émission couvrant une gamme d'orientations de la cible 20 et de la source de dispersion 21 (lorsque celle-ci est présente), chaque ligne de cette mémoire comprenant les échos intégrés pendant un cycle respectif de fréquences d'émission et chaque colonne comprenant les échos intégrés & une fréquence d'émission respective lorsque l'on modifie l'orientation de la cible. Lorsque la rotation de la cible a été achevée, les échos intégrés conservés dans la mémoire 22 subissent une transformation de Fourier bidimensionnelle en 23. Le résultat de cette transformation est l'obtention d'un profil bidimensionnel dans le domaine des distances différentielles et dans le domaine des distances différentielles transverses, comme illustré sur la figure 11 qui correspond au même modèle simple de cible complexe que celui utilisé pour obtenir les figures 8 et 9. La figure 12 montre le profil bidimensionnel correspondant obtenu avec utilisation de la source de dispersion externe. Les figures 11 et 12 auraient pu être obtenues à partir des figures 8 et 9, respectivement, par une transformation de Fourier supplémentaire sur l'étendue des cycles de fréquences d'émission pour des valeurs respectives de la distance différentielle, ce qui permet de réaliser la transformation de Fourier bidimensionnelle. Dans la configuration de la figure 10, les signaux en sortie de la transformation de Fourier bidimensionnelle en 23 sont- conservés dans la mémoire 24 lorsque l'on utilise la source de dispersion externe, comme dans la figure 12, et dans la mémoire 23 lorsque l'on n'utilise pas la source de dispersion externe. La soustraction, point par point, des résultats se trouvant dans la mémoire 25 de ceux se trouvant dans la mémoire 24 est exécutée en 18 et les résultats sont conservés dans la mémoire 26, ce qui fournit une carte bidimensionnelle de la réflectivité radar de la cible complexe, comme illustré sur la

figure 13 pour le modèle simple de cible complexe.

Le troisième mode de réalisation, que l'on a décrit ci-dessus en référence aux figures 10 à 13, montre la manière dont on peut utiliser un radar non cohérent pour déduire le

profil de réflectivité bidimensionnelle d'une cible complexe.

Claims

REVENDICATIONS

1. Un radar, caractérisé en ce qu'il comprend: - des moyens (1 à 8) pour émettre une succession d'impulsions radar à des fréquences respectives, des moyens (7 à 12) pour recevoir des échos correspondants, - des moyens (15; 23) pour soumettre les échos, en fonction de la fréquence d'émission, à une transformation de Fourier permettant de déduire une pluralité de signaux de transformation représentant une distribution, en fonction de leurs distances différentielles, de paires de sources de dispersion formées par les sources de dispersion d'une cible complexe (20) et une source de dispersion externe (21) mobile unique, et - des moyens (16 à 19; 18, 24 à 26) pour comparer les signaux de transformation obtenus lorsque la source de dispersion externe mobile se trouve dans une première position à proximité de la cible complexe avec les signaux de transformation obtenus lorsque la source de dispersion externe mobile se trouve soit à une seconde position proche de la cible complexe soit est complètement retirée, de manière à déduire les positions des sources de dispersion

de la cible complexe.

2. Le radar de la revendication 1, comprenant: - une source de dispersion externe placée au-delà de la cible complexe pendant un même nombre de mesures à effectuer à chaque fréquence d'émission respective, et - des moyens pour additionner les mesures ainsi effectuées à

chaque fréquence respective.

3. Le radrar de l'une des revendications 1 ou 2, comprenant:

- une source de dispersion externe placée dans la même cellule de résolution de distance et d'azimut que la cible complexe, et - des moyens pour faire tourner la. cible complexe soit de façon continue pendant les cycles successifs de fréquences

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d'émission soit par échelons entre les cycles successifs.

4. Le radar de l'une des revendications précédentes,

comprenant des moyens (13) pour ordonner par rang de fréquence les résultats obtenus à chaque cycle respectif de fréquences d'émission pour les conserver dans une mémoire matricielle

(14; 22) o chaque ligne correspond à un cycle de fréquences.

5. Le radar de l'une des revendications précédentes,

comprenant des moyens pour traiter des signaux dans un circuit (23) de transformation de Fourier bidimensionnelle permettant d'obtenir, à la fois dans la direction de l'éloignement et dans la direction transverse, les fonctions d'autocorrélation des

sources de dispersion.

6. Le radar de l'une des revendications précédentes,

comprenant: - des moyens pour délivrer des signaux représentant les fonctions d'autocorrélation des sources de dispersion et pour délivrer les signaux correspondants en l'absence de source de dispersion externe, et des moyens (18) pour traiter les séries de signaux afin de

déterminer la différence qu'ils présentent entre eux.

7. Un équipement conçu pour utiliser les profils et/ou les

données produits par un radar selon l'une des revendications

1 à 6.