FR2742875A1 - Systeme de satellites de mesure interferometrique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un système de satellites de radiométrie interférométrique comportant au moins une paire de satellites synchrones (SV1 , SV2 ) présentant chacun une antenne de réception (A1 , A2 ) et un système de traitement de signal, les antennes de réception (A1 , A2 ) étant dirigées vers une zone d'observation. Le système de traitement de signal comporte un filtre passe-bande (F1 , F2 ) centré sur une fréquence centrale de réception f et ayant une largeur de bande B étroite, et en ce qu'il comporte un dispositif de conversion en bande de base (GPS1 , GPS2 M1 , M2 ).

Description

La présente invention a pour objet un système de satellites de radiométrie interférométrique comportant au moins une paire de satellites synchrones présentant chacun une antenne de réception et un système de traitement de signal, les antennes de réception étant dirigées vers une zone d'observation.

Un tel dispositif est connu de l'Article d'Angelo James SKALAFURIS publié dans la Revue
ASTROPHYSICS AND SPACE SCIENCE, n 137, p. 317-345, publié en 1985 par D. REIDEL PUBLISHING COMPANY. Le système qui fait l'objet de cet Article est statique et se limite à des mesures de géodésie. Il impose la mise en oeuvre d'un filtre passe-bande à bande passante relativement large ainsi qu'un processeur de Fourier, afin de récupérer la fréquence centrale de la source.

Cette technique est étroitement tributaire du rapport signal/bruit, qui ne peut être amélioré qu'en augmentant la bande passante du filtre passe-bande.

La présente invention a pour objet un système présentant moins de contraintes lors du traitement ultérieur du signal.

L'idée de base de l'invention est de mettre en oeuvre un filtre passe-bande à faible bande passante, de manière à conférer au système une résolution spatiale accrue propice au traitement ultérieur.

Le système selon l'invention est ainsi caractérisé en ce que le système de traitement de signal comporte un filtre passe-bande à bande étroite centré sur une fréquence centrale de réception f, ainsi qu'un dispositif de conversion en bande de base.

Cette technique facilite le traitement ultérieur qui s'effectue à des fréquences bien plus basses que celles de la source, et évite d'effectuer une récupération de la fréquence centrale.

Selon un premier mode de réalisation, convenant plus particulièrement à la détection de particules réparties, l'invention concerne un système de satellites de radiométrie interférométrique comportant au moins une paire de satellites synchrones présentant chacun une antenne de réception et un système de traitement de signal, les antennes de réception étant dirigées vers une zone d'observation, caractérisé en ce que le système de traitement de signal comporte un filtre passe-bande étroit centré sur une fréquence centrale de réception f et ayant une largeur de bande B étroite, et la longueur d'onde correspondant à la ladite fréquence centrale de réception étant telle que la différence de marche maximale entre deux points d'une même particule observés par chacun des satellites est inférieure à ladite longueur d'onde.

Dans les observations pratiques, la différence de marche entre deux particules (modulo la longueur d'onde) est répartie aléatoirement entre 0 et 1 fois la longueur d'onde.

L'invention s'applique plus particulièrement à la détection de la pluie dans le cas où le pourcentage volumétrique des hydrométéores (nombre de m3 de particules d'eau par m3 d'atmosphère) est inférieur à 50%.

La fréquence f est de préférence sensiblement égale à 14GHz ou bien à 19GHz ou bien à 24GHz ou bien à 90GHz.

L'invention concerne également un système comportant un dispositif d'émission d'une impulsion radio fréquence correspondant à une impulsion de bruit thermique. Ceci permet d'ajouter un degré supplémentaire de résolution spatiale, par sélection temporelle.

Selon un deuxième mode de réalisation convenant à la détection de particules réparties, mais également à la détection d'un milieu continu tel que le sol, l'invention concerne un système de satellites comportant au moins une paire de satellites synchrones présentant chacun une antenne de réception, et un système de traitement de signal, les antennes de réception étant dirigées vers une zone d'observation, caractérisé en ce que le dispositif de traitement de signal comporte un filtre passe-bande étroit centré sur une fréquence centrale de réception et ayant une largeur de bande B étroite mais très supérieure à la largeur de bande
Doppler BD.

Le système peut être caractérisé en ce que la longueur d'onde correspondant à ladite fréquence centrale de réception est telle que la différence de marche maximale entre deux points d'une même particule de pluie, observés par chacun des satellites soit inférieure à ladite longueur d'onde.

Le système peut être avantageusement caractérisé en ce que le système de traitement de signal comporte un dispositif de réception embarqué sur chaque satellite et comportant en cascade un amplificateur de réception, ledit filtre et un dispositif de conversion en bande de base, ainsi qu'un système de traitement de corrélation.Le système peut être alors caractérisé en ce que le système de traitement de corrélation comporte
- au moins un multiplieur pour multiplier les signaux de sortie du dispositif de réception embarqué d'un premier satellite et le conjugué complexe du signal de sortie, décalé dans le temps d'un retard variable T, du dispositif de réception embarqué d'un deuxième satellite,
- un dispositif de traitement comportant en cascade
au moins un deuxième filtre passe-bande dont
la fréquence centrale fD est égale à la fréquence
Doppler au point milieu du parcours, et dont la bande
passante BD est sensiblement égale à la bande
Doppler,
au moins un groupe de N branches disposées
en parallèle, dont chacune comporte un filtre passe
bande étroit divisant la bande passante BD en autant
de sous-bandes dont chacune a une largeur de bande
BDi correspondant à la vélocité des particules et qui
sont espacées de fréquences centrales fi
équidistantes.

Selon une variante avantageuse, il est caractérisé en ce que ledit multiplieur est embarqué sur l'un des premier et deuxième satellites, et en ce que le premier et le deuxième satellites sont pourvus d'une liaison inter-satellites permettant au satellite pourvu dudit multiplieur embarqué de recevoir le signal de sortie du dispositif récepteur embarqué de l'autre satellite.

Il est avantageux que le deuxième filtre passe-bande soit embarqué sur le même satellite que le multiplieur embarqué et qu'il soit disposé en aval du multiplieur.

Selon une variante préférée, chaque branche comporte en aval de son filtre passe-bande étroit, un filtre passe-bas intégrant le signal de sortie dudit filtre passe-bande étroit de ladite branche sur une durée égale à la moitié du temps de transit, et un circuit extracteur de racine carrée dont le signal de sortie représente la racine carrée du signal de sortie de l'intégrateur.

Le système peut être adapté à traiter simultanément différentes régions de la zone de couverture des antennes, et dans ce but, il est caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de multiplieurs dont chacun effectue ladite multiplication avec une valeur différente du retard T, le dispositif de traitement comportant autant de deuxièmes filtres passebande et autant de groupes de N branches qu'il y a de multiplieurs, un deuxième filtre passe-bande et un groupe de N branches étant disposés en cascade en aval de chaque multiplieur.

Un satellite peut comporter un dispositif d'émission d'une impulsion radiofréquence correspondant à une impulsion de bruit thermique. Ceci permet d'ajouter un degré supplémentaire de résolution spatiale, par sélection temporelle.

L'invention concerne également un procédé de traitement des signaux d'un système de satellites tel que défini ci-dessus caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes
a) recevoir les signaux d'antenne desdits deux satellites, les filtrer avec un filtre passe-bande centré sur la fréquence centrale de réception f et ayant une largeur de bande B étroite, et les convertir en bande de base, pour générer un premier et un deuxième signaux en bande de base
b) multiplier ledit premier signal par le conjugué complexe dudit deuxième signal pour obtenir un signal multiplié en bande de base
c) filtrer ledit signal multiplié, avec une bande passante en rapport avec la bande Doppler BD des satellites
d) diviser le signal multiplié filtré en sousbandes plus étroites
e) détecter la puissance des signaux dans chacune des sous-bandes
f) moyenner ladite puissance dans chacune des sous-bandes pendant une durée égale à un temps de transit
g) extraire la racine carrée de ladite moyenne.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux comprises à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en liaison avec les dessins qui représentent
- la figure 1 est un diagramme général d'un système à deux satellites synchrones selon l'invention, la figure 2 étant une représentation vectorielle correspondant à la figure 1
- la figure 3 représente une modélisation d'une cible thermique distribuée dans un volume
- les figures 4a et 4b illustrent respectivement la discrimination de distance qui permet la mise en oeuvre de différents retards T, et la résolution spatiale que permet la bande passante du système ;
- la figure 4c est une représentation des ovales de Cassini (cf.WILLIS N.J. 1991, Bistatic Radar,
Artech House, Norwood, USA)
- la figure 5 représente un diagramme par blocs d'un système de traitement de signal selon l'invention
- la figure 6 représente la résolution (en m) en fonction de la bande passante B (en Hz) pour différentes valeurs de H/2F
- les figures 7a à 7e représentent en unités arbitraires et selon les directions X et Y les lignes iso-retard ("iso-range") et iso-Doppler au sol respectivement pour H = F et deux satellites synchrones sur une même orbite, H = 10F et deux satellites synchrones sur une même orbite, H = F et deux satellites synchronisés sur deux orbites, H = 10F et deux satellites synchronisés sur deux orbites et enfin les lignes isoretard le long du plan de trace atmosphérique pour deux satellites sur une même orbite pour H = F, H désignant respectivement la hauteur orbitale des satellites et F l'écart entre les satellites
- la figure 8 représente pour une antenne d'un type connu la largeur de trace au sol SW (en kilomètres) en fonction de la hauteur orbitale H des satellites, comme illustré à la figure 9 dans une configuration sélectionnée
- et les figures 10 et 11 représentent, pour la figure 10 la fréquence Doppler fD (en kHz) due à la vitesse orbitale, en fonction du rapport y/H, pour
H = 10F et H = 20F, pour la figure 11 les bandes passantes Doppler (en kHz), à savoir BD correspondant au déplacement des satellites et BDi correspondant aux particules d'un milieu tel qu'un nuage, en fonction de
H/2F.

Selon la figure 1, deux satellites SV1 et SV2 synchronisés, sont espacés d'une distance de base 2F et circulent à une altitude H par rapport au sol 3 d'une planète 1, par exemple la Terre, présentant des particules réparties dans des volumes 2 par exemple des gouttes de pluie. Par exemple, les satellites SV1 et SV2 circulent sur la même orbite circulaire 10. La trace au sol 5 de largeur de trace SW qui est balayée par les antennes Al du satellite SV1 et A2 du satellite SV2 présentent des lignes iso-retard ISO-R et iso-Doppler
ISO-D.

Par le passé, il a toujours été admis qu'un radiomètre ne présentait pas de latitude de mise au point et ne permettait de ne réaliser de cartographie qu'en champ proche. Dans le domaine des ondes millimétriques, voire micrométriques, un radiomètre devrait avoir une ouverture très grande pour pouvoir présenter une latitude de mise au point suffisante à partir d'une orbite terrestre basse.

Le seul moyen pratique d'obtenir ce résultat est de mettre en oeuvre une constellation de satellites, comportant au moins deux satellites, l'espacement entre les satellites assurant la valeur de l'ouverture nécessaire.

La suite de la description est relative, quoique de manière non limitative à un système mettant en oeuvre une constellation de deux satellites, dans le domaine des ondes millimétriques.

On notera tout d'abord que, si on souhaite une résolution spatiale très fine, il faut, en raison du temps d'intégration qui est limité par le déplacement orbital des satellites, disposer d'une bande passante qui ne soit pas trop étroite, ainsi qu'il sera précisé dans la suite de la description, et ce pour prendre en compte l'effet Doppler.

Les observations radiométriques de la surface de la Terre et de l'atmosphère terrestre sont utiles pour de nombreuses applications, et il faut pouvoir traiter le cas des émissions surfaciques aussi bien que volumétriques.

Les émissions volumétriques peuvent s'expliquer par la théorie du transfert radiatif (voir par exemple ULABY F.T. et al, Microwave Remote Sensing, vol.l, 1982 - Artech House - Norwood - USA). Selon cette théorie, l'interaction entre la matière et l'énergie est régie par deux processus qui sont l'extinction et l'émission, l'extinction étant une combinaison d'absorption et de diffusion. Dans des conditions locales d'équilibre thermique, conditions que l'on peut considérer comme remplies en ce qui concerne l'atmosphère, l'émission thermique est égale à l'absorption.

Dans des conditions de champ proche, on suppose que
- l'émission thermique et le processus de diffusion peuvent être modélisés par des courants équivalents de densité volumétrique, dénommés courants équivalents d'émission et de diffusion,
- les courants équivalents d'émission et de diffusion peuvent être considérés comme un nombre infini de dipôles courts, c'est-à-dire de dipôles dont la longueur est très nettement inférieure à la longueur d'onde.

En ce qui concerne les caractéristiques des dipôles courts, on suppose que
- le courant à travers un dipôle court est stationnaire et obéit à une statistique gaussienne circulaire complexe,
- le spectre d'un dipôle court est beaucoup plus large que la bande passante du système de sorte qu'il peut être considéré comme du bruit blanc,
- les dipôles courts sont décorrélés les uns par rapport aux autres,
- les dipôles courts sont orientés au hasard avec une distribution sphérique des directions qui est homogène et indépendante des statistiques de courant
- les distances entre les dipôles courts et les antennes sont très supérieures à la longueur d'onde.

On considère (voir figure 2) un dipôle court P (x, y, z) situé à la distance r1 du satellite SV1 situé à un instant donné au point d'observation P1, et à une distance r2 du satellite SV2 situé au même instant donné au point d'observation P2, le dipôle court P ayant une orientation arbitraire dl, les points d'observation P1 et
P2 étant dotés d'antennes par exemple polarisées linéairement L1 et L2.

Chaque antenne reçoit une tension due au champ du dipôle court. Si on considère un élément de volume au point P qui émet, absorbe et diffuse de la puissance correspondant à du bruit thermique, on peut considérer que ce volume élémentaire, qui représente le point source, est rempli d'un nombre infini de dipôles courts dont l'orientation est répartie au hasard et dont chacun produit une tension reçue par les antennes et qui correspond à la somme du champ des dipôles courts, ceci en raison de la linéarité des équations de Maxwell.

La réponse du système à une source qui est distribuée dans un volume, qui comme indiqué ci-dessus, est considérée comme un nombre infini de sources ponctuelles non corrélées entre elles, peut être estimée dans le cas où un filtre passe-bande de bande passante B, centré sur la fréquence de réception f, est disposé à l'entrée de chaque antenne, avec B < < f.

La distribution spatiale de la valeur moyenne des carrés des courants est pondérée par la réponse du filtre selon à la fonction sinc. Cette fonction est dénommée en théorie de l'interférométrie "fonction de lissage des franges" et correspond à la décorrélation du signal qui est due au fait que la bande passante du système n'est pas infinie. Le système présente de la sensibilité dans un volume pour lequel la décorrélation n'est pas trop importante, c'est-à-dire pour les points pour lesquels la différence de marche est compensée par le retard du système à l'intérieur du lobe principal de la fonction sinc, dans un volume limité par deux hyperboloïdes dont les foyers sont les points P1 et P2 (voir figures 4a et 4b) et défini par (T - Ar ) < 1
c 2B avec c = vitesse de la lumière, Ar = différence de marche.

En faisant varier le retard T, on peut rendre la fonction sinc maximale sur différents volumes hyperboloidaux, une gamme de valeurs de T correspondant à une gamme d'enveloppes hyperboloïdale.

On définit la longueur de corrélation c qui représente la profondeur de champ comme
rc = C
B et la gamme d'observation (mesurée en tant que différence de marche)
r0 = CT
Le volume de résolution peut être délimité par r0 - rc > Ar < rO + r
2
Pour des points sources de même intensité et de même facteur d'oblicité, les lieux d'équi-amplitudes sont ceux où le produit rlr2 est constant, à savoir les ovales de Cassini représentés à la figure 5.

La réponse du système à une source distribuée dans un volume peut être modélisée de la manière suivante, en tenant compte des trois types possibles de point source constituant ladite source distribuée (voir fig.3), à savoir
- les points disposés sur la surface du sol avec un courant quadratique moyen < Jg (r 2 >
- les points de l'atmosphère avec un courant quadratique moyen < tJa (r)l 2 >
- les points représentant des particules telles que les nuages ou la pluie, avec un courant quadratique moyen < Jp 2 >
Les points source situés sur le sol et dans l'atmosphère peuvent être considérés comme un milieu continu, alors que la distribution des particules des nuages et de la pluie peut être considérée comme une répartition discrète de points source.Cette considération repose, selon l'invention, sur la reconnaissance du fait qu'il existe une gamme d'ondes et plus particulièrement une gamme d'ondes millimétriques pour lesquelles la différence de marche maximale entre deux points d'une même particule par rapport aux points d'observation P1 et P2 est très inférieure à la longueur d'onde X. En pratique, la condition selon laquelle la différence de marche entre deux particules (modulo B) est répartie aléatoirement entre 0 et 1 est bien observée.

L'invention s'applique plus particulièrement au cas où le pourcentage volumétrique des hydrométéores est inférieur à 50%. Par exemple, la longueur d'onde X est choisie pour que la dimension des particules des nuages et de la pluie soient inférieures à la longueur d'onde x alors que la distance, notamment la distance moyenne, entre les particules est supérieure à ladite longueur d'onde k.

On suppose que
- la résolution spatiale dans le volume de résolution VO est suffisamment fine pour que l'on puisse considérer que la valeur quadratique moyenne des courants est constante dans la gamme d'intégration. On suppose dès lors que < # Jg (r) | 2 > est constant sur la surface du sol Ag comprise dans le volume de résolution Ao et que Ja (rS \ 2 > et < \ Jp (r 2 > sont constants dans VO
- le volume de résolution Vo est suffisamment petit pour que les facteurs d'obliquité soient considérés comme constants dans le domaine d'intégration ;
- la hauteur limitée de l'atmosphère et la taille relativement réduite du volume de résolution VO permettent de considérer le produit r1r2 comme constant dans le domaine d'intégration.

Le calcul montre que les courants générés par le sol Ig et l'atmosphère Ia sont proportionnels à rect(r ) dont la valeur est sensiblement égale à 0 lorsque B < < f f étant donné que r c = c/B.

Il en résulte que, lorsque B < < f, les contributions des courants Ig et Ia générés par le sol et par l'atmosphère peuvent être négligées et que les courants reçus par les antennes représentent le courant
Ip correspondant aux particules des nuages et de la pluie.

Dans le cadre d'une application à un capteur destiné à l'observation de la Terre, le critère de base qui, comme indiqué plus haut, est que le domaine observé soit situé simultanément dans la ligne de visée des deux récepteurs, conduit à la mise en oeuvre de deux satellites situés à la même altitude et dans les limites de l'horizon du domaine observé.

Dans le cas de satellites SV1 et SV2 à orbite basse, deux configurations principales sont particulièrement intéressantes, à savoir une configuration à une seule orbite dans laquelle les deux satellites cheminent sur la même orbite avec une différence dans le temps, soit avec les éléments orbitaux de Kepler
SV1 = ( Q, o, i, a, e, f1)
SV2 = { Q, o, i, a, e, f2) et une configuration à deux orbites présentant une différence d'ascension de noeud ascendant et une inclinaison élevée, à savoir
SV1 = ( fil1, o, i 90', a, e, f) SV2 = ( Q2 90 i T 90', a, e, f)
Dans la première configuration, les satellites se suivent, alors que dans la deuxième configuration, ils cheminent côte à côte.

Le traitement de corrélation est effectué directement entre les signaux reçus (voir l'ouvrage de
A.R. THOMPSON, J.M. MORAN, G.W. SWENSON "Interferometry and Synthesis in Radio Astonomy, 1986, Chap. 6 à 8, p. 150 et suivantes, édité chez John WILEY and SONS).

La figure 5 représente un schéma-bloc d'un capteur selon l'invention, qui convient quelle que soit la configuration adoptée pour les satellites.

Chacun des satellites SV1 et SV2 reçoit les signaux à travers son antenne de réception, respectivement A1 et A2. Les signaux sont amplifiés par un amplificateur, respectivement AMP1 et AMP2, et filtrés autour de la fréquence centrale f (par exemple f = 89GHz) par un filtre passe-bande à bande étroite, respectivement
F1 et F2, dont la bande passante est égale à B (par exemple B = 15MHz). Un signal d'oscillateur local respectivement SOL1 et SOL2 est obtenu par un oscillateur verrouillé en phase respectivement GPS1 et GPS2, pour obtenir après multiplication dans un multiplicateur respectivement M1 et M2, un signal en bande de base respectivement BBS1 et BBS2. La bande de base s'étend de préférence entre 0 et B. Par exemple pour B = 15MHz, la bande de base peut s'étendre avantageusement de 0 à quelques dizaines de MHz.

Les signaux des oscillateurs GPS1 et GPS2 sont dérivés à partir d'un système de navigation mondial de satellites GNSS (voir fig. 1) par exemple à l'aide d'un récepteur selon le système GPS ("Global Positioning
System") ou bien encore d'un récepteur selon le système
GLONASS.

Le signal en bande de base BBS1 du satellite
SV1 est transmis au satellite SV2 par une liaison intersatellite ISL de type connu.

Le signal en bande de base BBS2 du satellite
SV2 est retardé d'un retard variable T dans un circuit retardateur RET, et son conjugué complexe BBS2 (T) est généré par un circuit de conjugaison CONJ. Le signal BBS1 reçu par le satellite SV2 à travers la liaison ISL est multiplié avec le signal BBS2*(T) dans un multiplieur M3.

Dans l'hypothèse où la bande passante B est très supérieure à la bande passante Doppler BD, la bande passante en sortie du multiplieur a une largeur sensiblement égale à B.

Le signal de sortie du multiplicateur M3 est dans ce cas filtré par un filtre passe-bande F3 de bande passante égale à 2 fois la largeur de bande Doppler BD (soit quelques kHz) de manière à obtenir une estimation de la fonction d'inter-corrélation sur une bande de la trace au sol. La fréquence centrale fD,N/2 du filtre F3 est égale à la fréquence Doppler engendrée au point milieu de la largeur de trace SW par le déplacement des satellites.

Le signal de sortie du filtre F3 est soit transmis au sol pour un traitement au sol, ce qui est particulièrement facile puisque ce signal a une bande passante de quelques kHz seulement, soit directement traité à bord du satellite SV2, par un traitement comprenant quatre opérations.

Ce traitement effectué par exemple au sol, consiste à tout d'abord diviser la bande Doppler en sousbandes plus étroites, puis à détecter la puissance des signaux dans chacune des sous-bandes, puis à moyenner cette puissance mesurée pendant une durée égale au temps de transit et enfin à extraire la racine carrée de cette moyenne qui représente le nombre de particules dans une cellule de résolution.

Dans les deux cas, la bande passante Doppler
BD est donc tout d'abord subdivisée en N sous-bandes plus étroites, dont chacune présente une largeur de bande
Doppler BDi seulement égale à la vélocité des particules.

Ces sous-bandes sont espacées par des fréquences centrales consécutives fD1 fD2---fDN régulièrement espacées. Cette subdivision en N sous-bandes est effectuée par N filtres passe-bande à bande passante étroite F'1.. .F'N, placés en tête de N branches parallèles, et dont chacune reçoit le signal de sortie du filtre F3.

Le signal de sortie de chacun des filtres F'1.. .F'N est une estimation de la fonction d'intercorrélation dans un volume élémentaire de résolution (ou cellule élémentaire de résolution). Le signal de sortie de chacun des filtres F'1.. .F'N est détecté par des détecteurs D1...Dn et intégré sur la moitié du temps de transit Tx des particules par un filtre intégrateur passe-bas IF1...IFN, présentant une fréquence de coupure haute l/Tx. La racine carrée du signal de sortie de chacun des filtres intégrateurs passe-bas IF1...IFN qui est généré en sortie de circuits SR1....SRN est une estimation de l'écart type r(TSfD1) ....or(XwfD2) ar(TfDN) de la fonction d'intercorrélation, écart type qui est en relation directe avec la quantité de particules présentes dans chaque cellule de résolution C1, C2.. .CN.

Le temps de transit Tx est défini de la manière suivante
La distance entre deux lignes iso-R associées avec une profondeur de champ d'observation égale à la moitié de la longueur de décorrélation de la fonction de décorrélation sont espacées de rx avec

et le système est focalisé sur un volume situé entre deux plans espacés de rx.

En supposant que la vitesse de déplacement v des particules est très inférieure à celle des satellites, le temps de transit Tx des particules à travers les plans ISO-R est : Tx =
v et le reste de phase de la fonction d'intercorrélation a une valeur significative entre les instants -TX/2 et +Tx/2.

Comme le montre également la figure 5, la modification de T permet de balayer des cellules de résolution s'écartant plus ou moins du plan médian P.

Le sous-ensemble SUB1 comprenant les circuits
RET, CON5, M3, F3 et les N branches en parallèles peut être dupliqué sous la forme de plusieurs sous-ensembles en parallèle SUB2, SUB3, etc. recevant les signaux BBS2 et BBS1, chaque sous-ensemble SUB1, SUB2, SUB3.. ayant des valeurs différentes du retard T, ce qui permet au système de réaliser simultanément l'image de plusieurs bandes de la trace au sol.

L'ensemble du schéma-bloc du capteur peut être dupliqué pour une deuxième paire d'antennes dirigées à l'opposé du premier groupe d'antennes de manière à doubler la largeur de trace au sol SW.

Les paramètres principaux sont
- la hauteur orbitale H,
- la largeur de trace au sol SW,
- la fréquence centrale f,
- la distance focale F égale à l'espacement entre les satellites,
- la bande passante B.

Pour f de l'ordre de 90GHz, B peut être par exemple compris entre 105 et 108 Hz (voir fig.6) ou bien entre 106 et 108 Hz et de préférence entre 107 et 108 Hz.

BD est compris entre 103 et 106 Hz et Bdi entre 10 et 104
Hz (voir fig.ll). En ce qui concerne le rapport entre B et f, on considèrera que le filtre passe-bande sera étroit lorsque B sera très inférieur à f, notamment lorsque B/f sera inférieur à 10-2, et plus particulièrement lorsque B/f sera inférieur à 10 3 soit f/B > 1000.

On peut choisir à titre d'exemple H=500Km, altitude pour laquelle un satellite situé sur une orbite circulaire a une vitesse de 7626m/s, SW=366Km, f=89GHz.

Pour une taille maximale des gouttes de pluie égale à 15mm, la condition de représentation de sources ponctuelles discrètes est
H/2F > > 4,45 soit, en prenant un coefficient de 5
H/2F > 22,2
soit F < 11 Km.

La bande passante B détermine la résolution spatiale. Avec (H/F)2 ,, 1 et F2 ,, (c/2B)2, la résolution en fonction de la bande passante B s'exprime sous la forme d'une famille d'hyperboles représentée à la fig. 6.

Par ailleurs, on considèrera que la largeur de bande B est très supérieure à la largeur de bande
Doppler BD lorsque B/BD > 100.

EXEMPLE
H = 500 Km
SW = 366 Km
f = 89 GHz
F = 3,1 Km, soit 2F = 6,2 Km
B = 15MHz soit f/B 6000
N = 4 (nombre d'échantillons à moyenner
après détection)
BD = 6KHz ; BDi = 80 Hz soit B/BD 2500
5 2BD = 12KHz
Les familles de courbes ISO-R et ISO-D sont représentées aux fig.7a à 7e.

Dans la mesure où un traitement Doppler des signaux est effectué, lequel permet d'obtenir une résolution spatiale le long des lignes ISO-R, la géométrie optimale est celle (voir la fig.9) qui correspond à des lignes ISO-R et ISO-D qui sont perpendiculaires entre elles. Cette condition est satisfaite dans un plan normal P au vecteur vélocité des satellites passant à travers le point milieu M de la ligne de base P1P2.

Les conditions optimales sont ainsi réunies lorsque les antennes des deux satellites captent les signaux provenant d'une région du sol ou de l'atmosphère qui est la plus proche du plan (M, y, z) normal au vecteur vitesse V passant par le point milieu M de la ligne de base P1P2.

Le système selon l'invention est également avantageux en ce sens qu'il peut être mis en oeuvre avec des antennes de type connu.

Le système peut fonctionner en mode passif, comme décrit ci-dessus, et dans ce cas les antennes reçoivent les signaux d'énergie thermique émis par le milieu à étudier.

Le système peut également être mis en oeuvre en mode actif, dans lequel un des satellites émet une impulsion courte d'un signal correspondant à un bruit thermique et ayant la même bande passante B que dans le cas du système passif. Le traitement des données est alors effectué de la même façon que dans le cas du système passif.

Dans le cas d'un système actif, une discrimination temporelle peut être d'abord effectuée, après quoi le traitement de corrélation précité est effectué selon les autre opérations précitées par exemple conformément à la fig.5. Cette discrimination temporelle ("time gating") consiste à subdiviser l'axe des temps en fenêtres ("gates") et à mesurer la puissance du signal dans chaque fenêtre pour analyser les cibles contenues dans les fenêtres respectives. Elle permet d'effectuer la corrélation entre des signaux cohérents dans le temps, par exemple selon la procédure décrite dans l'Ouvrage de
M. SKOLNIK "Radar Handbook" parue en 1990 chez Mc Graw
Hill. En ce qui concerne la gamme des fréquences utilisables, on notera qu'il existe deux bandes préférées, l'une située en dessous d'environ 22GHz, dans laquelle c'est le phénomène d'émissivité qui est prépondérant, et l'autre située au-dessus de 60GHz, dans laquelle la diffusion est plus importante. Dans le cas d'un radiomètre et pour la détection de pluie, les fréquences préférées sont 18,7 GHz et 89GHz, alors que dans le cas d'un système actif, les fréquences préférées sont 13,7GHz et 24,15GHz.

Claims (13)

REVENDICATIONS

1. Système de satellites de radiométrie interférométrique comportant au moins une paire de satellites synchrones présentant chacun une antenne de réception et un système de traitement de signal, les antennes de réception étant dirigées vers une zone d'observation, caractérisé en ce que le système de traitement de signal comporte un filtre passe-bande centré sur une fréquence centrale de réception f et ayant une largeur de bande B étroite, et en ce qu'il comporte un dispositif de conversion en bande de base.

2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur d'onde correspondant à ladite fréquence centrale de réception est telle que la différence de marche maximale entre différents points d'une même particule de pluie par rapport auxdites antennes de réception soit inférieure à ladite longueur d'onde.

3. Système selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que f est sensiblement égal à 14GHz ou bien à 19GHz ou bien à 24GHz ou bien à 90GHz.

4. Système selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un satellite comporte un dispositif d'émission d'une impulsion radiofréquence correspondant à une impulsion de bruit thermique.

5. Système selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la largeur de bande B du filtre passe-bande centré sur une fréquence centrale de réception f est très supérieure à la largeur de bande

Doppler BD.

6. Système selon une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que le système de traitement de signal comporte un dispositif de réception embarqué sur chaque satellite et comportant en cascade un amplificateur de réception, ledit filtre et un dispositif de conversion en bande de base, ainsi qu'un système de traitement de corrélation.

7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que le système de traitement de corrélation comportant

- au moins un multiplieur pour multiplier les signaux de sortie du dispositif de réception embarqué d'un premier satellite et le conjugué complexe du signal de sortie, décalé dans le temps d'un retard variable T, du dispositif de réception embarqué d'un deuxième satellite,

- un dispositif de traitement comportant en cascade

au moins un deuxième filtre passe-bande dont

la fréquence centrale fD est égale à la fréquence

Doppler au point milieu du parcours, et dont la bande

passante BD est sensiblement égale à la bande

Doppler,

au moins un groupe de N branches disposées

en parallèle, dont chacune comporte un filtre passe

bande étroit divisant la bande passante BD en autant

de sous-bandes dont chacune a une largeur de bande

BDi correspondant à la vélocité des particules et qui

sont espacées de fréquences centrales fi

équidistantes.

8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit multiplieur est embarqué sur l'un des premier et deuxième satellites, et en ce que le premier et le deuxième satellites sont pourvus d'une liaison inter-satellites permettant au satellite pourvu dudit multiplieur embarqué de recevoir le signal de sortie du dispositif récepteur embarqué de l'autre satellite.

9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que le deuxième filtre passe-bande est embarqué sur le même satellite que le multiplieur embarqué et est disposé en aval du multiplieur.

10. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque branche comporte, en aval de son filtre passe-bande étroit, un filtre passe-bas intégrant le signal de sortie dudit filtre passe-bande étroit de ladite branche sur une durée égale à la moitié du temps de transit, et un circuit extracteur de racine carrée dont le signal de sortie représente la racine carrée du signal de sortie de l'intégrateur.

11. Système selon une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que le système de traitement de corrélation comporte une pluralité de multiplieurs dont chacun effectue ladite multiplication avec une valeur différente du retard T, le dispositif de traitement comportant autant de deuxièmes filtres passe-bande et autant de groupes de N branches qu il y a de multiplieurs, un deuxième filtre passe-bande et un groupe de N branches étant disposés en cascade en aval de chaque multiplieur.

12. Système selon une des revendications 4 à 11, caractérisé en ce qu'un satellite comporte un dispositif d'émission d'une impulsion radiofréquence correspondant à une impulsion de bruit thermique.

13. Procédé de traitement des signaux générés par un système de satellites selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes

a) recevoir les signaux d'antenne desdits deux satellites, les filtrer avec un filtre passe-bande centré sur la fréquence centrale de réception f et ayant une largeur de bande B étroite, et les convertir en bande de base, pour générer un premier et un deuxième signaux en bande de base

b) multiplier ledit premier signal par le conjugué complexe dudit deuxième signal pour obtenir un signal multiplié en bande de base

c) filtrer ledit signal multiplié, avec une bande passante en rapport avec la bande Doppler BD des satellites

d) diviser le signal multiplié filtré en sousbandes plus étroites

e) détecter la puissance des signaux dans chacune des sous-bandes

f) moyenner ladite puissance dans chacune des sous-bandes pendant une durée égale à un temps de transit

g) extraire la racine carrée de ladite moyenne.