FR2670584A1 - Repondeur radar directif actif et coherent. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un répondeur radar directif actif et cohérent. Ce répondeur comporte essentiellement un réseau d'antennes élémentaires (A1 à A4) du type Van Atta associées par paires. Chaque antenne est associée à un circulateur (41 à 44) permettant de former une voie de réception et une voie d'émission. Une antenne (A1) choisie comme antenne de référence a sa voie de réception reliée d'une part à une mémoire cohérente (35) suivie d'un modulateur de phase et d'amplitude (36) et d'autre part à des dispositifs de mesure de phase (25 à 27) disposés dans les voies de réception de chacune des autres antennes. Le signal à réémettre est transmis à chaque voie d'émission des antennes par l'intermédiaire d'un déphaseur (28 à 30) commandé par le déphasage mesuré dans la voie de réception de l'autre antenne de la paire. L'invention s'applique aux répondeurs radar couvrant un large secteur angulaire.

Description

REPONDEUR RADAR DIRECTIF ACTIF ET COHERENT
La présente invention se rapporte à un répondeur radar directif actif et cohérent.

I1 est connu de réaliser un répondeur cohérent à l'aide d'une antenne de réception suivie d'une mémoire du signal reçu, qui peut être un oscillateur verrouillé en phase ou une mémoire numérique cohérente, d'un modulateur d'amplitude et de phase pour imprimer au signal la réponse que l'on souhaite présenter au radar, d'un amplificateur et d'une antenne d'émission. En cas de réémission pendant la période de réception, on peut utiliser un découpage temporel alternant émission-réception pour éviter une oscillation due au couplage entre antennes.

Pour simuler une surface équivalente radar donné, il faut une puissance émise correspondante. Cette puissance peut être d'autant plus faible que le gain de l'antenne à l'émission est plus élevé.

Cependant l'inconvénient d'une telle solution à antenne à fort gain est que l'antenne est alors directive et que, par conséquent, elle doit être alors dirigée vers le radar.

Ceci est la plupart du temps très difficile à réaliser et pose en tout cas de nombreux problèmes en opération notamment dans le cas de répondeurs radar utilisés en contre-mesure pour générer de faux échos.

On sait résoudre les problèmes de puissance à émettre par une antenne en utilisant le principe des antennes actives à réseau de sources élémentaires. La puissance rayonnée est alors la somme des puissance issues de chaque source. Mais même si cette solution présente l'avantage de réduire beaucoup la puissance à émettre par chaque source, il reste les problèmes de directivité et d'orientation de l'antenne vers le radar.

L'invention a pour objet de remédier à ces inconvénients grâce à l'utilisation dans un répondeur cohérent d'un réseau rétrodirectif.

Un tel réseau a l'avantage de réémettre un signal dans la direction d'où il a été reçu, quelle que soit cette direction à l'intérieur de certaines limites.

Un autre objet de l'invention est un répondeur cohérent basé sur l'utilisation d'un réseau d'antennes élémentaires du type Van Atta.

Selon l'invention, il est donc prévu un répondeur radar directif actif et cohérent du type comportant au moins une antenne de réception, des moyens de mémorisation du signal reçu par ladite antenne, des moyens de modulation en amplitude et/ou en phase des signaux lus dans lesdits moyens de mémorisation, des moyens d'amplification des signaux modulés par lesdits moyens de modulation et au moins une antenne d'émission pour l'émission des signaux amplifiés par lesdits moyens d'amplification, ledit répondeur étant caractérisé en ce que lesdites antennes d'émission et de réception sont constituées de
N antennes élémentaires, avec N pair, disposées et connectées selon un système dit de Van Atta où lesdites antennes sont associées par paires, en ce que ledit répondeur comprend des moyens duplexeurs pour relier chaque antenne élémentaire à une voie de réception et à une voie d'émission, en ce que lesdits moyens de mémorisation du signal reçu sont constitués par une mémoire cohérente reliée à la voie de réception d'une première desdites antennes élémentaires, servant d'antenne de référence, et associée à des moyens de gestion, et en ce que ledit répondeur comprend en outre des moyens de mesure de phase, pour mesurer les déphasages relatifs des signaux reçus dans chacune des voies de réception desdites antennes élémentaires par rapport au signal reçu dans ladite voie de réception de l'antenne de référence, et des moyens déphaseurs pour transmettre le signal modulé fourni par lesdits moyens de modulation aux voies d'émission des diverses antennes élémentaires avec des déphasages respectifs égaux, pour chaque antenne, au déphasage mesuré par lesdits moyens de mesure dans la voie de réception de l'autre antenne de la paire.

Un tel répondeur présente une structure simple permettant de recevoir et de réémettre dans un secteur angulaire relativement large tout en émettant un faisceau étroit avec un gain plus élevé que les solutions classiques.

L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints où - la figure 1 représente le schéma d'un répondeur radar cohérent classique - la figure 2 est le schéma d'une antenne active à réseau d'antennes élémentaires; - la figure 3 est le schéma de base d'un réseau Van Atta - la figure 4 montre le schéma de principe d'un répondeur radar cohérent selon l'invention; ; et - la figure 5 est le schéma partiel d'un mode de réalisation du répondeur selon l'invention.

Sur la figure 1 est représenté le schéma de principe d'un répondeur radar cohérent classique. Ce répondeur comprend une antenne de réception Ar de gain GRR suivie d'une mémoire du signal reçu 1 qui conserve de manière cohérente la mémoire du signal reçu. Cette mémoire peut être par exemple un oscillateur verrouillé en phase lorsque le signal reçu est constitué par des impulsions non modulées se répétant à des cadences fixes ou à des cadences variant d'une rafale d'impulsions à la suivante. Une telle mémoire est décrite par exemple dans le brevet français NO 81 21652.

Si le signal reçu est susceptible d'être modulé en phase (ou en fréquence), continu ou découpé en impulsions, la mémoire est alors de préférence constituée par une mémoire numérique cohérente à radiofréquence (DRFM dans la littérature anglo-saxonne) telle que décrite par exemple dans l'article "DRliM requirements demand innovative technology" de
G. WEBBER et al paru dans la revue Microwave Journal de février 1986 pages 91 à 104. La mémoire 1 est suivie d'un modulateur 2 d'amplitude et de phase pour imprimer la réponse voulue sur le signal à réémettre par le répondeur. Un exemple d'une telle disposition incluant les circuits de gestion adéquats est décrit dans le brevet français cité ci-dessus.

Le signal modulé par le modulateur 2 est amplifié dans un amplificateur 3 de gain g délivrant une puissance maximale P à une antenne d'émission Ae de gain GRE.

Lorsqu'une telle structure est utilisée comme répondeur radar ou dispositif de contre-mesure générant de faux échos, la surface équivalente radar (SER) simulée S peut être calculée comme suit.

Le signal reçu par le radar d'une cible de SER S à la distance d correspond à une puissance reçue Pr

où X est la longueur d'onde de fonctionnement et P G est la E puissance effective rayonnée par le radar.

Si on calcule le signal reçu par le répondeur puis le signal reçu par le radar venant du répondeur et si on écrit que cette puissance est égale à celle reçue d'une cible simulée de
SER S, on obtint

Pour simuler cette surface équivalente radar S à une distance minimale do, la puissance émise doit être
P = g PR où P R est la puissance du signal reçu par le répondeur.

D'où, on montre que

Comme on l'a déjà mentionné, la puissance nécessaire est d'autant plus faible que le gain de l'antenne à émission est plus grand. Mais si le gain est élevé, l'antenne est alors directive et doit être orientée vers le radar.

On peut augmenter la puissance émise en utilisant le principe d'une antenne active (figure 2) composée d'un réseau de sources 10 à 13 associées chacune à un amplificateur de puissance 14 à 17. Le signal à émettre est distribué aux diverses sources par l'intermédiaire par exemple de coupleurs 18 à 20. Ce réseau constitue l'antenne directive d'émission. La puissance totale dérivée est la somme des puissances issues de chaque source. Comme il est connu, un tel arrangement permet en outre, en faisant varier la phase relative des signaux sur chaque source, d'orienter la direction du faisceau à l'intérieur d'un secteur angulaire autour de la normale au réseau.

Si la puissance sur chaque source est PO et le gain G. avec N sources, on obtient une puissance P et un gain G pour l'antenne tels que
P = NPo G = NGo PG = N2 P G
Cependant, cette configuration d'antenne si elle constitue une solution intéressante pour les problèmes de puissance à émettre, est relativement complexe et coûteuse en raison des problèmes de commande et d'orientation du faisceau à l'aide de déphaseurs pour orienter l'antenne vers le radar.

Une des idées de base de l'invention est d'avoir pensé à mettre à profit les réseaux dits de Van Atta. La figure 3 représente le schéma de principe d'un tel réseau. Un réseau de
Van Atta est constitué d'un nombre pair d'antennes élémentaires Al à A4 disposées symétriquement autour du centre du réseau.

Les sources symétriques par rapport à ce centre du réseau forment une paire (Al, A4), (A2A3) et sont reliées entre elles par une ligne de transmission L, L' de mêmes caractéristiques et de même longueur pour toutes les paires. L'espacement entre sources adjacentes est d et peut être, comme cela est bien connu dans les réseaux en général, de l'ordre de X/2, où X est la longueur d'onde de fonctionnement.

Sur la paire A1, A4 les signaux reçus d'une direction faisant un angle O avec la normale au réseau sont
v1 = vO sin 2#fot
v4 = vO sin (2#fot + ##14) Le déphasage cP 14 dépend de manière connue de e et de b.

Dans un réseau Van Atta, les signaux réémis par les antennes A1 et A4 sont alors
v'1 = vo sin [2fu (t-T) AT14]
v4 = sin [21ffo (t-T)
Où T est le retard de transmission dans les lignes L ou L'.

En conséquence le maximum d'intensité du signal réémis est dans la direction e d'où il a été reçu.

Si les retards entre sources symétriques sont identiques pour les différentes paires, les faisceaux à la réception et à la réémission sont identiques quelle que soit la taille du réseau.

La figure 4 représente le schéma d'un répondeur cohérent selon l'invention, basé sur la combinaison d'un réseau d'antennes du type Van Atta et d'une mémoire cohérente.

Le réseau comprend un nombre pair d'antennes élémentaire A1 à A4 associées par paires (A1, A4), (A2, A3).

Chaque antenne est reliée à un circulateur, 41 à 44, déterminant une voie de réception reliée à un amplificateur, 21 à 24, et une voie d'émission comprenant un amplificateur d'émission, 31 à 34.

Une des antennes du réseau est choisie comme antenne de référence, ici Al, et sa voie de réception est reliée à une mémoire cohérente 35. Le signal de sortie de l'amplificateur 21 de la voie de réception de l'antenne A1 est aussi envoyé comme signal de référence à des dispositifs de mesure de phase 25 à 27 recevant respectivement les signaux des voies de réception des autres antennes A2 à A4. Les dispositifs 25 à 27 mesurent le déphasage relatif ace12 à Aç14 entre les signaux reçus sur l'antenne Al d'une part et les signaux reçus sur les antennes A2 à A4 respectivement.

La mémoire 35 est une mémoire cohérente Comme on l'a déjà mentionné, cela peut être un oscillateur verrouillé en phase dans le cas le plus simple ou une mémoire numérique radiofréquence. La sortie de cette mémoire 35 est reliée à un modulateur d'amplitude et de phase 36 qui imprime la réponse souhaitée sur les signaux à réémettre. La mémoire 35 enregistre le signal reçu sur l'antenne Al pendant la période de réception, l'instant de réception, et les caractéristiques de modulation de ce signal (période de répétition, largeur d'impulsion et amplitude).Une unité de gestion 37 est associée à la mémoire 35 et au modulateur 36 pour recevoir ces informations, commander le découpage émission-réception et le fonctionnement de la mémoire et du modulateur en fournissant notamment à ce dernier les valeurs d'amplitude (réponse proportionnelle au signal reçu et à la SER simulée) et de phase (fréquence Doppler simulée) à appliquer.

Le signal modulé fourni par le modulateur 36 est envoyé aux différentes voies d'émission des antennes A1 à A4. il est appliqué directement à l'amplificateur 34 de la voie d'émission de l'antenne A4 associée à l'antenne de référence Al.

Il est appliqué aux voies d'émission des autres antennes, c'est-à-dire aux amplificateurs 31 à 33, par l'intermédiaire respectivement des déphaseurs 28 à 30. Ceux-ci sont commandés par les valeurs de déphasage respectifs mesurées, pour chaque déphaseur, dans la voie de réception de l'autre antenne élémentaire de la paire. Ainsi par exemple le déphaseur 29 dans la voie d'émission de l'antenne A2 est commandé par la valeur Ace13 mesurée dans la voie de réception de l'autre antenne, A3, de la paire (A2, A3). Inversement, le déphaseur 30 dans la voie d'émission de A3 est commandé par la valeur A12 mesurée par le dispositif 25 dans la voie de réception de A2.

Ainsi les signaux réémis par A2 et A3 sont identiques en fréquence et amplitude et ont un déphasage relatif inverse de celui à la réception. Le signal amplifié, retardé et décalé en fréquence Doppler est donc réémis dans la direction exacte du signal reçu, ceci automatiquement sans qu'li soit besoin de pointer le réseau dans une direction sélectionnée ou d'orienter mécaniquement le réseau d'antenne.

Si les retards de propagation sur les quatre voies sont identiques, on peut recevoir et réémettre dans un secteur très large, par exemple un cône de demi-ouverture 600. On parle ici de cône car le réseau considéré peut aussi bien être un réseau linéaire qu un réseau plan.

Une condition nécessaire au bon fonctionnement et qui est un des principes des réseaux Van Atta est que ces retards de propagation soient identiques. Pour s'en assurer il est prévu un circuit de test 38 relié à chacune des antennes A1 à A4 par un coupleur C1 à C4 pour assurer la calibration des voies par mesure de phases relatives, homothétiques des retards au moins dans le cas d'une faible bande passante. Le circuit de test permet l'injection de signaux de test et la mesure des phases sous le contrôle de l'unité de gestion 37.

La figure 5 représente une partie du répondeur selon l'invention dans un mode de réalisation particulier. Les mêmes numéros de référence renvoient aux mêmes éléments que sur la figure 4. A la sortie de chaque amplificateur de réception 21, 24 et à l'entrée de chaque amplificateur d'émission 31, 34 est disposé un mélangeur 46 à 49 recevant également un signal d'un oscillateur local 45. Ceci permet de passer à une fréquence intermédiaire plus basse à la réception et de repasser à la fréquence de fonctionnement à l'émission. Ceci permet d'assurer une meilleure sélectivité et sensibilité du répondeur grâce au fait que notamment la mémoire et les mesures de phase sont réalisées à une fréquence intermédiaire plus basse que la fréquence de fonctionnement.Le dispositif de mesure de fréquence 27 comprend un discriminateur de phase 51, par exemple du type à pont de diodes équilibré, qui délivre un signal proportionnel à sin t 4 Ce discriminateur est suivi d'un échantillonneur bloqueur 50 schématisé sous la forme d'un interrupteur suivi d'une capacité mémoire. Le signal de mesure est échantillonné sur ordre, Eb, de l'unité de gestion 37. Cet ordre est déclenché par le front avant de l'impulsion reçue et le signal de mesure est alors mémorisé par l'échantillonneur bloqueur.

Si les différences de phase à mesurer ne dépassent pas tut/2, un discriminateur simple est suffisant. Si, par contre, elles dépassent cette valeur, on devra prévoir un discriminateur de phase double délivrant les valeurs sin Asp et cos Acp qui sont alors nécessaires.

Le répondeur cohérent ainsi décrit est de structure très simple. 1l peut être un répondeur simple ou comporter des fonctions de génération d'échos multiples avec des retards variables, décalés ou non en fréquence Doppler, éventuellement à spectre large par modulation de phase aléatoire.

1l peut recevoir et réémettre dans un secteur large tout en bénéficiant à. l'émission d'un faisceau plus étroit et de l'addition des puissances de N antennes élémentaires selon le principe des antennes actives. Les amplificateurs d'émission doivent donc chacun fournir une puissance élémentaire notablement plus faible que dans le cas d'une antenne unique, ce qui permet avantageusement l'emploi d'amplificateurs à transistors.

Bien entendu, les exemples de réalisation décrits ne sont nullement limitatif s de l'invention.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS

   1. Répondeur radar directif actif et cohérent du type comportant au moins une antenne de réception (Ar ; Al à A4), des moyens (1 ; 35) de mémorisation du signal reçu par ladite antenne1 des moyens de modulation en amplitude et/ou en phase (2 ; 36) des signaux lus dans lesdits moyens de mémorisation, des moyens d'amplification (3 ; 31 à 34) des signaux modulés par lesdits moyens de modulation et au moins une antenne d'émission (Ae ;Al à A4) pour l'émission des signaux amplifiés par lesdits moyens d'amplification, ledit répondeur étant caractérisé en ce que lesdites antennes d'émission et de réception sont constituées de N antennes élémentaires (A1 à A4), avec N pair, disposées et connectées selon un système dit de Van Atta où lesdites antennes sont associées par paires, en ce que ledit répondeur comprend des moyens duplexeurs (41 à 44) pour relier chaque antenne élémentaire (Al à A4) à une voie de réception (21 à 24) et à une voie d'émission (31 à 34), en ce que lesdits moyens de mémorisation du signal reçu sont constitués par une mémoire cohérente (35) reliée à la voie de réception d'une première desdites antennes élémentaires (A1), servant d'antenne de référence, et associée à des moyens de gestion (37), et en ce que ledit répondeur comprend en outre des moyens de mesure de phase (25 à 27), pour mesurer les déphasages relatifs des signaux reçus dans chacune des voies de réception desdites antennes élémentaires par rapport au signal reçu dans ladite voie de réception de l'antenne de référence, et des moyens déphaseurs (28 à 30) pour transmettre le signal modulé fourni par lesdits moyens de modulation (36) aux voies d'émission des diverses antennes élémentaires avec des déphasages respectifs égaux, pour chaque antenne, au déphasage mesuré par lesdits moyens de mesure dans la voie de réception de l'autre antenne de la paire.
2. 2. Répondeur selon la revendication 1 pour radar à impulsions non modulées, caractérisé en ce que ladite mémoire (35) est constituée par un oscillateur verrouillé en phase sur l'impulsion reçue dans ladite voie de réception de l'antenne de référence.
3. 3. Répondeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite mémoire (35) est une mémoire numérique radiofréquence.
4. 4. Répondeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens déphaseurs n'appliquent aucun déphasage à l'antenne élémentaire (A4) associée à ladite antenne de référence dans une desdites paires.
5. 5. Répondeur selon l'une quelconque des revendications 1, 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de changement de fréquence (46 à 49) disposés dans chacune des voies de réception et d'émission et alimentés par un oscillateur local commun (45) dont la fréquence diffère des fréquences de signaux attendues par une valeur égale ou voisine d'une fréquence intermédiaire prédéterminée, de manière que ladite mémoire (35), lesdits moyens de modulation (36), lesdits moyens de mesure de phase (25 à 27) et lesdits moyens déphaseurs (28 à 30) opèrent à ladite valeur de fréquence égale ou voisine de la fréquence intermédiaire prédéterminée.
6. 6. Répondeur selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure de phase (25 à 27) comprennent, dans chaque voie de réception, un discriminateur de phase (51), recevant les signaux de ladite voie de réception et les signaux de la voie de réception associée à ladite antenne de référence et fournissant un signal de mesure du déphasage relatif de ces signaux, et un échantillonneur bloqueur (50) connecté entre ledit discriminateur (51) et lesdits moyens déphaseurs (28) à commander, ledit échantillonneur bloqueur étant déclenché par un signal de commande (Eb) fourni par lesdits moyens de gestion (37) en synchronisme avec le front avant des impulsions reçues par ladite mémoire de ladite voie de réception de référence.
7. 7. Répondeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de test (38, C1 à C4) couplés auxdites antennes élémentaires (Ai à A4) et contrôlés par lesdits moyens de gestion (37), pour contrôler l'identité des retards de propagation dans les transmissions entre antennes de chaque paire par injection d'un signal de test dans lesdites antennes et mesure des déphasages relatifs dans lesdites transmissions dans chaque paire d'antennes.