FR2741478A1 - Antenne a formation de faisceaux par calcul segmentee en sous-reseaux - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une antenne à formation de faisceaux par calcul segmentée en sous-réseaux. Chaque sous-réseau de capteurs (3) ayant un centre de phase (C1 , C2 , C3 , C4 , C5 , C6 , , la disposition du réseau (32) des centres de phase étant apériodique, elle présente une symétrie axiale (31). Le réseau (32) étant décomposé en deux trames (33, 34) de centres de phases symétriques l'une de l'autre par rapport à l'axe de symétrie (31) et dont la superposition redonne le réseau (32), pour chaque trame, une matrice de corrélation de ses signaux reçus est calculée puis une moyenne des deux matrices est effectuée. Application: Radars de surveillance.

Description

La présente invention concerne une antenne à formation de faisceaux par calcul segmentée en sous-réseaux. Elle s'applique notamment aux radars de surveillances du sol, fixes ou mobiles.

Pour surveiller l'espace aérien, deux types d'antennes peuvent notamment être utilisés. Avec un premier type antenne, seule une petite partie de l'espace est explorée à chaque instant, le faisceau d'antenne balayant l'espace. L'antenne tourne effectivement, de façon mécanique, en site etlou en gisement, ou bien le balayage de l'espace par le faisceau est obtenu par une antenne dite à balayage électronique. Avec un deuxième type d'antenne, une grande partie de l'espace est éclairée en permanence par un très large faisceau. Un balayage, mécanique ou électronique, de l'antenne n'est alors plus nécessaire. En réception, un réseau de capteurs associé à des récepteurs indépendants permet de former par calcul plusieurs faisceaux de réception de faible largeur. La technique utilisée est connue sous l'appellation de Formation de Faisceaux par le Calcul dénommée FFC par la suite.

Pour assurer une surveillance efficace de l'espace, le premier type d'antenne nécessite que le balayage, mécanique ou électronique, soit rapide, mais alors les temps d'intégration sont très courts, ce qui exige une grande puissance d'émission.

Une antenne du deuxième type, à FFC, ne présente pas cet inconvénient puisque pratiquement tout l'espace est exploré en permanence. Cependant, étant donné qu'un récepteur est associé à chaque capteur du réseau, I'utilisation d'une telle antenne est chère, et cela pour au moins deux raisons : la première, à cause du grand nombre de récepteurs utilisés ainsi que de circuits associés tels que des convertisseurs analogique-numérique par exemple, la deuxième à cause de la grande charge de calcul résultante puisque chaque signal issus d'un récepteur doit être traité.

Une solution pour réduire le coût d'une antenne à FFC consiste alors à regrouper ses capteurs élémentaires en sous-réseaux, une chaîne de réception unique étant associée à chaque sous-réseau. Cependant, dans ce cas, L'antenne ne peut plus recevoir à chaque instant de tout l'espace éclairé. Seul un secteur angulaire de l'espace peut être exploré.

Eventuellement, un balayage mécanique ou électronique de l'antenne peut être associé à sa fonction FFC afin de lui permettre de recevoir de tout l'espace. Une telle antenne est toujours plus économique en puissance qu'une antenne classique à simple balayage mécanique ou électronique puisque la largeur du secteur angulaire susceptible d'être reçu à chaque instant par l'antenne étant nettement plus large que le simple faisceau de l'antenne classique, les points de l'espace compris dans ce secteur angulaire sont éclairés plus longtemps que ceux éclairés par le faisceau précité. Une segmentation de l'antenne en sous-réseaux est donc avantageuse.

La distance entre les centres de phase des capteurs élémentaires d'une antenne à FFC est généralement inférieure ou égale à AJ2, X étant la longueur d'onde émise par l'antenne. En effet, si cette règle n'est pas respectée, des lobes de réseau parasites apparaissent. En cas de regroupement des capteurs, un centre de phase est associé à chaque sousréseau et les dimensions ainsi que les positions des capteurs ne permettent plus d'obtenir des distances inférieures à B/2 entre un centre de phase et son suivant. Pour que les effets des lobes de réseaux engendrés par les espacements des centres de phase supérieurs à RJ2 se compensent, les sous-réseaux peuvent contenir des capteurs en nombres différents, les sous-réseaux peuvent être partiellement imbriqués ou non et répartis de manière apériodique.

Cependant, le diagramme de l'antenne segmentée présente encore des lobes secondaires de niveau très élevé, voire comparable au niveau du lobe principal et donc susceptible de provoquer de fausses alarmes. Pour des réseaux uniformes d'antennes à FFC, il est connu d'utiliser des traitements adaptatifs associés à la FFC, ces traitements sont notamment connus sous le nom de Capon ou de Music, ce dernier terme étant issu de l'expression anglo-saxonne "Multiple Signal Caractérisation".

Ces traitements reposent sur l'estimation de la matrice de corrélation des signaux issus des récepteurs des antennes. Cependant, en présence de cibles fortement corrélées, cette matrice devient singulière et rend le traitement inopérant. II en résulte une perte de détection. Pour s'affranchir de ce problème, il est connu d'effectuer un pré-traitement de la matrice de corrélation. Ce pré-traitement est couramment appelé lissage spatial.

L'inconvénient d'une antenne segmentée en sous-réseaux disposés de façon apériodique pour compenser l'effet des lobes de réseaux est que les méthodes de lissage spatial connues ne sont plus applicables car ces dernières nécessitent une disposition régulière des centres de phases.

Le but de l'invention est de pallier cet inconvénient, notamment en permettant une structure d'antenne segmentée comportant à la fois des sous-réseaux disposés de façon apériodique et la possibilité de réaliser un pré-traitement de la matrice de corrélation précitée.

A cet effet, I'invention a pour objet une antenne à formation de faisceaux par calcul constituée d'un réseau de capteurs et segmentée en sous-réseaux, associée à des moyens de calcul par l'intermédiaire de moyens de réception affectés à chaque sous-réseau, chaque sous-réseau ayant un centre de phase, caractérisée en ce que la disposition du réseau des centres de phase étant apériodique, elle présente une symétrie axiale par rapport à un axe, le réseau des centres de phase étant décomposé en deux trames, ayant au moins un centre de phase de moins que le réseau symétriques l'une de l'autre par rapport à l'axe et dont la superposition redonne le réseau, les moyens de calcul calculant pour chaque trame une matrice de corrélation des signaux reçus par les sous-réseaux de la trame puis effectuant une moyenne des deux matrices.

L'invention a pour principaux avantages qu'elle ne réduit pas la largeur efficace de l'antenne pour l'obtention de son ouverture à 3 dB, qu'elle est simple à mettre en oeuvre et qu'elle est économique.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent:
- la figure 1, une antenne pleine et une antenne segmentée en sous-réseaux
- la figure 2, une illustration d'un pré-traitement de matrice de corrélation de signaux reçus;
- la figure 3, un principe de réalisation d'une antenne segmentée selon l'invention;
- les figures 4 et 5, un exemple de réalisation d'une antenne segmentée selon l'invention;
- la figure 6, un exemple de réalisation de chaînes de réceptions associées aux sous-réseaux d'une antenne selon l'invention;
- la figure 7, un exemple d'application d'une antenne selon l'invention.

La figure 1, présente deux réseaux linéaires 1, 2 de capteurs 3 constituant une antenne à FFC. Un premier réseau 1 ne comporte que des capteurs indépendants reliés chacun à un récepteur non représenté. Une antenne à FFC, appelée par exemple antenne pleine, constituée de ce premier réseau 1 peut recevoir de tout l'espace.

La distance entre deux centres de phase C, C' associés à deux capteurs consécutifs 3, 3' est inférieure ou égale à la moitié de la longueur d'onde émise, RJ2, pour éviter l'apparition de lobes de réseaux.

Un deuxième réseau 2 comporte des capteurs reliés en sousréseaux 4, 5, 6, 7, les réseaux n'ayant pas obligatoirement tous le même nombre de capteurs. Une antenne à FFC, appelée par exemple antenne segmentée, constituée de ce deuxième réseau 2 ne peut plus recevoir de tout l'espace, mais seulement d'un secteur angulaire. Les dimensions des sous-réseaux 4, 5, 6, 7 délimitent, par les diagrammes de rayonnement de chacun de ces sous-réseaux, le secteur angulaire d'application de la FFC.

Les sous-réseaux 4, 5, 6, 7 sont réalisés de telle sorte que leurs centres de phases associés C4, Cg, C6 C7 soient disposés de façon apériodique pour que les effets des lobes de réseaux engendrés par les espacements entre centres de phases successifs inévitablement supérieurs à h12 se compensent.

De même dimensions, les deux antennes, pleine et segmentée, présentent la même ouverture à 3dB et donc le même pouvoir séparateur.

Le diagramme de rayonnement de l'antenne segmentée présente des lobes secondaires de niveau très élevé, voire comparable au niveau du lobe principal nécessitant un traitement adaptatif associé à la FFC.

La plupart des traitements adaptatifs couramment utilisés en traitement d'antenne reposent sur l'estimation de la matrice de corrélation des signaux issus des récepteurs. Cependant, en présence de cibles fortement corrélées, cette matrice de corrélation devient singulière et rend le traitement inopérant, d'où une perte de détection. Pour s'affranchir de ce problème, un pré-traitement de matrice appelé lissage spatial est réalisé.

La figure 2, illustre la mise en oeuvre d'un lissage spatial. Ce lissage spatial est effectué dans le cas d'un réseau 1 régulier et uniforme.

Ce réseau comprend par exemple N capteurs 3. Le lissage spatial consiste à calculer de manière glissante, sur des trames identiques et successives 22 de P capteurs 3, N-P+1 matrices réduites 21 de dimensions PxP sur la base du réseau initial des N capteurs 3, P étant inférieur à N. Une moyenne des
N-P+1 matrices réduites 21 est ensuite calculée pour donner une nouvelle matrice de corrélation, de dimension PxP, laquelle sera utilisée pour le traitement adaptatif.

Un réseau apériodique ne permet pas une application directe de ce pré-traitement de la matrice de corrélation qui nécessite que la configuration des trames 22 soit identique d'un glissement à l'autre.

La figure 3, illustre le principe de réalisation d'une antenne selon l'invention permettant de réaliser un pré-traitement de la matrice de corrélation d'efficacité analogue au lissage précité.

Seuls les centres de phase associés chacun à un sous-réseau de l'antenne sont représentés. Les moyens de calculs associés à l'antenne dont la structure est connue de l'homme du métier ne sont pas représentés.

L'antenne selon l'invention est telle que la disposition des centres de phase C1, C2, C3, C4, Cg, C6 associés chacun à un sous-réseau présente une symétrie axiale par rapport à un axe de symétrie 31, ces centres de phases C1, C2, C3, C4, Cg, C6 étant toujours disposés de façon apériodique, c'est-à-dire qu'au moins une distance entre deux centres de phases consécutifs est différente des autres distances entre deux centres de phase consécutifs.

Le réseau 32 constitué des sous-réseaux de l'antenne est tel que ses centres de phase peuvent être virtuellement séparés en deux trames 33, 34 ayant au moins un centre de phase de moins que le réseau 32, par exemple de même largeur que ce réseau initial 32 de centres de phases, symétriques l'un de l'autre par rapport à l'axe de symétrie 31 des centres de phases C1, C2, C3, C4, Cg, C6 du réseau initial 32, et dont la superposition des centres de phases C'1, C'2, C'3, C'4, C's, de la première trame 33 sur les centres de phase C"1, C"2, C"3, C"4, C"s, de la deuxième trame 34 redonnent les centres de phase C1, C2, C3, C4, Cg, C6 du réseau initial 32 qui est le réseau de l'antenne.

En inversant la position des centres de phase C"1, C"2, C"3, C'4, C"5, de la deuxième trame 34, la position des centres de phase C'1, C'2,
C'3, C'4, C's, de la première trame 33 est obtenue. De cette manière deux trames identiques de centres de phase sont obtenues ce qui permet d'appliquer une méthode du type lissage spatial. Une matrice de corrélation des signaux reçus est calculée pour chacune des deux trames 33, 34 puis une moyenne des deux matrices obtenues est calculée pour donner la matrice de corrélation qui servira au traitement adaptatif. Ce traitement étant par exemple un des traitements adaptatifs connus tels que ceux de Capon ou de Music notamment.

Pour la réalisation du réseau 32 de centres de phase de l'antenne, les deux trames 33, 34 symétriques l'une de l'autre et dont la superposition correspond à la trame 32 de l'antenne, peuvent être réalisées par exemple suivant une progression irrégulière des espacements entre centres de phases consécutifs.

Une fois chaque trame de centres de phase 33, 34 définie, des sous-réseaux sont construits sur chacune de ces trames en les dimensionnant notamment en fonction du secteur angulaire à observer. Les sous-réseaux peuvent être par exemple constitués de la façon la plus irrégulière possible, le nombre de capteurs étant par exemple différent entre les sous-réseaux.

Les sous-réseaux peuvent être par exemple imbriqués, c'est à dire que un ou plusieurs capteurs peuvent être intercalés entre deux capteurs d'un même sous-réseau.

La figure 4, illustre, à titre d'exemple, une antenne segmentée en sous-réseau de capteurs 3 à partir de la position des centres de phase illustrée en figure 3.

Un premier centre de phase C1 correspond à un premier sousréseau 41, un deuxième centre de phase C2 correspond à un deuxième sous-réseau 42, un troisième centre de phase C3 correspond à un troisième sous réseau 43, un quatrième centre de phase C4 correspond à un quatrième sous-réseau 44, un cinquième centre de phase C5 correspond à un cinquième sous-réseau 45 et un sixième centre de phase C6 correspond à un sixième sous-réseau 46. Le centre de symétrie 31 est située entre le troisième C3 et le quatrième C4 centre de phase.

Les premier 41, deuxième 42, troisième 43, cinquième 45 et sixième 46 sous-réseaux contiennent par exemple chacun trois capteurs ou trois séries de capteurs. Le cinquième sous-réseau 45 contient par exemple cinq capteurs.

Les deux centres de phases extrêmes C1, C6 appartiennent tous deux aux deux trames 33, 34 de centres de phase. En effet, le centre de phase C1 situé à une extrémité de l'antenne est un centre de phase C'1 de la première trame 33 ou un centre de phase C"5 de la deuxième trame 34.

De même, le centre de phase C6 situé à l'autre extrémité de l'antenne est un centre de phase C'5 de la première trame 33 ou un centre de phase C"1 de la deuxième trame. II s'ensuit que la distance maximum entre les deux capteurs extrêmes 47, 48 des réseaux associés à chacune de ces trames 33, 34 est égale à la distance maximum du réseau complet 32. La largeur totale de l'antenne est donc conservée pour chaque trame, ce qui permet de conserver à l'antenne une ouverture à 3 dB et donc un pouvoir séparateur égal à celui correspondant à la totalité de ses capteurs.

La figure 5 illustre, à titre d'exemple, une réalisation pratique d'une antenne segmentée selon l'invention . L'antenne est par exemple constituée d'un plan rayonnant 51 formé de dipôles imprimés 52 utilisés à l'émission et à la réception. Les dipôles 52 sont par exemple regroupés en poutres parallèles 53. Dans l'exemple illustré, chaque poutre contient seize dipôles. Chaque poutre est reliée à un circuit de répartition 54 en site. Le réseau de dipôles est par exemple segmenté en gisement en regroupant les poutres 53 en sous-réseaux 41, 42, 43, 44, 45, 46 tels que ceux définis dans l'exemple de réalisation de la figure 4, une poutre étant alors assimilée à un capteur. L'antenne est à symétrie axiale, c'est-à-dire que les centres de phase de chaque sous-réseau sont placés symétriquement par rapport à un axe 31.

L'exemple de réalisation de la figure 5 comporte une segmentation en gisement. Cependant, il est envisageable de réaliser des antennes avec une segmentation en site, ou en site et en gisement à la fois.

La figure 6 présente un exemple de réalisation des chaînes de réception 61, 62, 63, 64, 65, 66 associées aux sous-réseaux 41, 42, 43, 44, 45, 46 de l'antenne présentée en figure 5. Chaque chaîne de réception comprend par exemple en entrée un pré-amplificateur hyperfréquence 601 à faible bruit. Ce pré-amplificateur est par exemple suivi de trois étages de mélange-filtrage-amplification successifs. Chaque étage est constitué d'un mélangeur 602 dont la sortie est reliée à l'entrée d'un filtre passe-bande 603, la sortie de ce dernier étant reliée à l'entrée d'un amplificateur 604. Le signal hyperfréquence est alors ramené à une fréquence déterminée dans une bande donnée par mélanges successifs avec trois oscillateurs locaux dont les fréquences sont choisies de manière à rejeter les raies parasites hors bande. Après chaque mélange, la fréquence intermédiaire obtenue est filtrée afin d'avoir une bonne réjection des raies images dues au mélangeur puis amplifiée.

La sortie de l'amplificateur du dernier étage est reliée à l'entrée d'un circuit de limitation et de filtrage passe-bas 605 dont la sortie est reliée à l'entrée d'un convertisseur analogique-numérique. Le codage est par exemple effectué à une fréquence sous-multiple de la fréquence porteuse du signal reçu à l'entrée du convertisseur. Celuici délivre la composante réelle
I numérisée et la composante en quadrature Q numérisée du signal reçu.

Ces composantes I, Q sont ensuite traitées par des moyens de calcul non représentés comportant notamment des circuits de transformation de Fourier dits FFT.

L'antenne de la figure 5 est composée de vingt poutres 53 réparties par exemple sur une longueur de 25 demi-longueurs d'onde, AJ2, et regroupés en cinq sous-réseaux de trois poutres et un réseau de cinq poutres. C'est le sous-réseau le plus grand qui délimite le secteur angulaire d'application de la FFC qui est par exemple dans ce cas voisin de 20 , la largeur à 3 dB du faisceau formé étant de l'ordre de 3 à 4" Le traitement adaptatif, de Capon par exemple, est rendu apériodique pour s'adapter au réseau de dipôles qui est apériodique. Les matrices de corrélation réduites associées aux deux trames 33, 34 symétriques axialement l'une de l'autre sont calculées en sortie des circuits de FFT connectés en sortie des chaînes de réception. Puis une moyenne de ces matrices est effectuée, ce qui permet d'obtenir une matrice de corrélation des signaux reçus non singulière et donc en mesure de rendre le traitement adaptatif associé à la FFC opérant, notamment en présence de cibles fortement corrélées.

La figure 7 illustre un exemple d'application possible d'une antenne à FFC selon l'invention. L'antenne 71 possède un plan rayonnant 51, du type par exemple de celui présenté en figure 5. La structure des sous-réseaux délimite un secteur angulaire 72 d'application de la FFC, c'est-à-dire un secteur angulaire dans lequel des signaux peuvent être reçus. Des faisceaux 73 de réception peuvent être instantanément réalisés à l'intérieur de ce secteur angulaire. Pour être utilisé dans un radar de surveillance et recevoir des signaux de tout l'espace ou d'une partie de l'espace, le secteur angulaire 72 peut tourner, soit grâce à la rotation mécanique de l'antenne, soit grâce à un balayage électronique moyennant l'ajout de déphaseurs derrière chaque capteur. Une telle antenne est plus économique en puissance qu'une antenne classique ayant un seul faisceau 73 car à chaque instant elle éclaire un point donné de l'espace, susceptible de renvoyer un signal, plus longtemps que ne le fait un simple faisceau grâce au secteur angulaire d'application de la FFC qui est beaucoup plus large que ce faisceau. Par ailleurs, elle est plus économique qu'une antenne classique à
FFC en utilisation de récepteurs et en charge de calcul grâce à sa segmentation en sous-réseaux.

Claims (13)

REVENDICATIONS

1. Antenne à formation de faisceaux par calcul constituée d'un réseau de capteurs (3) et segmentée en sous-réseaux, associée à des moyens de calcul par l'intermédiaire de moyens de réception (61, 63, 63, 64, 65, 66) affectés à chaque sous-réseau, chaque sous-réseau ayant un centre de phase (C1, C2, C3, C4, Cg, C6), caractérisée en ce que la disposition du réseau (32) des centres de phase étant apériodique, elle présente une symétrie axiale par rapport à un axe (31), le réseau (32) des centres de phase (C1, C2, C3, C4, C5, C6) étant décomposé en deux trames (33, 34), ayant au moins un centre de phase de moins que le réseau (32), symétriques l'une de l'autre par rapport à l'axe (31) et dont la superposition redonne le réseau (32), les moyens de calcul calculant pour chaque trame (33, 34) une matrice de corrélation des signaux reçus par les sous-réseaux de la trame puis effectuant une moyenne des deux matrices.

2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de calcul utilise la matrice de corrélation obtenue par la moyenne pour effectuer un traitement adaptatif des signaux reçus associé à la formation de faisceaux par calcul (FFC).

3. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les trames (33, 34) ont la même largeur que le réseau (32) des centres de phase.

4. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les trames (33, 34) sont réalisées suivant une progression irrégulière des espacements entre centres de phase.

5. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les sous-réseaux (41, 42, 43, 44, 45, 46) n'ont pas tous le même nombre de capteurs (3).

6. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est segmentée en gisement.

7. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est segmentée en site.

8. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les capteurs (3) sont constitués de dipôles (52) imprimés sur un plan (51).

9. Antenne selon la revendication 8, caractérisée en ce que les dipôles (52) sont regroupés en poutres parallèles (53), la segmentation de l'antenne étant réalisée au niveau des poutres (53) pour obtenir des sousréseaux (41, 42, 43, 44, 45, 46) de poutres.

10. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de réception (61, 62, 63, 64, 65, 66) affectés à chaque sous-réseau (41, 42, 43, 44, 45, 46) comprennent à l'entrée un pré-amplificateur (601) suivi d'au moins un étage comprenant en série un mélangeur (602), un filtre passe-bande (603) et un amplificateur (604), I'amplificateur (604) du dernier étage étant relié à un circuit (605) de limitation et de filtrage passe-bas, lequel est relié à sa sortie à l'entrée d'un convertisseur analogique-numérique (606) délivrant le signal de réception numérisé.

11. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la segmentation de l'antenne en sousréseaux définissant un secteur angulaire (72) de l'espace d'application de la formation de faisceaux par calcul (FFC), ce secteur angulaire tourne pour balayer une partie ou la totalité de l'espace.

12. Antenne selon la revendication 11, caractérisée en ce que le balayage est obtenu par la rotation mécanique de l'antenne.

13. Antenne selon la revendication 11, caractérisée en ce que le balayage est obtenu par la technique du balayage électronique.