FR2769373A1 - Method of detection of Doppler effect of low speed targets - Google Patents

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    • G01S7/41Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section
    • G01S7/415Identification of targets based on measurements of movement associated with the target

Abstract

The method involves receiving the values of echoes in response to the train of successive coherent interrogation impulses. A high resolution spectral analysis of the echoes and validation via an auto regressive model is determined using coefficients of reflection and the obtained spectra are tested based on the calculation of the probability values.

Description

PROCEDE DE DETECTION DOPPLER
DE CIBLES A VITESSE RADIALE FAIBLE OU NULLE
La présente invention concerne la détection Doppler de cibles à vitesse radiale faible ou nulle, à parties en mouvement, engendrant des échos dont les spectres Doppler se distinguent de ceux du fouillis par des différences minimes de forme, telles que par exemple des turbulences atmosphériques ou des hélicoptères en vol stationnaire.
DOPPLER DETECTION METHOD
TARGETS WITH LOW OR NULL RADIATION SPEED
The present invention relates to the Doppler detection of targets with a low radial or zero velocity, with moving parts, generating echoes whose Doppler spectra are distinguished from those of clutter by minimal differences in shape, such as, for example, atmospheric turbulence or turbulence. helicopters hovering.

Jusqu'à présent, on ne parvient pas à une détection efficace, par radar Doppler, des turbulences atmosphériques, bien qu'une telle détection soit d'une importance fondamentale pour la sécurité des vols d'aéronefs car on n'est incapable, avec les traitements actuels par bancs de filtres Doppler, de distinguer le spectre d'une turbulence atmosphérique de celui d'un nuage en air calme. Until now, an efficient Doppler radar detection of atmospheric turbulence has not been achieved, although such detection is of fundamental importance for the safety of aircraft flight because it is impossible, with current treatments by banks of Doppler filters, to distinguish the spectrum of atmospheric turbulence from that of a cloud in calm air.

La détection d'un hélicoptère au moyen d'un radar Doppler pose un problème particulier dans la mesure où l'hélicoptère constitue pour le radar une cible qui peut présenter une vitesse radiale faible ou nulle et qui par conséquent ne peut être détectée à tout coup, sur du fouillis statique (type sol, ...), par une simple analyse de décalage de la fréquence Doppler moyenne de son écho par rapport à la fréquence nulle. The detection of a helicopter by means of a Doppler radar poses a particular problem insofar as the helicopter constitutes for the radar a target which may have a low or zero radial velocity and which consequently can not be detected every time. , on static clutter (ground type, ...), by a simple shift analysis of the average Doppler frequency of its echo with respect to the zero frequency.

Actuellement, la détection d'hélicoptère se fait essentiellement à partir d'un phénomène connu sous le nom d'éclairs de pale. Un tel phénomène est constitué par une intensification périodique de l'amplitude et de la largeur de bande du spectre Doppler de l'écho retourné par un hélicoptère provoquée par une réflexion intense des pales de son rotor lorsque ces dernières se présentent dans le lobe de l'antenne du radar, perpendiculairement à la direction radar-hélicoptère. Currently, helicopter detection is essentially from a phenomenon known as blade lightning. Such a phenomenon is constituted by a periodic intensification of the amplitude and the bandwidth of the Doppler spectrum of the echo returned by a helicopter caused by intense reflection of the blades of its rotor when they appear in the lobe of the rotor. radar antenna, perpendicular to the radar-helicopter direction.

La périodicité des éclairs de pale est liée à la vitesse de rotation et au nombre de pales du rotor de l'hélicoptère concerné. Elle est relativement longue car la vitesse de rotation du rotor d'un hélicoptère est limitée par la vitesse de l'écoulement de l'air en bout de pale. Elle oblige, pour détecter à coup sûr un éclair de pale lorsqu'un hélicoptère est présent, d'éclairer chaque case site-azimut-distance surveillée par le radar sur un intervalle de temps assez long, soit en adoptant un faisceau d'antenne large en azimut, soit en adoptant pour l'antenne du radar, une faible vitesse de balayage en azimut.The periodicity of the blade flashes is related to the speed of rotation and the number of rotor blades of the helicopter concerned. It is relatively long because the rotational speed of the rotor of a helicopter is limited by the speed of the airflow at the end of the blade. It requires, to reliably detect a blade flash when a helicopter is present, to illuminate each site-azimuth-distance box monitored by the radar over a long period of time, either by adopting a wide antenna beam in azimuth, or by adopting for the radar antenna, a low azimuth scanning speed.

La présente invention a pour but de permettre la détection des turbulences atmosphériques au moyen d'un radar Doppler en se basant sur un faible élargissement du spectre Doppler des échos renvoyés par une turbulence qui se traduit par un aspect multiraie plus prononcé que celui du spectre Doppler des échos renvoyés par un nuage en air calme. The object of the present invention is to enable the detection of atmospheric turbulence by means of a Doppler radar based on a weak broadening of the Doppler spectrum of the echoes returned by turbulence which results in a multi-dimensional appearance more pronounced than that of the Doppler spectrum. echoes returned by a cloud in calm air.

Elle a également pour but d'éviter les limitations antérieures de la détection Doppler d'un hélicoptère par les éclairs de pale en ne basant plus la détection d'un hélicoptère uniquement sur les éclairs de pales mais surtout sur un faible élargissement du spectre Doppler de son écho par rapport aux spectres Doppler des échos de fouillis de sol. En effet, le spectre Doppler de l'écho d'un hélicoptère en dehors des éclairs de pale a un aspect multiraie plus prononcé que celui des échos renvoyés par du fouillis de sol de nature plutôt monoraie, en raison de la présence de pièces mécaniques en rotation accolées à la tige de son rotor (biellettes de commande d'incidence de pale). It also aims to avoid the previous limitations of Doppler detection of a helicopter by lightning of blade by not basing more the detection of a helicopter only on the lightning of blades but especially on a weak widening of the Doppler spectrum of its echo with respect to the Doppler spectra of clutter echoes. Indeed, the Doppler spectrum of the echo of a helicopter outside the lightning of blade has a multiraie aspect more pronounced than that of the echoes returned by clutter of soil of rather monoraie nature, because of the presence of mechanical parts in Rotation contiguous to the rod of its rotor (blade incidence control rods).

Comme les élargissements de spectre Doppler recherchés dans le cas des échos dus à une turbulence atmosphérique ou à un hélicoptère en dehors d'un éclair de pale sont assez ténus, on se propose de se baser sur une analyse spectrale haute résolution des échos radar provenant des cases site-azimut-distance et d'adopter, comme critère de vraisemblance de présence d'une turbulence ou d'un hélicoptère, un ou plusieurs tests de largeur de spectre basés sur la répartition des valeurs propres de la décomposition en sous-espaces signal plus bruit et bruit seul de la matrice d'autocorrélation du signal d'écho échantillonné. Ces tests découlent pour la plupart, du test sur l'égalité des (N-p > plus petites valeurs propres, N étant le nombre d'échantillons analysés et p étant un entier plus petit que N, proposé par LIGGET W. S. Since the Doppler spectrum extensions sought for echoes due to atmospheric turbulence or a helicopter outside a lightning strike are rather weak, it is proposed to rely on a high-resolution spectral analysis of radar echoes from site-azimuth-distance cases and to adopt, as a likelihood criterion for the presence of a turbulence or a helicopter, one or more spectrum-width tests based on the distribution of the eigenvalues of the decomposition in signal subspaces more noise and noise alone from the autocorrelation matrix of the sampled echo signal. Most of these tests are based on the test of equality of (N-p> smaller eigenvalues, where N is the number of samples analyzed and p is an integer smaller than N, proposed by LIGGET W. S.

[1] LIGGET W.S., "Passive sonar : Fitting models to multiple time series." in Proc. NATO ASI Signal Processing, Loughborough, England, 1972, pp. 327-345, détaillé et justifié du point de vue probabiliste par Kopp L. et Bienvenu
G. : [2] BIENVENU G., KOPP L., "Optimality of High Resolution Array
Processing Using the Eigensystem Approach." lEEE Trans. on ASSP, vol.31, n05, October 1983, pp. 1235-1248, mais ils sont beaucoup plus robustes dans le cas habituel où l'on ne dispose que d'un faible nombre d'échantillons d'échos.
[1] WS LIGGET, "Passive sonar: Fitting models to multiple time series." in Proc. NATO Signal Processing Institute, Loughborough, England, 1972, pp. 327-345, detailed and justified from a probabilistic point of view by Kopp L. and Bienvenu
G.: [2] WELCOME G., KOPP L., "Optimality of High Resolution Array
Processing Using the Eigensystem Approach, "EEE Trans., On ASSP, vol.31, n05, October 1983, pp. 1235-1248, but they are much more robust in the usual case where only a small number is available. echo samples.

L'invention a pour objet un procédé de détection Doppler de cibles à vitesse radiale faible ou nulle et à parties en mouvement, consistant
- à recueillir les échantillons de N échos successifs en provenance d'une même case site-azimut-distance, en réponse à l'émission d'un train de N impulsions d'interrogation successives et cohérentes,
- à effectuer une analyse spectrale haute résolution des N échantillons d'échos successifs au moyen d'un modèle autorégressif d'ordre n (n strictement inférieur à N) défini par une série de n coefficients de réflexion k et conduisant à une modélisation du spectre à n raies de fréquence de diverses amplitudes, les raies de fréquence de plus fortes amplitudes, correspondant à des raies de fréquence existant réellement dans le signal, tandis que d'autres de moindres amplitudes peuvent être uniquement dues à un bruit de modélisation et ne pas avoir de réalité physique,
- à vérifier l'égalité entre les n-p raies de plus faibles amplitudes de la modélisation de spectre (p étant inférieur ou égal à n) pour s'assurer, soit qu'elles ne sont dues qu'au bruit de modélisation, soit qu'elles appartiennent à un spectre assez large pour correspondre à celui d'une cible, cette vérification s'effectuant au moyen
du calcul de la valeur de vraisemblance

Figure img00030001
The subject of the invention is a method for the Doppler detection of targets with low radial or zero velocity and with moving parts, consisting of
to collect the samples of N successive echoes coming from the same site-azimuth-distance box, in response to the emission of a train of N consecutive and coherent interrogation pulses,
to perform a high-resolution spectral analysis of the N successive echo samples by means of an autoregressive model of order n (n strictly less than N) defined by a series of n reflection coefficients k and leading to a spectrum modeling at n frequency lines of various amplitudes, the frequency lines of higher amplitudes, corresponding to frequency lines actually existing in the signal, while others of smaller amplitudes may be solely due to a modeling noise and not to have physical reality,
- to check the equality between the np lines of smaller amplitudes of the spectrum modeling (p being less than or equal to n) to ensure, either that they are due only to modeling noise, or that they belong to a spectrum broad enough to correspond to that of a target, this verification being effected by means
the likelihood value calculation
Figure img00030001

de la sélection de la loi de distribution de probabilité du
Khi-2 à (N+2)(N+1)/2 degrés de liberté,
du choix d'une probabilité de fausse alarme arbitraire,
de la détermination d'une valeur de seuil supérieur donnée
par la loi de distribution de probabilité du Khi-2 en fonction
de la probabilité de fausse alarme adoptée, et
de la comparaison de la valeur de vraisemblanceLog(A(p))
à la valeur de seuil supérieur obtenue, une valeur de
vraisemblanceLog(A(p)) inférieure à ladite valeur de seuil
supérieur confirmant la vraisemblance d'une égalité des n-p
raies de plus faibles amplitudes de la modélisation du
spectre.
of the selection of the distribution law of probability of the
Khi-2 to (N + 2) (N + 1) / 2 degrees of freedom,
the choice of an arbitrary false alarm probability,
determining a given upper threshold value
by the distribution law of probability of Chi-2 based
the probability of false alarm adopted, and
of the likelihood value comparisonLog (A (p))
at the upper threshold value obtained, a value of
likelihoodLog (A (p)) less than said threshold value
superior confirming the likelihood of equality of np
lines of lower amplitudes of the modeling of the
spectrum.

Avantageusement, on donne au nombre p la valeur 0. Cela permet, par comparaison de la valeur de vraisemblance Log(A(o)) avec une valeur de seuil supérieur associée SP1 déterminée au moyen de la loi de distribution de probabilité du Khi-2 à partir d'un taux de fausse alarme choisi VP, de tester la vraisemblance d'un spectre élargi de signal correspondant à un flash de pale, une valeur Log(A(O)) trouvée inférieure à la valeur de seuil supérieur associée SP1, montrant l'égalité relative des amplitudes de toutes les raies de fréquence de la modélisation de spectre, ce qui implique que le signal d'échos a un spectre plat correspondant à celui d'un flash de pale d'hélicoptère. Advantageously, the number p is given the value 0. This makes it possible, by comparing the likelihood value Log (A (o)) with an associated higher threshold value SP1 determined by means of the distribution law of probability of Chi-2. from a chosen false alarm rate VP, to test the likelihood of an expanded signal spectrum corresponding to a blade flash, a value Log (A (O)) found to be lower than the associated higher threshold value SP1, showing the relative equality of the amplitudes of all the frequency lines of the spectrum modeling, which implies that the echo signal has a flat spectrum corresponding to that of a helicopter blade flash.

Avantageusement, après avoir donné au nombre p la valeur 0 et testé l'inégalité des amplitudes des raies de fréquence de la modélisation de spectre, on donne au nombre p la valeur 1, ce qui permet, par comparaison de la valeur de vraisemblanceLog(A(1)) avec une valeur de seuil supérieur associée SK déterminée au moyen de la loi de distribution de probabilité du Khi-2 à partir d'un taux de fausse alarme choisi VK, de confirmer la vraisemblance d'un spectre de signal d'échos de fouillis de sol à raie unique correspondant à la raie de plus forte amplitude de la modélisation de spectre, une valeur de vraisemblance Log(A(i))trouvée inférieure à la valeur de seuil associée
SK, montrant l'égalité des n-1 raies de plus faibles amplitudes alors que l'inégalité des amplitudes de toutes les raies de fréquence de la modélisation de spectre a été constatée par ailleurs.
Advantageously, after having given the number p the value 0 and tested the inequality of the amplitudes of the frequency lines of the spectrum modeling, the number p is given the value 1, which makes it possible, by comparison of the likelihood value Log (A (1)) with an associated upper threshold value SK determined by means of the Chi-2 probability distribution law from a chosen false alarm rate VK, to confirm the likelihood of a signal spectrum of single-line ground clutter echoes corresponding to the highest amplitude line of the spectrum modeling, a Log likelihood value (A (i)) found to be lower than the associated threshold value
SK, showing the equality of the n-1 lines of smaller amplitudes while the inequality of the amplitudes of all the frequency lines of the spectrum modeling has been noted elsewhere.

Avantageusement, la comparaison de la valeur de vraisemblance Log(A(O)) à un seuil pour détecter la présence d'un spectre Doppler de signal élargi correspondant à un flash de pale est complétée par un test sur le résidu de filtrage autorégressif ayant conduit à la modélisation du spectre du signal d'échos, ce test consistant
à évaluer la valeur du terme # égal à

Figure img00050001

étant le k ième paramètre dit autorégressif du modèle autorégressif d'ordre n, définissant la loi de prédiction d'un i ième échantillon x, du signal dont on fait l'analyse spectrale haute résolution, à partir des (i-p) échantillons précédents, par une relation de la forme
Figure img00050002

étant étant une erreur de prédiction dans le sens direct, par
le modèle d'ordre p, de l'échantillon x,
à comparer la valeur obtenue du terme z1 avec une valeur de
seuil SP2 déterminée expérimentalement pour avoir un taux
de fausse alarme arbitraire, et
à admettre la présence d'un spectre Doppler de signal élargi
correspondant à un éclair de pale en cas d'une valeur
obtenue pour le terme n inférieure au seuil SP1. Advantageously, the comparison of the likelihood value Log (A (O)) with a threshold for detecting the presence of an expanded signal Doppler spectrum corresponding to a flash of a blade is completed by a test on the autoregressive filter residue having led to the modeling of the echo signal spectrum, this test consisting of
to evaluate the value of # equals
Figure img00050001

being the k th autoregressive parameter of the autoregressive model of order n, defining the prediction law of a i th sample x, of the signal of which the high resolution spectral analysis is made, starting from the (ip) preceding samples, by a relationship of form
Figure img00050002

being a prediction error in the direct sense, by
the model of order p, of the sample x,
to compare the value obtained from the term z1 with a value of
threshold SP2 determined experimentally to have a rate
arbitrary false alarm, and
to admit the presence of an expanded signal Doppler spectrum
corresponding to a blade flash in case of a value
obtained for the term n below the threshold SP1.

Avantageusement, en cas d'un spectre de fréquence de signal proche d'un spectre monoraie, c'est à dire conduisant à une valeur de vraisemblance Log(#(1)) inférieure à la valeur de seuil supérieur fixée
SK, on teste la distance entre le modèle de spectre réel d'ordre n et le modèle de spectre monoraie d'ordre 1 par
une mesure due distance d2 basée sur les paramètres
cepstraux Ck qui sont les coefficients de Fourier du
logarithme de la densité spectrale du signal d'échos et qui
se calculent à partir des paramètres autorégressifs

Figure img00060001

avec, par définition,
Figure img00060002
Advantageously, in the case of a signal frequency spectrum close to a monaural spectrum, ie leading to a likelihood value Log (# (1)) less than the upper threshold value set
SK, we test the distance between the n-order real spectrum model and the first-order monaural spectrum model by
a distance measurement d2 based on the parameters
cepstral Ck which are the Fourier coefficients of the
logarithm of the spectral density of the echo signal and which
are calculated from the autoregressive parameters
Figure img00060001

with, by definition,
Figure img00060002

akm étant, comme indiqué précédemment, le k ième
paramètre autorégressif du modèle de prédiction d'ordre m
régularisé,
une comparaison de la valeur obtenue pour la mesure de
distance d2 avec une valeur de seuil SL1 déterminée
expérimentalement pour avoir un taux de fausse alarme
arbitraire, et
une déduction de présence d'un spectre de signal élargi
correspondant à une cible dès que la valeur obtenue pour la 2
mesure de distance d2 est supérieure à la valeur de seuil
SL1.
akm being, as indicated previously, the k th
autoregressive parameter of the model of prediction of order m
regularized,
a comparison of the value obtained for the measurement of
distance d2 with a determined threshold value SL1
experimentally to have a false alarm rate
arbitrary, and
a presence deduction of an expanded signal spectrum
corresponding to a target as soon as the value obtained for the 2
distance measurement d2 is greater than the threshold value
SL1.

En variante, en cas d'un spectre de fréquence de signal proche d'un spectre monoraie, c'est à dire conduisant à une valeur de vraisemblance Log(A(1))inférieure au seuil SK fixé, on teste la distance entre le modèle de spectre réel d'ordre n et le modèle de spectre monoraie d'ordre 1 par :
# une mesure de distance d2 définie en fonction du cosinus
de l'angle entre vecteurs cepstraux qui sont, comme indiqué
précédemment, les coefficients de Fourier du Logarithme de
la densité spectrale des échos

Figure img00070001
As a variant, in the case of a signal frequency spectrum close to a monaural spectrum, that is to say leading to a likelihood value Log (A (1)) below the set threshold SK, the distance between the n-order real-spectrum model and the first-order monamy spectrum model by:
# a distance measurement d2 defined according to the cosine
of the angle between cepstral vectors which are, as indicated
previously, the Fourier coefficients of the Logarithm of
the spectral density of the echoes
Figure img00070001

une comparaison de la valeur obtenue pour la mesure de
distance d2 avec une valeur de seuil SL2 déterminée
expérimentalement pour avoir un taux de fausse alarme
arbitraire, et
une déduction de présence d'un spectre de signal élargi
correspondant à une cible dès que la valeur obtenue pour la
mesure de distance d2 est supérieure à la valeur de seuil
SL2.
a comparison of the value obtained for the measurement of
distance d2 with a determined threshold value SL2
experimentally to have a false alarm rate
arbitrary, and
a presence deduction of an expanded signal spectrum
corresponding to a target as soon as the value obtained for the
distance measurement d2 is greater than the threshold value
SL2.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description ci-après d'un mode de mise en oeuvre de l'invention donné à titre d'exemple. Cette description sera faite en regard du dessin dans lequel
- une figure 1 est un organigramme illustrant la succession des tests mis en oeuvre, conformément à l'invention, sur le spectre Doppler des échos pour détecter des hélicoptères au milieu du fouillis ambiant, et
- une figure 2 est un schéma synoptique de la partie vidéo du récepteur d'un radar Doppler mettant en oeuvre l'invention.
Other features and advantages of the invention will emerge from the following description of an embodiment of the invention given by way of example. This description will be made with reference to the drawing in which
FIG. 1 is a flowchart illustrating the succession of tests implemented, according to the invention, on the Doppler spectrum of the echoes to detect helicopters in the middle of the ambient clutter, and
FIG. 2 is a block diagram of the video portion of the receiver of a Doppler radar embodying the invention.

On se propose de détecter des cibles à vitesse radiale faible ou nulle renvoyant des échos présentant des spectres Doppler de formes proches mais différentes de celle du spectre Doppler du fouillis dans lequel elles sont noyées, cette détection se faisant à l'aide d'un radar
Doppler à temps d'observation de faible durée, ne délivrant, pour chaque cible, qu'un faible nombre d'échantillons d'échos successifs. Comme exemple de cibles de ce genre, on peut citer toutes les cibles à vitesse radiale faible ou nulle présentant des parties en mouvement relatif comme les turbulences atmosphériques ou les hélicoptères en vol stationnaire, en pop-up ou en vol tangentiel en dehors du cas trivial du flash de pale. Ce genre de cibles ne se distingue du fouillis que par des différences de forme de leur spectre Doppler assez ténues qu'il est difficile de repérer en sortie des bancs de filtres qui équipent habituellement les radars Doppler. Aussi, on se propose d'employer, au lieu de l'analyse spectrale habituelle par transformée de Fourier réalisée à l'aide de bancs de filtres à bandes étroites, une analyse spectrale haute résolution qui a l'avantage de fournir des spectres de fréquence plus précis d'au moins un ordre de grandeur.
It is proposed to detect targets with low or zero radial velocity returning echoes having Doppler spectra of shapes similar to but different from that of the Doppler spectrum of the clutter in which they are embedded, this detection being done using a radar
Doppler with a short observation time, delivering, for each target, only a small number of successive echo samples. Examples of such targets include all low or zero radial velocity targets with relatively moving parts such as atmospheric turbulence or helicopters hovering, pop-up, or tangential flight outside the trivial case. Blade flash. This kind of targets is distinguished from the clutter only by differences in shape of their Doppler spectrum rather tenuous that it is difficult to identify the output banks of filters that usually equip the Doppler radars. Also, instead of the usual Fourier transform spectral analysis carried out using narrow band filter banks, it is proposed to use a high resolution spectral analysis which has the advantage of providing frequency spectra. more accurate by at least one order of magnitude.

Pour une meilleure compréhension, on rappelle rapidement la philosophie des méthodes d'analyse spectrale haute résolution. For a better understanding, we quickly recall the philosophy of high resolution spectral analysis methods.

II existe deux approches des méthodes d'analyse spectrale haute résolution : une approche par les valeurs propres et vecteurs propres de la matrice d'autocorrélation du signal et une approche par modélisation autorégressive, qui apportent des enseignements complémentaires. Les deux approches reposent toutes les deux sur l'hypothèse selon laquelle le signal temporel analysé est échantillonné à intervalle de temps constant et composé de L sinusoïdes complexes non corrélées, de valeurs moyennes nulles et d'un bruit blanc de moyenne nulle. Les échantillons uj d'un tel signal sont définis par une relation de la forme

Figure img00080001


i est l'indice de chaque échantillon. On suppose qu'il y a N échantillons et que l'indice i est un entier variant de 1 à N.
a1 est l'amplitude complexe de la léme sinusoïde complexe
ol est la fréquence angulaire de la léme sinusoïde complexe
v- est le iéme échantillon du bruit blanc. There are two approaches to high resolution spectral analysis methods: an eigenvalue and eigenvector approach of the signal autocorrelation matrix and an autoregressive modeling approach, which provide complementary lessons. Both approaches are based on the assumption that the analyzed time signal is sampled at a constant time interval and composed of L uncorrelated complex sinusoids, zero average values, and zero average white noise. Samples uj of such a signal are defined by a relation of the form
Figure img00080001

or
i is the index of each sample. It is assumed that there are N samples and that the index i is an integer ranging from 1 to N.
a1 is the complex amplitude of the complex sine-lemma
ol is the angular frequency of the complex sine-lemma
v- is the third sample of the white noise.

Le fait que les composantes sinusoïdales complexes du signal soient décorrélées signifie que l'on a

Figure img00090001
The fact that the complex sinusoidal components of the signal are decorrelated means that we have
Figure img00090001

<tb> <SEP> Pl, <SEP> si <SEP> k <SEP> = <SEP> l
<tb> <SEP> E[&alpha;k&alpha;l*] <SEP> = <SEP> {
<tb> 0, <SEP> si <SEP> k <SEP> # <SEP> l
<tb>
E est l'espérance mathématique. * désigne l'opérateur complexe conjugué et Pl.la puissance moyenne de la léme composante sinusoïdale complexe.
<tb><SEP> Pl, <SEP> if <SEP> k <SEP> = <SEP>
<tb><SEP> E [&alpha; k &alpha; l *] <SEP> = <SEP> {
<tb> 0, <SEP> if <SEP> k <SEP>#<SEP> l
<Tb>
E is the mathematical expectation. * denotes the conjugate complex operator and Pl.the average power of the first complex sinusoidal component.

Le fait que le bruit soit blanc signifie que l'on a

Figure img00090002
The fact that the noise is white means that we have
Figure img00090002

#2, <SEP> si <SEP> j <SEP> = <SEP> i
<tb> E[vivj*] <SEP> = <SEP> {
<tb> <SEP> 0, <SEP> si <SEP> j <SEP> # <SEP> i
<tb> a2 est la variance du bruit.
# 2, <SEP> if <SEP> j <SEP> = <SEP> i
<tb> E [vivj *] <SEP> = <SEP> {
<tb><SEP> 0, <SEP> if <SEP> j <SEP>#<SEP> i
<tb> a2 is the variance of the noise.

L'approche des méthodes d'analyse spectrale haute résolution selon les vecteurs propres et valeurs propres de la matrice d'autocorrélation du signal repose sur la constatation que la matrice d'autocorrélation Rm d'ordre m du signal définie et moyennée sur m échantillons successifs (m étant inférieur au nombre N d'échantillons disponibles) peut s'écrire sous la forme de la relation matricielle
Rm=SmDSm++#2#m (1) où
+ désigne l'opérateur complexe transconjugué
Sm est une matrice rectangulaire à m lignes et L colonnes,
dite matrice signal, définie par

Figure img00090003
The approach of the high-resolution spectral analysis methods according to the eigenvectors and eigenvalues of the autocorrelation matrix of the signal is based on the observation that the autocorrelation matrix Rm of order m of the signal defined and averaged over m successive samples (m being less than the number N of available samples) can be written in the form of the matrix relation
Rm = SmDSm ++ # 2 # m (1) where
+ denotes the transconjugated complex operator
Sm is a rectangular matrix with m lines and L columns,
said signal matrix, defined by
Figure img00090003

T désignant l'opérateur transposé
D est une matrice diagonale définie par
D=diag(P1,P2,...,PL)
1m est la matrice identité de dimensions m par m.
T designating the transposed operator
D is a diagonal matrix defined by
D = diag (P1, P2, ..., PL)
1m is the identity matrix of dimensions m by m.

Comme la matrice d'autocorrélation Rm est hermitienne et définie positive, elle a des valeurs propres réelles et positives et des vecteurs propres orthogonaux de même que la matrice SmDSm+. Soient #m1 # #m2....# #mm les valeurs propres de la matrice d'autocorrélation Rm et vm1 # vm2....# vmm les valeurs propres de la matrice SmDSm+. On déduit de la relation (1) que:
#mi = vmi + #2, i = 1,2,....,m
Comme la matrice signal Sm est composée de L vecteurs non nuls linéairement indépendants, les (m-L) plus petites valeurs propres de la matrice SmDSm+ sont nulles. II en résulte que les (m-L) plus petites valeurs propres de la matrice de corrélation Rm sont égales a a2

Figure img00100001
Since the autocorrelation matrix Rm is Hermitian and positive definite, it has real and positive eigenvalues and orthogonal eigenvectors as well as the SmDSm + matrix. Let # m1 # # m2 .... # #mm the eigenvalues of the autocorrelation matrix Rm and vm1 # vm2 .... # vmm the eigenvalues of the SmDSm + matrix. We deduce from relation (1) that:
#mi = vmi + # 2, i = 1,2, ...., m
Since the signal matrix Sm is composed of L linearly independent non-zero vectors, the (ml) smaller eigenvalues of the SmDSm + matrix are zero. As a result, the (mL) smaller eigenvalues of the correlation matrix Rm are equal to a2
Figure img00100001

<tb> vmi <SEP> + <SEP> #2, <SEP> i <SEP> = <SEP> 1,...,L
<tb> <SEP> #mi <SEP> <SEP> = <SEP> {
<tb> #2, <SEP> i <SEP> = <SEP> L <SEP> + <SEP> 1,...,m
<tb>
Soient qm1,qm2,...,qmm les vecteurs propres de la matrice d'autocorrélation Rm associés aux valeurs propres #m1,#m2,...,#mm. Les (m-L) vecteurs propres associés aux (m-L) plus petites valeurs propres satisfont la relation :
Rmqmi = #2qmi i = L + 1,...,m ce qui s'écrit encore:

Figure img00100002

ou encore, d'après la relation (1)
SmDSm+qmi = 0
Comme tous les éléments de la matrice signal Sm ainsi que ceux de la diagonale de la matrice D sont différents de zéro, cette dernière relation implique que l'on ait smqm o, i=L+l,...,m où plus explicitement en tenant compte de la relation (2)
Figure img00100003
<tb> vmi <SEP> + <SEP># 2, <SEP> i <SEP> = <SEP> 1, ..., L
<tb><SEP>#mi<SEP><SEP> = <SEP> {
<tb># 2, <SEP> i <SEP> = <SEP> L <SEP> + <SEP> 1, ..., m
<Tb>
Let qm1, qm2, ..., qmm be the eigenvectors of the autocorrelation matrix Rm associated with the eigenvalues # m1, # m2, ..., # mm. The (mL) eigenvectors associated with (mL) smaller eigenvalues satisfy the relation:
Rmqmi = # 2qmi i = L + 1, ..., m which is written again:
Figure img00100002

or again, according to the relation (1)
SmDSm + qmi = 0
Since all the elements of the signal matrix Sm as well as those of the diagonal of the matrix D are different from zero, this last relation implies that we have smqm o, i = L + l, ..., m where more explicitly taking into account the relation (2)
Figure img00100003

<SEP> i <SEP> = <SEP> L <SEP> + <SEP> 1,...,m
<tb> Sml+qi <SEP> = <SEP> 0, <SEP> #
<tb> l <SEP> = <SEP> 1,2,...,L
<tb>
Ainsi, les composantes sinusoïdales complexes du signal analysé sont perpendiculaires aux vecteurs propres correspondant aux (m-L) plus petites valeurs propres de la matrice d'autocorrélation du signal.
<SEP> i <SEP> = <SEP> L <SEP> + <SEP> 1, ..., m
<tb> Sml + qi <SEP> = <SEP> 0, <SEP>#
<tb> l <SEP> = <SEP> 1,2, ..., L
<Tb>
Thus, the complex sinusoidal components of the analyzed signal are perpendicular to the eigenvectors corresponding to the (mL) smaller eigenvalues of the autocorrelation matrix of the signal.

Une propriété fondamentale des vecteurs propres de la matrice d'autocorrélation est, comme on l'a vu précédemment, qu'ils sont orthogonaux les uns aux autres. Les vecteurs propres qm1,...,qm@ engendrent donc un sous-espace orthogonal au sous-espace engendré par les vecteurs propres restants q,L+i,...,q,m. II résulte alors de la relation précédente que les vecteurs 5m ( < i S L > engendre le même sous-espace que les vecteurs propres qmi ( < i < L > . On peut donc faire les deux remarques importantes suivantes sur la matrice d'autocorrélation Rm de m échantillons successifs d'un signal temporel composé d'une combinaison linéaire de L (L < m) sinusoïdes complexes et de bruit blanc
1. L'espace engendré par les vecteurs propres de cette
matrice d'autocorrélation Rm est formé de deux sous
espaces orthogonaux disjoints: un premier sous-espace
appelé sous-espace signal plus bruit engendré par les
vecteurs propres associés aux L plus grandes valeurs
propres de Rm et un deuxième sous-espace appelé sous
espace bruit engendré par les vecteurs propres associés aux
(m-L) plus petites valeurs propres de Rm.
A fundamental property of the eigenvectors of the autocorrelation matrix is, as we have seen previously, that they are orthogonal to each other. The eigenvectors qm1, ..., qm @ thus generate a subspace orthogonal to the subspace generated by the remaining eigenvectors q, L + i, ..., q, m. It follows then from the previous relation that the vectors 5m (<iSl> generates the same subspace as the eigenvectors qmi (<i <L>, so we can make the following two important remarks on the autocorrelation matrix Rm of m successive samples of a temporal signal composed of a linear combination of L (L <m) complex sinusoids and white noise
1. The space generated by the eigenvectors of this
autocorrelation matrix Rm is formed of two sub
disjointed orthogonal spaces: a first subspace
called signal subspace plus noise generated by
eigenvectors associated with the L largest values
own of Rm and a second subspace called sub
noise generated by the eigenvectors associated with
(mL) smaller eigenvalues of Rm.

2. La connaissance des vecteurs propres de la matrice
d'autocorrélation Rm permet de déterminer les fréquences
angulaires des sinusoïdes complexes composant le signal
temporel analysé en recherchant les vecteurs des
composantes sinusoïdales complexes orthogonaux au sous
espace bruit.
2. The knowledge of the eigenvectors of the matrix
of autocorrelation Rm makes it possible to determine the frequencies
angular complex sinusoids composing the signal
analyzed by searching for vectors of
complex sinusoidal components orthogonal to the sub
noise space.

Une conséquence immédiate de la deuxième remarque est que l'on peut exprimer le spectre de puissance du signal en fonction de la fréquence angulaire par l'inverse d'une combinaison des carrés des produits scalaires d'un vecteur de balayage en fréquence em(O) correspondant à une composante sinusoïdale de fréquence angulaire cû variable

Figure img00110001

avec les vecteurs propres qmL+l, qmL+2,...,qmm du sous-espace bruit
Figure img00120001
An immediate consequence of the second remark is that the power spectrum of the signal can be expressed as a function of the angular frequency by the inverse of a combination of the squares of the scalar products of a frequency scanning vector em (O ) corresponding to a sinusoidal component of variable angular frequency
Figure img00110001

with the eigenvectors qmL + l, qmL + 2, ..., qmm of the noise subspace
Figure img00120001

<tb> Spectre(w)
<tb> <SEP> E <SEP> |qk+e <SEP> (w)|
<tb> <SEP> k=L+1
<tb>
En pratique, on ne dispose pas de la matrice d'autocorrélation du signal mais d'une estimation Rm avec des vecteurs propres xm1, xi2,,..., xmm que l'on peut ordonner par valeurs propres #m'1,#m'2,...,# m'm de valeurs décroissantes. Des difficultés se présentent alors en raison du nombre fini d'échantillons disponibles pour le signal temporel à analyser qui fait que les éléments de la matrice d'autocorrélation sont estimés d'autant plus grossièrement qu'ils correspondent à un délai donc à un écart entre les échantillons corrélés grand. Les relations d'orthogonalités ne sont plus réellement respectées et l'on est contraint de rechercher les vecteurs de composantes sinusoïdales complexes les plus proches de l'orthogonalité au sous-espace bruit. Cela conduit à des variantes dans l'expression du spectre de fréquence estimé du signal selon les divers types de méthodes haute résolution.
<tb> Spectrum (w)
<tb><SEP> E <SEP> | qk + e <SEP> (w) |
<tb><SEP> k = L + 1
<Tb>
In practice, we do not have the autocorrelation matrix of the signal but an estimate Rm with eigenvectors xm1, xi2 ,, ..., xmm that can be ordered by eigenvalues # m'1, # m'2, ..., # m'm of decreasing values. Difficulties arise because of the finite number of samples available for the temporal signal to be analyzed, which makes the elements of the autocorrelation matrix are estimated all the more roughly because they correspond to a delay and therefore to a difference between correlated samples large. The orthogonality relations are not really respected any more and one is forced to look for the vectors of complex sinusoidal components closest to the orthogonality to the subspace noise. This leads to variations in the expression of the estimated frequency spectrum of the signal according to the various types of high resolution methods.

La deuxième approche des méthodes d'analyse spectrale haute résolution par modélisation autorégressive repose sur le fait que les échantillons u d'un signal composé d'un nombre fini L de sinusoïdes complexes peuvent être modélisés au moyen d'une loi de prédiction permettant de déduire la valeur d'un échantillon un à partir d'une combinaison linéaire des n-m échantillons qui le précèdent ou des m échantillons qui le suivent. La modélisation autorégressive revient à rechercher
- soit une relation de prédiction dans le sens direct, de la forme

Figure img00120002

où m est l'ordre du modèle, c'est-à-dire le nombre d'échantillons précédents pris en compte dans la prédiction, (akm) une suite de m coefficients complexes définissant le modèle et Ef,i,m une erreur de prédiction dans le sens direct, par le modèle d'ordre m, de l'échantillon u qui doit être assimilable à un bruit blanc si le modèle est fidèle,
- soit une relation de prédiction dans le sens rétrograde, de la forme
Figure img00130001

où {bkm} est une suite de m coefficients complexes définissant le modèle et #b,i-m,m une erreur de prédiction dans le sens rétrograde, par le modèle d'ordre m, de l'échantillon ui.m qui doit également être assimilable à un bruit blanc si le modèle est fidèle.The second approach of high resolution spectral analysis methods using autoregressive modeling is based on the fact that the u samples of a signal composed of a finite number L of complex sinusoids can be modeled by means of a prediction law allowing to deduce the value of a sample one from a linear combination of the nm samples that precede it or the m samples that follow it. Autoregressive modeling is like looking for
- either a prediction relation in the direct sense, of the form
Figure img00120002

where m is the order of the model, that is, the number of previous samples taken into account in the prediction, (akm) a sequence of m complex coefficients defining the model and Ef, i, m an error of prediction in the forward direction, by the model of order m, of the sample u which must be assimilated to a white noise if the model is faithful,
- a prediction relation in the retrograde sense, of the form
Figure img00130001

where {bkm} is a sequence of m complex coefficients defining the model and # b, im, m a prediction error in the retrograde direction, by the model of order m, of the sample ui.m which must also be assimilable to a white noise if the model is faithful.

On montre que les coefficients {bkm} de la loi de prédiction dans le sens rétrograde se déduisent des coefficients {akm} de la loi de prédiction dans le sens direct par la relation bkm=akm* que la puissance du signal en fonction de la fréquence angulaire s'exprime par la relation

Figure img00130002
We show that the coefficients {bkm} of the prediction law in the retrograde direction are deduced from the coefficients {akm} of the prediction law in the forward direction by the relation bkm = akm * that the signal power as a function of the frequency angular is expressed by the relation
Figure img00130002

<tb> Spectre(O)= <SEP> = <SEP> 2
<tb> <SEP> rn
<tb> <SEP> E <SEP> ame-jtsk
<tb> <SEP> k=0
<tb> avec am0 égal à 1 et P une puissance de bruit, et que le vecteur Arn des coefficients {akm} de la loi de prédiction dans le sens direct

Figure img00130003

pour une erreur quadratique minimum s'exprime par l'équation normale de Yule-Walker :
RmAm = -Cm (5) avec
Cm=[c1,...,cm]t et
Figure img00130004
<tb> Spectrum (O) = <SEP> = <SEP> 2
<tb><SEP> rn
<tb><SEP> E <SEP> ame-jtsk
<tb><SEP> k = 0
<tb> with am0 equal to 1 and P a noise power, and the vector Arn of the {akm} coefficients of the prediction law in the forward direction
Figure img00130003

for a minimum squared error is expressed by the normal Yule-Walker equation:
RmAm = -Cm (5) with
Cm = [c1, ..., cm] t and
Figure img00130004

L'intérêt des coefficients akrn} de la loi de prédiction dans le sens direct également connus sous le nom de coefficients autorégressifs est que l'on connaît des méthodes récursives sur l'ordre du modèle permettant de les obtenir en temps réel au moyen d'une structure de filtre en treillis facile à mettre en oeuvre. The interest of the coefficients of the direct prediction law akrn} also known as autoregressive coefficients is that recursive methods are known on the order of the model allowing to obtain them in real time by means of a lattice filter structure easy to implement.

Ici encore, on remarque que la connaissance d'un nombre limité d'échantillons du signal ne permet de faire qu'une estimation approchée de la matrice de corrélation du signal conduisant à une connaissance approximative des coefficients autorégressifs. Here again, it is noted that the knowledge of a limited number of samples of the signal makes it possible to make only an approximate estimate of the correlation matrix of the signal leading to an approximate knowledge of the autoregressive coefficients.

Les coefficients auto régressifs peuvent être obtenus à partir de l'équation normale de Yule-walker par simple inversion matricielle, mais l'on n'est pas assuré du conditionnement de la matrice d'autocorrélation du signal dont on ne dispose que d'une estimation. The autoregressive coefficients can be obtained from the normal Yule-walker equation by simple matrix inversion, but we are not assured of conditioning the autocorrelation matrix of the signal, which is available only estimate.

Pour tourner cette difficulté, Levinson a proposé un algorithme récursif sur l'ordre. Pour ce faire, il utilise la caractéristique de Toeplitz de la matrice d'autocorrélation du signal pour exprimer la matrice d'autocorrélation pour un modèle d'ordre m en fonction de ia matrice d'autocorrélation pour le modèle d'ordre immédiatement inférieur m-1 et en tirer deux relations
- une relation de récurrence dite équation de Levinson permettant de déterminer les coefficients autorégressifs, à l'exception du dernier, par une récurrence sur l'ordre du modèle

Figure img00140001
To turn this difficulty, Levinson proposed a recursive algorithm on the order. To do this, it uses the Toeplitz characteristic of the signal autocorrelation matrix to express the autocorrelation matrix for a model of order m as a function of the autocorrelation matrix for the immediately lower order model n 1 and draw two relationships
a recurrence relation called the Levinson equation making it possible to determine the autoregressive coefficients, with the exception of the last one, by a recurrence on the order of the model
Figure img00140001

- une relation de définition du dernier coefficient autorégressif d'un modèle d'ordre m en fonction des coefficients autorégressifs et de termes de la matrice d'autocorrélation du modèle d'ordre immédiatement inférieur

Figure img00140002

+ désignant l'opérateur complexe transconjugué et (-) I'opérateur:
V(-) = JV* où J est la matrice unité antidiagonale.a relation of definition of the last autoregressive coefficient of a model of order m as a function of the autoregressive coefficients and terms of the autocorrelation matrix of the immediately lower order model
Figure img00140002

+ designating the transconjugated complex operator and (-) the operator:
V (-) = JV * where J is the antidiagonal unit matrix.

La première relation est intéressante car facile à mettre en oeuvre à l'aide d'une structure de calcul en treillis. Ce n'est par contre pas le cas de la deuxième relation qui fait dépendre le dernier coefficient autorégressif d'un terme cm dont l'estimation peut présenter une grande variance dans le cas où l'on ne dispose que de peu d'échantillons du signal. Pour résoudre ce problème, Burg propose de conserver la première relation de récurrence ou équation de Levinson et de remplacer le dernier coefficient autorégressif amm par un coefficient de réflexion m calculé de façon à minimiser la puissance des erreurs des prédictions linéaires directe et rétrograde. Ces dernières sont définies par

Figure img00150001
The first relationship is interesting because it is easy to implement using a lattice calculation structure. On the other hand, it is not the case of the second relation which makes depend the last autoregressive coefficient of a term cm whose estimation can present a great variance in the case where one only has few samples of the signal. To solve this problem, Burg proposes to preserve the first recurrence relation or Levinson equation and to replace the last autoregressive coefficient amm by a reflection coefficient m calculated so as to minimize the power of the errors of direct and retrograde linear predictions. These are defined by
Figure img00150001

N étant le nombre d'échantillons successifs de signal disponibles, ce qui, en tenant compte de l'équation de Levinson

Figure img00150002

conduit aux relations de récurrence :
Figure img00150003
Where N is the number of successive signal samples available, which, taking into account the Levinson equation
Figure img00150002

leads to recurrence relations:
Figure img00150003

<tb> |6f <SEP> # <SEP> SJ,i,mI <SEP> +
<tb> <SEP> #b,i,m=#b,i-1,m-1 <SEP> <SEP> + <SEP> m*## <SEP> f,i,m-1
<tb> qui déterminent une structure de filtre en treillis pour l'estimation des erreurs de prédictions directe et rétrograde.
<tb> | 6f <SEP>#<SEP> SJ, i, mI <SEP> +
## EQU1 ##
<tb> that determine a lattice filter structure for estimating forward and backward prediction errors.

On montre également, qu'il existe une troisième relation de récurrence entre les moyennes P(m) et P(m-1) des puissances des erreurs des prédictions directe et rétrograde à l'ordre m et à l'ordre m-1 de la forme

Figure img00150004

avec, à l'initialisation, pour l'ordre 0
P(0)=c0 puisque #f,i,0 et #b,i,0, prennent la valeur de l'échantillon xi. It is also shown that there exists a third relation of recurrence between the mean P (m) and P (m-1) of the power of the errors of the predictions direct and retrograde with the order m and the order m-1 of the form
Figure img00150004

with, at initialization, for order 0
P (0) = c0 since # f, i, 0 and # b, i, 0, take the value of the sample xi.

Pour obtenir la valeur du coefficient de réflexion m, minimisant la puissance des erreurs des prédictions linéaires directe et rétrograde, il suffit de remarquer que cette valeur annule le gradient de la puissance moyenne U(m) des erreurs de prédictions directe et rétrograde

Figure img00160001
To obtain the value of the reflection coefficient m, minimizing the power of the errors of the linear direct and retrograde predictions, it suffices to remark that this value cancels the gradient of the average power U (m) of the forward and backward prediction errors.
Figure img00160001

La valeur de F & m qui minimise plm',vérifie la relation

Figure img00160002

ce qui s'écrit en tenant compte des relations de récurrence:
Figure img00160003

d'où l'expression du coefficient de réflexion de Burg
Figure img00160004

II apparaît alors que le coefficient de réflexion de Burg est égal à l'opposée de la covariance entre l'erreur de prédiction directe et l'erreur de prédiction rétrograde. On peut montrer, en utilisant l'inégalité de
Gauchy, que le coefficient de réflexion de Burg est de module strictement inférieur à un, ce qui assure la stabilité du filtre inverse et rend possible une synthèse sous forme de filtre en treillis.The value of F & m which minimizes plm ', checks the relation
Figure img00160002

what is written taking into account the relations of recurrence:
Figure img00160003

hence the expression of the reflection coefficient of Burg
Figure img00160004

It appears then that the reflection coefficient of Burg is equal to the opposite of the covariance between the forward prediction error and the retrograde prediction error. We can show, using the inequality of
Gauchy, that the reflection coefficient of Burg is of modulus strictly lower than one, which ensures the stability of the inverse filter and makes possible a synthesis in the form of lattice filter.

Pour davantage de détails sur la méthode du maximum d'entropie de Burg, on peut se reporter aux nombreux articles parus sur le sujet et notamment à [3] Burg J. P., #Maximum entropy spectral analysis in Proc. 37th Annual
I utilisée pour obtenir une modélisation de spectre la plus fidèle possible et celui de la détermination du nombre de raies effectives du signal, ou encore de la dimension du sous-espace signal plus bruit de la matrice d'autocorrélation du signal utilisée. Le deuxième problème est résolu classiquement à partir de la détermination de la dimension du sousespace bruit complémentaire en évaluant de manière asymptotique le nombre des valeurs propres minimales égales de la matrice d'autocorrélation du signal utilisée grâce à un test sur l'égalité des plus petites valeurs propres. Ce test est basé sur la maximalisation de la fonction de densité de probabilité du vecteur d'échantillons de signal pris en compte dans le modèle autorégressif considéré, supposé stationnaire, de moyenne nulle et gaussien. Soit {x} le vecteur d'échantillons, cette fonction de densité de probabilité peut s'exprimer par

Figure img00170001

où n est la dimension de la matrice d'autocorrélation utilisée, N le rang du modèle de prédiction égal au nombre de composantes du vecteur échantillon, R,l la matrice d'autocorrélation du signal utilisée, Rn son estimée, R7z' son inverse et Tr() la fonction trace.For further details on Burg's maximum entropy method, reference may be made to the many articles published on the subject, and in particular to [3] Burg JP, #Maximum entropy spectral analysis in Proc. 37th Annual
I used to obtain a spectrum modeling as faithful as possible and that of the determination of the number of effective lines of the signal, or the dimension of the subspace signal plus noise of the autocorrelation matrix of the signal used. The second problem is solved classically from the determination of the dimension of the complementary noise subspace by asymptotically evaluating the number of equal minimum eigenvalues of the autocorrelation matrix of the signal used by means of a test on the equality of the smallest own values. This test is based on the maximization of the probability density function of the vector of signal samples taken into account in the considered autoregressive model, assumed to be stationary, of zero mean and Gaussian. Let {x} be the sample vector, this probability density function can be expressed by
Figure img00170001

where n is the size of the autocorrelation matrix used, N the rank of the prediction model equal to the number of components of the sample vector, R, the autocorrelation matrix of the signal used, Rn is estimated, R7z is its inverse and Tr () the trace function.

La maximalisation de cette fonction de densité de probabilité se fait en passant par la maximalisation de la fonction de vraisemblance

Figure img00170002
The maximization of this probability density function is done through the maximization of the likelihood function
Figure img00170002

Or l'on montre que

Figure img00170003

de sorte que l'on est ramené à minimiser le déterminant de la matrice d'autocorrélation en fonction du nombre p de raies de fréquence supposées exister réellement dans le signal. On a par hypothèse
Figure img00170004

les #i étant les valeurs propres de la matrice d'autocorrélation Rn classées par ordre décroissant. En considérant l'hypothèse où le spectre du signal renferme p raies, les n-p plus petites valeurs propres #i ont une amplitude égale à la variance a2 du bruit de modélisation et en se ramenant à l'estimée de la matrice d'autocorrélation qui est la seule accessible physiquement, on peut écrire
Figure img00180001
But we show that
Figure img00170003

so that one is brought back to minimize the determinant of the autocorrelation matrix as a function of the number p of frequency lines assumed to actually exist in the signal. We hypothesize
Figure img00170004

the #i being the eigenvalues of the autocorrelation matrix Rn ranked in descending order. Considering the hypothesis that the signal spectrum contains p rays, the np smaller eigenvalues #i have an amplitude equal to the variance a2 of the modeling noise and can be compared to the estimate of the autocorrelation matrix that is the only physically accessible one can write
Figure img00180001

On en déduit un rapport de vraisemblance A(p) entre l'hypothèse d'avoir dans le spectre du signal plus p raies de fréquence et l'hypothèse d'avoir dans le spectre du signal au maximum p raies de

Figure img00180002

avec
L(p)=(#.e)-nN[F(p)]-N ou encore
Figure img00190001
A likelihood ratio A (p) is deduced between the hypothesis of having in the spectrum of the signal more frequency peaks and the hypothesis of having in the spectrum of the signal at most p-lines of
Figure img00180002

with
L (p) = (# e) -nN [F (p)] - N or else
Figure img00190001

Ce test appelé test sur l'égalité des (n-p) plus petites valeurs propres et sa justification mathématique sont décrits de manière approfondie par Georges BIENVENU et Laurent KOPP dans l'article [2] BIENVENU G., KOPP L., "Optimality of High Resolution Array
Processing Using the Eigensystem Approach." IEEE Trans. on ASSP, vol.31, n05, October 1983, pp. 1235-1248,
Christine WATERNAUX a montré, dans l'article [2] WATERNAUX C.M., "Principal Components in the Nonnormal Case
The Test of Equality of Q Roots." Journal of Multivariate Analysis, vol.
This test called test on the equality of (np) smaller eigenvalues and its mathematical justification are described in detail by Georges BIENVENU and Laurent KOPP in the article [2] WELCOME G., KOPP L., "Optimality of High Resolution Array
Processing Using the Eigensystem Approach "IEEE Trans., On ASSP, vol.31, n05, October 1983, pp. 1235-1248,
Christine WATERNAUX showed, in the article [2] WATERNAUX CM, "Principal Components in the Nonnormal Case
The Test of Equality of Q Roots. "Journal of Multivariate Analysis, vol.

14, 1984, pp. 323-335, que la valeur Log(A(P))suit une loi de distribution de probabilité du
Khi-2 à (N+2)(N+1)/2 degrés de liberté. On peut donc, à partir d'un taux de probabilité de fausse alarme arbitraire, déterminer, au moyen de la loi de distribution de probabilité du Khi-2 à (n+2)(N+1)/2 degrés de libertés, une valeur de seuil S, qui si elle n'est pas franchie par la valeur
Log(A(p)), montre qu'il est vraisemblable que le signal dont le spectre a été modélisé renferme un maximum de p raies de fréquence.
14, 1984, pp. 323-335, that the value Log (A (P)) follows a distribution law of probability of the
Khi-2 to (N + 2) (N + 1) / 2 degrees of freedom. We can therefore, from an arbitrary false alarm probability rate, determine, by means of the distribution law of probability of Khi-2 to (n + 2) (N + 1) / 2 degrees of freedom, a threshold value S, which if not crossed by the value
Log (A (p)) shows that it is likely that the signal whose spectrum has been modeled contains a maximum of frequency peaks.

Présenté dans le but de déterminer le nombre de raies de fréquence appartenant réellement au spectre d'un signal approché par modélisation autorégressive, ce test peut également être employé pour apprécier la largeur réelle du spectre du signal, ce qui est le critère sur lequel on cherche à baser une détection de cibles ayant des parties en mouvement relatif et une vitesse radiale peut différente du fouillis ambiant. Malheureusement, ce test est d'une efficacité limitée dans le cas d'un faible nombre d'échantillons de signal en raison de la grande variance présentée dans ce cas, par l'estimation des valeurs propres de la matrice d'autocorrélation du signal
Pour rendre ce test plus robuste, nous proposons de calculer la valeur Log(A(p)) non pas à partir des estimations des valeurs propres de la matrice d'autocorrélation mais à partir des coefficients de réflexion qui possèdent une variante d'estimation plus faible que les valeurs propres en cas de peu d'échantillons de données et sont régularisables.
Presented in order to determine the number of frequency lines actually belonging to the spectrum of an approached signal by autoregressive modeling, this test can also be used to assess the actual width of the signal spectrum, which is the criterion on which we seek to base a target detection having parts in relative motion and a radial velocity may differ from the ambient clutter. Unfortunately, this test is of limited effectiveness in the case of a small number of signal samples due to the large variance presented in this case, by estimating the eigenvalues of the autocorrelation matrix of the signal
To make this test more robust, we propose to calculate the value Log (A (p)) not from the estimates of the eigenvalues of the autocorrelation matrix but from the coefficients of reflection which have a variant of estimation more weak than the eigenvalues in case of few data samples and are regularizable.

Pour y parvenir, on tient compte du fait que la genèse de ce test passe par la minimisation du déterminant de la matrice d'autocorrélation. On cherche alors à exprimer ce déterminant en fonction des coefficients de réflexion en utilisant une décomposition particulière de la matrice inverse d'autocorrélation du signal présentée dans la demande de brevet français enregistrée le 7 mai 1996 sous le n096 05689 au nom de la demanderesse. Cette décomposition consiste à exprimer la matrice inverse d'autocorrélation R71 correspondant à un modèle autorégressif de rang n, en fonction de la matrice inverse d'autocorrélation RN'II du vecteur de coefficients autorégressifs et d'un terme an-l de rang immédiatement inférieur

Figure img00200001

et le signe + désignant l'opérateur complexe transconjugué.To achieve this, we take into account that the genesis of this test passes through the minimization of the determinant of the autocorrelation matrix. It is then sought to express this determinant as a function of the reflection coefficients by using a particular decomposition of the inverse autocorrelation matrix of the signal presented in the French patent application registered on May 7, 1996 under number 09 05689 in the name of the Applicant. This decomposition consists in expressing the inverse autocorrelation matrix R71 corresponding to an autoregressive model of rank n, as a function of the autocorrelation inverse matrix RN'II of the vector of autoregressive coefficients and of an immediately lower order term y-1.
Figure img00200001

and the sign + designating the transconjugated complex operator.

Si l'on a un déterminant de matrice M tel que

Figure img00210001
If we have a matrix determinant M such that
Figure img00210001

<tb> <SEP> M11 <SEP> M12
<tb> M <SEP> = <SEP> []
<tb> M21 <SEP> M22
<tb> on peut écrire M#=#M11##M22-M21.M11-1.M12# de sorte que l'on a, en se reportant à la relation (7)

Figure img00210002
<tb><SEP> M11 <SEP> M12
<tb> M <SEP> = <SEP> []
<tb> M21 <SEP> M22
<tb> we can write M # = # M11 ## M22-M21.M11-1.M12 # so that we have, referring to the relation (7)
Figure img00210002

Comme le déterminant de l'inverse d'une matrice est égal à l'inverse du déterminant de la matrice, on a également Rn#=&alpha;n-1-1.#Rn-1#
D'où

Figure img00210003
Since the determinant of the inverse of a matrix is equal to the inverse of the determinant of the matrix, we also have Rn # = &alpha; n-1-1. # Rn-1 #
From where
Figure img00210003

On montre également que l'on peut identifier l'inverse du terme an avec la moyenne P(' des puissances des erreurs d'estimation du modèle autorégressif d'ordre n

Figure img00210004
We also show that we can identify the inverse of the term an with the mean P ('of the powers of the errors of estimation of the autoregressive model of order n
Figure img00210004

Or, dans le cas où le spectre du signal renferme p raies de fréquence, les puissances moyennes des erreurs d'estimation des modèles autorégressifs au delà de l'ordre p sont toutes égales à la variance du bruit de modélisation de sorte que l'on peut écrire

Figure img00210005

et que le test sur l'égalité des (n-p) plus petites valeurs propres devient
Figure img00220001
However, in the case where the spectrum of the signal contains frequency ranges, the average powers of the estimation errors of the autoregressive models beyond the order p are all equal to the variance of the modeling noise so that one can write
Figure img00210005

and that the test on the equality of (np) smaller eigenvalues becomes
Figure img00220001

En utilisant la relation de récurrence (8) sur les a il vient

Figure img00220002
Using the recurrence relation (8) on the a he comes
Figure img00220002

D'où la nouvelle expression du test sur l'égalité de (n-p) plus petites valeurs propres

Figure img00220003
Hence the new expression of the test on the equality of (np) smaller eigenvalues
Figure img00220003

II apparaît, de façon évidente, que cette nouvelle expression entraîne un volume de calcul réduit par rapport à la précédente (6) puisqu'elle ne porte plus sur les valeurs propres de la matrice d'autocorrélation du signal mais sur les coefficients de réflexion qui s'obtiennent au moyen d'un filtre à structure en treillis. It is obvious that this new expression leads to a reduced calculation volume compared to the previous one (6) since it no longer relates to the eigenvalues of the autocorrelation matrix of the signal but to the reflection coefficients which are obtained by means of a lattice structure filter.

Cette nouvelle expression (9) du test sur l'égalité des (n-p) plus petites valeurs propres de la matrice d'autocorrélation du signal peut être utilisée pour estimer la vraisemblance d'avoir un spectre de signal monoraie en posant p égal à 1. Cependant, lorsque ce test établi avec p égal 1, conclut à un spectre de signal monoraie et donc à un spectre d'échos de fouillis, on peut être amené à chercher à affiner l'analyse en le complétant par un test plus précis fondé sur une mesure de distance entre une modélisation du spectre du signal d'ordre 1, donc nécessairement monoraie et la modélisation de spectre du signal à l'ordre n adopté comme le plus fidèle. This new expression (9) of the equality test of (np) smaller eigenvalues of the autocorrelation matrix of the signal can be used to estimate the likelihood of having a monaural signal spectrum by setting p equal to 1. However, when this test established with p equals 1, concludes with a spectrum of monaural signal and therefore with a spectrum of clutter echoes, we may have to seek to refine the analysis by supplementing it with a more precise test based on a measure of distance between a modeling of the spectrum of the signal of order 1, therefore necessarily monaural and the spectrum modeling of the signal to the order n adopted as the most faithful.

Il est habituel de considérer une mesure de distance entre deux spectres S1, s2 en terme de norme Lq définie de la manière suivante

Figure img00230001

et d'adopter comme mesure effective de distance dq le Logarithme de la déviation spectrale définie par la norme L;: dq(Sl,S2)= Log(s1)- L0g(s2)|q
Dans la suite, on ne s'intéresse qu'à la distance quadratique, c'est-à-dire à q égal à deux, et on l'exprime en fonction des coefficients cepstraux. It is usual to consider a measure of distance between two spectra S1, s2 in terms of norm Lq defined as follows
Figure img00230001

and to adopt as effective measure of distance of the Logarithm of the spectral deviation defined by the norm L ;: dq (Sl, S2) = Log (s1) - L0g (s2) | q
In the following, we are interested only in the quadratic distance, that is to say at q equal to two, and we express it according to the cepstral coefficients.

Les coefficients cepstraux Ckm se définissent comme étant les coefficients de Fourier du Logarithme de la densité spectrale du signal d'échos, ce qui revient à écrire à partir de la relation (3):

Figure img00240001

les akm étant les coefficients autorégressifs correspondant à un modèle de prédiction d'ordre m. D'une manière équivalente, les coefficients cepstraux peuvent être définis à l'aide de la relation
Figure img00240002

ce qui permet de les calculer par les paramètres autorégressifs
Figure img00240003
Cepstral coefficients Ckm are defined as the Fourier coefficients of the Logarithm of the spectral density of the echo signal, which amounts to writing from relation (3):
Figure img00240001

the akm being the autoregressive coefficients corresponding to a prediction model of order m. Equivalently, the cepstral coefficients can be defined using the relation
Figure img00240002

which allows to calculate them by the autoregressive parameters
Figure img00240003

En appliquant la formule de Parseval on montre que l'on a

Figure img00250001
Applying Parseval's formula we show that we have
Figure img00250001

On montre également, que la somme finie, donnée ci-après, est définie positive et converge quand L tend vers l'infini vers la norme précédemment définie

Figure img00250002
We also show that the finite sum, given below, is positive definite and converges when L tends to infinity towards the previously defined norm.
Figure img00250002

Expérimentalement, il apparaît que cette dernière norme est proche de la norme asymptotique pour des petites valeurs de L. En pratique, on prendra L égal à 2p, p étant l'ordre des modèles autorégressifs. La mesure de distance spectrale peut alors s'exprimer en fonction d'une norme euclidienne sur les coefficients cepstraux, et non pas, comme on aurait pu le penser intuitivement, sur les paramètres autorégressifs. Experimentally, it appears that this last norm is close to the asymptotic norm for small values of L. In practice, we will take L equal to 2p, where p is the order of autoregressive models. Spectral distance measurement can then be expressed in terms of a Euclidean norm on cepstral coefficients, and not, as one might intuitively think, on autoregressive parameters.

Comme, par ailleurs les paramètres cepstraux d'ordre p cn(p) sont liés aux pôles kk(p) de la modélisation de spectre autorégressive par la relation

Figure img00250003

on peut écrire
Figure img00250004
Since, moreover, the cepstral parameters of order p cn (p) are linked to the poles kk (p) of the autoregressive spectrum modeling by the relation
Figure img00250003

we can write
Figure img00250004

II apparaît dans cette dernière relation un terme de pondération en k préjudiciable à la sensibilité du critère. C'est pourquoi, on propose d'adopter une mesure de distance spectrale modifiée de la forme

Figure img00260001
It appears in this last relation a weighting term in k detrimental to the sensitivity of the criterion. Therefore, it is proposed to adopt a modified spectral distance measure of the shape
Figure img00260001

En variante, on propose également d'utiliser une autre mesure de distance spectrale mettant en oeuvre le cosinus de l'angle entre des vecteurs cepstraux formés par les paramètres cepstraux pris dans l'ordre croissant à l'exception du paramètre cO: d(s1,s2)=#Cs1#2.(1-cos2(#))=#Cs1#2.sin2(#) avec

Figure img00260002
As a variant, it is also proposed to use another spectral distance measurement implementing the cosine of the angle between cepstral vectors formed by the cepstral parameters taken in ascending order with the exception of the parameter cO: d (s1 , s2) = # Cs1 # 2. (1-cos2 (#)) = # Cs1 # 2.sin2 (#) with
Figure img00260002

On constate expérimentalement, que cette mesure de distance spectrale est plus robuste que la précédente. Experimentally, this measurement of spectral distance is more robust than the previous one.

En résumé, lorsque le test sur l'égalité des (n-p) plus petites valeurs propres de la matrice d'autocorrélation du signal appliqué avec p égal à 1 mène à conclure que l'on a affaire à une modélisation d'un spectre de signal monoraie, on peut affiner la détection de cible par la mise en oeuvre d'un critère sur la distance spectrale existant entre une modélisation de spectre du signal d'ordre 1 qui est monoraie par définition et une modélisation de spectre du signal d'un ordre plus élevé p conduisant à une modélisation supposée plus fidèle, ce critère de distance spectrale étant basé soit sur la mesure de distance spectrale

Figure img00270001

soit sur la mesure de distance spectrale
Figure img00270002
In summary, when the test on the equality of (np) smaller eigenvalues of the autocorrelation matrix of the signal applied with p equal to 1 leads to the conclusion that we are dealing with a modeling of a signal spectrum monoraie, one can fine-tune the target detection by the implementation of a criterion on the spectral distance existing between a spectrum modeling of the signal of order 1 which is monoraie by definition and a modeling of spectrum of the signal of an order higher p leading to a supposedly more faithful modeling, this spectral distance criterion being based either on the measurement of spectral distance
Figure img00270001

either on the spectral distance measurement
Figure img00270002

Jusqu'à présent, on a admis que l'ordre du modèle autorégressif adopté pour modéliser le spectre du signal était celui qui conduisait à la modélisation la plus fidèle. Pour trouver cet ordre optimum, de nombreux critères statistiques ont été proposés mais ils ont l'inconvénient de ne pas convenir dans le cas envisagé ici où l'on ne dispose que d'un faible nombre d'échantillons de signal. Pour ce cas particulier d'un faible nombre d'échantillons de signal, il a été proposé par la demanderesse, dans la demande de brevet français FR-2 735 594 d'adopter l'ordre maximum possible (N-l) tout en imposant une contrainte de douceur spectrale lors de la détermination des coefficients de réflexion par minimisation des erreurs de prédiction linéaires directe et rétrograde. So far, it has been accepted that the order of the autoregressive model adopted to model the signal spectrum was the one that led to the most faithful modeling. To find this optimum order, many statistical criteria have been proposed but they have the disadvantage of not being suitable in the case envisaged here where one has only a small number of signal samples. For this particular case of a small number of signal samples, it has been proposed by the applicant, in the French patent application FR-2,735,594 to adopt the maximum possible order (Nl) while imposing a constraint. of spectral softness in the determination of reflection coefficients by minimizing forward and backward linear prediction errors.

Le coefficient de réflexion jlp est alors déterminé de manière à minimiser une expression EP formée de la somme de la puissance moyenne U(p)des erreurs de prédictions directe et rétrograde, et d'un terme de douceur spectrale

Figure img00270003

avec
Figure img00280001
The reflection coefficient jlp is then determined so as to minimize an expression EP formed of the sum of the average power U (p) of the forward and backward prediction errors, and of a spectral softness term.
Figure img00270003

with
Figure img00280001

En s'arrêtant aux deux premiers coefficients y, et Y1, cela conduit à une nouvelle valeur du coefficient de réflexion jlp donnée par la formule

Figure img00280002
Stopping at the first two coefficients y, and Y1, this leads to a new value of the reflection coefficient jlp given by the formula
Figure img00280002

Le module du coefficient de réflexion doit rester inférieur à 1, ce qui conditionne la structure du filtre treillis associé. La régularisation lui permet de ne pas exploser lorsque G et D deviennent petits ensemble (indétermination zéro sur zéro). En effet, lorsque l'ordre du modèle est optimal, les erreurs deviennent très faibles, ainsi que G et D, mais à l'inverse, les termes de régularisation du numérateur et du dénominateur deviennent prépondérants et empêchent la dégénérescence du coefficient de réflexion. The modulus of the reflection coefficient must remain less than 1, which conditions the structure of the associated trellis filter. Regularization allows it to not explode when G and D become small together (Zero Zero Indetermination). Indeed, when the order of the model is optimal, the errors become very weak, as well as G and D, but conversely, the terms of regularization of the numerator and the denominator become predominant and prevent the degeneration of the coefficient of reflection.

L'évolution des termes de régularisation permet d'avoir une indication sur la platitude du spectre du signal que l'on cherche à modéliser. On peut en tirer un critère qui est basé sur le résidu de filtrage autorégressif régularisé, c'est-à-dire la covariance des paramètres autorégressifs obtenus pour un ordre maximal et régularisé et qui consiste dans le calcul de la valeur TI du coefficient autorégressif lip pour laquelle le terme D1 est minimum

Figure img00280003

cette valeur r étant d'autant plus faible que le spectre du signal est plat. The evolution of the terms of regularization makes it possible to have an indication on the flatness of the spectrum of the signal which one seeks to model. We can derive a criterion which is based on the regulated autoregressive filter residue, that is to say the covariance of the autoregressive parameters obtained for a maximum and regularized order and which consists in the calculation of the value TI of the autoregressive coefficient lip for which the term D1 is minimum
Figure img00280003

this r value being even lower than the spectrum of the signal is flat.

La figure 1 est un organigramme illustrant la mise en oeuvre des tests décrits précédemment à la détection d'hélicoptères au moyen d'un radar Doppler ne délivrant qu'un faible nombre d'échantillons d'échos par case site-azimut-distance, par exemple huit correspondant à l'émission de salves répétitives de huit impulsions d'interrogation cohérentes. FIG. 1 is a flowchart illustrating the implementation of the tests described above for detecting helicopters using a Doppler radar delivering only a small number of echo samples per site-azimuth-distance box, by example eight corresponding to the emission of repetitive bursts of eight coherent interrogation pulses.

Le problème posé consiste à discriminer un hélicoptère à vitesse radiale nulle par rapport au radar Doppler, qu'il soit en vol stationnaire, en vol tangentiel par rapport au radar ou en "pop-up", au milieu d'un fouillis de sol sans fouillis additif de type pluie pour un rapport signal à bruit inférieur à 1. The problem is to discriminate a helicopter at zero radial speed compared to the Doppler radar, be it hovering, in tangential flight compared to the radar or in "pop-up", in the middle of a clutter of ground without additive clutter of the rain type for a signal-to-noise ratio of less than 1.

Dans l'absolu, un fouillis de sol renvoie des échos possédant une répartition du Doppler en zéro sans aucune variance du phénomène. In absolute terms, a soil clutter returns echoes with a Doppler distribution in zero with no variance in the phenomenon.

Son spectre Doppler est, en première approximation, monoraie. II peut alors être modélisé dans une analyse spectrale haute résolution à l'aide d'un modèle autorégressif d'ordre 1. En ce qui concerne un hélicoptère, il renvoie, en dehors des éclairs de pale, des échos ayant une répartition statistique Doppler resserrée autour de la fréquence zéro de façon symétrique, due à l'énergie rétrodiffusée par des pièces en rotation du rotor. Son spectre Doppler est, en première approximation multiraie donc légèrement plus large que celui du fouillis au milieu duquel on cherche à le détecter. On recherche alors à détecter un hélicoptère, soit par les échos d'éclairs de pale qu'il renvoie, soit par l'aspect légèrement élargi du spectre Doppler de son écho par rapport au spectre Doppler des échos de fouillis.Its Doppler spectrum is, as a first approximation, monoraie. It can then be modeled in a high-resolution spectral analysis using an autoregressive model of order 1. With regard to a helicopter, it returns, apart from the blade flashes, echoes with a narrow Doppler statistical distribution. around the zero frequency symmetrically, due to the energy backscattered by rotating parts of the rotor. Its Doppler spectrum is, in first approximation multiraie therefore slightly wider than that of the clutter in the middle of which one seeks to detect it. It is then sought to detect a helicopter, either by the echoes of pale flashes it returns, or by the slightly enlarged appearance of the Doppler spectrum of its echo with respect to the Doppler spectrum of clutter echoes.

Une analyse spectrale haute résolution est d'abord effectuée sur chaque collection de huit échantillons d'échos correspondant à une même case site-azimut-distance. Celle-ci consiste à déterminer les coefficients autorégressifs du modèle de prédiction par la méthode de
Burg avantageusement régularisée selon l'enseignement du brevet français précité FR-2 735 594 de manière à pouvoir opter pour le modèle d'ordre maximum égal au nombre d'échantillons d'échos disponibles moins un.
A high-resolution spectral analysis is first performed on each collection of eight echo samples corresponding to the same site-azimuth-distance box. This consists in determining the autoregressive coefficients of the prediction model by the method of
Burg advantageously regulated according to the teaching of the aforementioned French patent FR-2,735,594 so as to be able to opt for the maximum order model equal to the number of available echo samples minus one.

Une fois les coefficients auto régressifs et les coefficients de réflexion rendus disponibles par l'analyse spectrale haute résolution, on commence par effectuer une détection de flashs de pales 1. Celle-ci consiste à rechercher si l'on est en présence d'échos à spectre large donc plat. Elle se fait à l'aide de deux tests sur la forme du spectre modélisé qui doivent être passés l'un et l'autre avec succès:
un premier test ci dont le critère porte sur les coefficients
de réflexion du modèle de prédiction utilisé pour l'analyse
spectrale haute résolution et qui est relatif à l'égalité des
n-p valeurs propres de la matrice d'autocorrélation du signal
avec p pris égal à zéro et avec une valeur de seuil supérieur
SP1 déterminée par application d'une loi de distribution de
probabilité du Khi-2 à N + 2)(N + 1)/2 degrés de libertés à
une valeur de probabilité de fausse alarme VP choisie arbitrairement critère c1

Figure img00300001
Once the autoregressive coefficients and the reflection coefficients made available by the high-resolution spectral analysis, we begin by performing a detection of flashes of blades 1. This consists in finding out if one is in the presence of echoes to wide spectrum so flat. It is done by means of two tests on the form of the modeled spectrum which must be passed one and the other with success:
a first test ci whose criterion relates to the coefficients
of the prediction model used for the analysis
spectral high resolution and which is relative to the equality of
np eigenvalues of the autocorrelation matrix of the signal
with p taken equal to zero and with a higher threshold value
SP1 determined by application of a distribution law of
probability of Khi-2 to N + 2) (N + 1) / 2 degrees of freedom to
a false alarm probability value VP arbitrarily chosen criterion c1
Figure img00300001

N étant le nombre d'échantillons d'échos et n l'ordre du
modèle de prédiction. un deuxième test cîb qui est un test basé sur les
coefficients autorégressifs du modèle de prédiction et qui
met en oeuvre le critère basé sur le résidu de filtrage
autorégressif régularisé avec une valeur de seuil supérieur
SP2 choisie expérimentalement pour avoir un taux de fausse
alarme arbitraire critère cîb

Figure img00300002
N being the number of echo samples and n the order of the
prediction model. a second test which is a test based on the
autoregressive coefficients of the prediction model and which
implements the criterion based on the filter residue
Regressed autoregressive with a higher threshold value
SP2 experimentally chosen to have a false rate
arbitrary alarm criterion cib
Figure img00300002

les ak étant les coefficients autorégressifs du modèle de
prédiction.
the ak being the autoregressive coefficients of the model of
prediction.

Le choix expérimental de la valeur de seuil supérieur se fait de la manière habituelle, en déterminant les valeurs prises par la variable rl pour des cases site-azimut-distance dont on sait qu'elles ne sont occupées que par du fouillis et pour des cases site-azimut-distance dont on sait qu'elles sont occupées par des hélicoptères, et en adoptant comme valeur de seuil supérieur SP2 la limite entre les deux plages occupées par la variable TI pour les cases avec et sans hélicoptère en admettant une certaine probabilité de fausse alarme. The experimental choice of the upper threshold value is done in the usual way, by determining the values taken by the variable rl for site-azimuth-distance boxes which one knows that they are occupied only by clutter and for boxes site-azimuth-distance which is known to be occupied by helicopters, and adopting as the upper threshold value SP2 the limit between the two ranges occupied by the TI variable for the huts with and without a helicopter, assuming a certain probability of false alarm.

Si les deux tests précédents sont passés avec succès, on conclut à des échos d'éclairs de pales et donc à la présence d'un hélicoptère dans la case site-azimut-distance concernée. Si non, on passe à l'étape suivante 2 du test monoraie. If the two previous tests are passed successfully, we conclude with echoes of lightning of blades and thus with the presence of a helicopter in the site-azimuth-distance box concerned. If no, proceed to the next step 2 of the monaural test.

Cette deuxième étape 2 de recherche d'un spectre monoraie consiste à réaliser un test c2 dont le critère porte sur les coefficients de réflexion du modèle de prédiction utilisé pour l'analyse spectrale haute résolution et qui est relatif à l'égalité des n-p valeurs propres de la matrice d'autocorrélation du signal avec p pris égal à un et avec une valeur de seuil supérieur SK déterminée par application d'une loi de distribution de probabilité du Khi-2 à N+2)(N+1)/2 degrés de libertés à une valeur de probabilité de fausse alarme VK choisie arbitrairement critère c2

Figure img00310001
This second step 2 of searching for a monaural spectrum consists in carrying out a test c2 whose criterion relates to the reflection coefficients of the prediction model used for the high resolution spectral analysis and which is relative to the equality of the n eigenvalues. of the autocorrelation matrix of the signal with p taken equal to one and with a higher threshold value SK determined by applying a distribution law of probability of Khi-2 to N + 2) (N + 1) / 2 degrees of freedoms to a false alarm probability value VK arbitrarily chosen criterion c2
Figure img00310001

Si le test est négatif, on considère que l'on n'est en présence d'échos à spectre multiraie correspondant à la détection d'un hélicoptère.  If the test is negative, it is considered that there are multirespectral echoes corresponding to the detection of a helicopter.

Si le test est positif, on considère que l'on est vraisemblablement dans l'hypothèse d'un spectre monoraie et l'on passe à une troisième étape d'affinage de la détection 3. If the test is positive, it is considered that it is presumably in the hypothesis of a monaural spectrum and one goes on to a third stage of refinement of the detection 3.

Cette troisième étape 3 consiste à rechercher si l'on n'est pas en présence d'un spectre plus large que ne le serait un spectre monoraie de fouillis. Elle se fait à l'aide de deux tests sur un élargissement possible du spectre modélisé qui doivent être passés l'un et l'autre avec succès pour conclure définitivement à du fouillis
un premier test c3 consistant à mesurer une première
distance spectrale entre une modélisation du spectre à
l'ordre 1 et une modélisation du spectre à l'ordre maximum
régularisé et à la comparer à une valeur de seuil supérieur
SL1: critère c3

Figure img00320001
This third step 3 consists in finding out if one is not in the presence of a wider spectrum than would be a monorey spectrum of clutter. It is done using two tests on a possible enlargement of the modeled spectrum which must be passed together successfully to definitively conclude clutter
a first test c3 consisting in measuring a first
spectral distance between a spectrum modeling to
order 1 and spectrum modeling at maximum order
regularized and compared to a higher threshold value
SL1: criterion c3
Figure img00320001

L étant égal à 2n, ck ) étant un paramètre cepstral correspondant à un coefficient de Fourier du Logarithme de la densité spectrale du signal d'échos et se calculant à partir des paramètres autorégressifs au moyen des relations

Figure img00320002

et la valeur de seuil supérieur SL1 étant déterminée expérimentalement en fonction d'une valeur recherchée de taux de fausse alarme. un deuxième test c3b consistant à mesurer une deuxième
distance spectrale entre une modélisation du spectre à
l'ordre 1 et une modélisation du spectre à l'ordre maximum
régularisé et à la comparer à une valeur de seuil supérieur SL2 critère c3b
Figure img00330001
L being equal to 2n, ck) being a cepstral parameter corresponding to a Fourier coefficient of the Logarithm of the spectral density of the echo signal and calculated from the autoregressive parameters by means of the relations
Figure img00320002

and the upper threshold value SL1 being determined experimentally as a function of a desired value of false alarm rate. a second test c3b consisting of measuring a second
spectral distance between a spectrum modeling to
order 1 and spectrum modeling at maximum order
regularized and compared to a higher threshold value SL2 criterion c3b
Figure img00330001

Figure img00330002
Figure img00330002

la valeur de seuil supérieur SL2 étant déterminée
expérimentalement en fonction d'une valeur recherchée de
taux de fausse alarme.
the upper threshold value SL2 being determined
experimentally based on a desired value of
false alarm rate.

Si les deux tests précédents sont passés avec succès, on conclut à la présence d'un spectre monoraie d'échos de fouillis de sol. Si non, on admet la présence d'un hélicoptère dans la case site-azimutdistance concernée. If the two previous tests are passed successfully, it is concluded that there is a monaural spectrum of clutter echoes. If no, we admit the presence of a helicopter in the box site-azimutdistance concerned.

La détection des turbulences se fait de la même manière que celle des hélicoptères en supprimant l'étape 1 de détection de flash de pale qui n'a plus lieu d'être et en adaptant les valeurs de seuil. En effet, les turbulences qui ont une importance pour la sécurité d'un vol d'aéronef se traduisent pour un radar par un élargissement du spectre
Doppler des échos renvoyés par rapport au spectre des échos de nuages en air calme. Le test monoraie à l'étape 2 de l'organigramme de détection d'hélicoptère ainsi que les deux tests d'élargissement du spectre proposés à l'étape 3 de cet organigramme sont alors pertinents pour caractériser une turbulence de l'atmosphère, avec la précision des méthodes hautes résolutions, et représentent un progrès certain par rapport aux méthodes de détection de turbulence utilisées dans l'art antérieur qui reposent uniquement sur la détection de la variation de la forme du spectre Doppler qui apparaît très dégradée aux sorties d'un banc de filtres Doppler.
The detection of turbulence is the same as that of helicopters by eliminating step 1 of blade flash detection that no longer needs to be and adjusting the threshold values. Indeed, the turbulence that is important for the safety of an aircraft flight translates to a radar by a broadening of the spectrum
Doppler echoes returned relative to the spectrum of cloud echoes in calm air. The monoria test at step 2 of the helicopter detection flowchart as well as the two spectrum broadening tests proposed in step 3 of this flowchart are then relevant for characterizing turbulence in the atmosphere, with accuracy of high resolution methods, and represent a definite progress over the turbulence detection methods used in the prior art which rely solely on the detection of the variation of the shape of the Doppler spectrum which appears very degraded at the outputs of a bench Doppler filters.

La figure 2 montre un synoptique de la partie vidéo du récepteur d'un radar Doppler mettant en oeuvre le procédé de détection de cibles à vitesse radiale faible ou nulle qui vient d'être décrit. Le signal vidéo de réception est appliqué en entrée, à un démodulateur en quadrature rappelé sur la figure par deux démodulateurs 20, 21 qui reçoivent deux versions en quadrature d'une même porteuse de démodulation en plus du signal vidéo de réception et qui sont suivis de deux filtres passe-bas 22, 23. Le démodulateur en quadrature délivre en parallèle les composantes en phase I et en quadrature Q du signal de réception démodulé qui sont échantillonnées et converties en numérique par deux convertisseurs analogique-numérique 24, 25. Ces échantillons numériques des composantes en phase I et en quadrature Q du signal reçu démodulés sont triés par cases distance et appliqués, par salves correspondant aux rafales d'impulsions cohérentes d'interrogation émises, à un circuit d'analyse Doppler 26. FIG. 2 shows a block diagram of the video portion of the receiver of a Doppler radar implementing the low or zero radial velocity target detection method which has just been described. The reception video signal is inputted to a quadrature demodulator recalled in the figure by two demodulators 20, 21 which receive two quadrature versions of the same demodulation carrier in addition to the reception video signal and which are followed by two low-pass filters 22, 23. The quadrature demodulator delivers in parallel the I-phase and Q-quadrature components of the demodulated reception signal which are sampled and converted into digital by two analog-to-digital converters 24, 25. These digital samples phase I and quadrature Q components of the demodulated received signal are sorted by distance cells and applied, in bursts corresponding to the bursts of interrogated coherent interrogation pulses, to a Doppler analysis circuit 26.

Le circuit d'analyse Doppler 26 procède à une analyse spectrale haute résolution des salves d'échantillons numériques occupant chaque case distance et délivre, à un circuit de détection 27, des informations sur la forme du spectre modélisé sous la forme de coefficients autorégressifs et de paramètres cepstraux. Pour ce faire, il utilise la méthode du maximum d'entropie de Burg régularisée qui est décrite de manière détaillée dans la demande de brevet français FR2 735 594 précédemment citée. The Doppler analysis circuit 26 performs a high-resolution spectral analysis of the bursts of digital samples occupying each distance slot and delivers, to a detection circuit 27, information on the shape of the spectrum modeled in the form of autoregressive coefficients and cepstral parameters. To do this, it uses the method of the maximum entropy Burg regularized which is described in detail in the French patent application FR 2,735,594 previously cited.

Le circuit de détection 27 met en oeuvre sur les coefficients autorégressifs et paramètres cepstraux reçus du circuit d'analyse Doppier 26, le procédé de détection dont les principales étapes ont été décrites relativement à l'organigramme de la figure 1 afin d'attribuer le spectre Doppler délivré par le circuit d'analyse Doppler 26 soit à une cible, soit à du fouillis.  The detection circuit 27 uses the autoregressive coefficients and cepstral parameters received from the Doppier analysis circuit 26, the detection method whose main steps have been described with respect to the flowchart of FIG. 1 in order to attribute the spectrum Doppler delivered by the Doppler analysis circuit 26 either to a target or to clutter.

Claims (6)

REVENDICATIONS 1. Procédé de détection Doppler de cibles à vitesse radiale faible ou nulle caractérisé en ce qu'il consiste 1. Doppler detection method for targets with low or zero radial speed, characterized in that it consists - à recueillir les échantillons de N échos successifs en provenance d'une même case site-azimut-distance, en réponse à l'émission d'un train de N impulsions d'interrogation successives et cohérentes, to collect the samples of N successive echoes coming from the same site-azimuth-distance box, in response to the emission of a train of N consecutive and coherent interrogation pulses, - à effectuer une analyse spectrale haute résolution des N échantillons d'échos successifs au moyen d'un modèle autorégressif d'ordre n (n strictement inférieur à N) défini par une série de n coefficients de réflexion pk et conduisant à une modélisation du spectre à n raies de fréquence de diverses amplitudes, les raies de fréquence de plus fortes amplitudes, correspondant à des raies de fréquence existant réellement dans le signal, tandis que d'autres de moindres amplitudes peuvent être uniquement dues à un bruit de modélisation et ne pas avoir de réalité physique, to perform a high resolution spectral analysis of the N successive echo samples by means of an autoregressive model of order n (n strictly less than N) defined by a series of n reflection coefficients pk and leading to a spectrum modeling at n frequency lines of various amplitudes, the frequency lines of higher amplitudes, corresponding to frequency lines actually existing in the signal, while others of smaller amplitudes may be solely due to a modeling noise and not to have physical reality, - à vérifier l'égalité entre les n-p raies de plus faibles amplitudes de la modélisation de spectre (p étant inférieur ou égal à n) pour s'assurer, soit qu'elles ne sont dues qu'au bruit de modélisation, soit qu'elles appartiennent à un spectre assez large pour correspondre à celui d'une cible, cette vérification s'effectuant au moyen - to check the equality between the np lines of smaller amplitudes of the spectrum modeling (p being less than or equal to n) to ensure, either that they are due only to modeling noise, or that they belong to a spectrum broad enough to correspond to that of a target, this verification being effected by means du calcul de la valeur de vraisemblance  the likelihood value calculation
Figure img00350001
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spectre. spectrum. raies de plus faibles amplitudes de la modélisation du lines of lower amplitudes of the modeling of the supérieur confirmant la vraisemblance d'une égalité des n-p superior confirming the likelihood of equality of n-p vraisemblanceLog(A(p)) inférieure à ladite valeur de seuil likelihoodLog (A (p)) less than said threshold value à la valeur de seuil supérieur obtenue, une valeur de at the upper threshold value obtained, a value of de la comparaison de la valeur de vraisemblanceLog(A(P))  of the likelihood value comparisonLog (A (P)) de la probabilité de fausse alarme adoptée, et  the probability of false alarm adopted, and par la loi de distribution de probabilité du Khi-2 en fonction by the distribution law of probability of Chi-2 based de la détermination d'une valeur de seuil supérieur donnée determining a given upper threshold value du choix d'une probabilité de fausse alarme arbitraire, the choice of an arbitrary false alarm probability, 2 à (N + 2)(N + 1)/2 degrés de liberté, 2 to (N + 2) (N + 1) / 2 degrees of freedom, de la sélection de la loi de distribution de probabilité du Khi of the selection of the distribution law of probability of chi
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre p est pris égal à zéro, la comparaison de la valeur de vraisemblance Log(A(O)) avec une valeur de seuil supérieur associée 2. Method according to claim 1, characterized in that the number p is taken equal to zero, the comparison of the likelihood value Log (A (O)) with a higher threshold value associated SP1 déterminée au moyen de la loi de distribution de probabilité du Khi-2 à partir d'un taux de fausse alarme arbitraire VP, permettant de tester la vraisemblance d'un spectre élargi de signal correspondant à un flash de pale d'hélicoptère, une valeur Log(A(O)) trouvée inférieure à la valeur de seuil supérieur associée SP1, montrant l'égalité relative des amplitudes de toutes les raies de fréquence de la modélisation de spectre du signal d'échos et confirmant que le signal d'échos a pour origine un flash de pale d'hélicoptère.SP1 determined by means of the Chi-2 probability distribution law from an arbitrary false alarm rate VP, for testing the likelihood of an expanded signal spectrum corresponding to a helicopter blade flash, a Log value (A (O)) found to be lower than the associated upper threshold value SP1, showing the relative equality of the amplitudes of all frequency lines of the echo signal spectrum modeling and confirming that the echo signal originates from a helicopter blade flash. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre p est pris égal à un, la comparaison de la valeur de vraisemblance Log(A(l)) avec une valeur de seuil supérieur associée SK déterminée au moyen de la loi de distribution de probabilité du Khi-2 à partir d'un taux de fausse alarme arbitraire VK, permettant de tester la vraisemblance d'un spectre monoraie de signal d'échos correspondant à du fouillis, une valeur de vraisemblance Log(N(1)) trouvée inférieure à la valeur de seuil supérieur associée SK, montrant l'égalité des n-1 raies de plus faibles amplitudes. 3. Method according to claim 1, characterized in that the number p is taken equal to one, the comparison of the likelihood value Log (A (1)) with an associated higher threshold value SK determined by means of the law of chi-2 probability distribution from an arbitrary false alarm rate VK, for testing the likelihood of a monaural echo signal spectrum corresponding to clutter, a log likelihood value (N (1)) found to be lower than the associated upper threshold value SK, showing the equality of the n-1 lines of smaller amplitudes. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la comparaison de la valeur de vraisemblance Log(A(O)) à une valeur de seuil supérieur SP1 pour détecter la présence d'un spectre élargi de signal correspondant à un flash de pale est complétée par un test sur le résidu de filtrage autorégressif ayant conduit à la modélisation du spectre de signal d'échos, ce test consistant à à évaluer la valeur du terme rz égal à 4. Method according to claim 2, characterized in that the comparison of the likelihood value Log (A (O)) to a higher threshold value SP1 to detect the presence of an expanded spectrum of signal corresponding to a flash of a blade is complemented by a test on the autoregressive filtering residue having led to the modeling of the echo signal spectrum, this test consisting in evaluating the value of the term rz equal to
Figure img00370001
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étant le k ième paramètre dit autorégressif du modèle autorégressif d'ordre n, définissant la loi de prédiction d'un i ième échantillon xi du signal dont on fait l'analyse spectrale haute résolution, à partir des (i-p) échantillons précédents, par une relation de la forme  being the kth so-called autoregressive parameter of the autoregressive model of order n, defining the prediction law of an ith sample xi of the signal whose high resolution spectral analysis is made, starting from the (ip) preceding samples, by a relationship of form
Figure img00370002
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obtenue pour le terme rj inférieure au seuil SP1.  obtained for the term rj less than the threshold SP1. correspondant à un éclair de pale en cas d'une valeur corresponding to a blade flash in case of a value à admettre la présence d'un spectre élargi de signal d'échos to admit the presence of an expanded spectrum of echo signal de fausse alarme arbitraire, et arbitrary false alarm, and seuil SP2 déterminée expérimentalement pour avoir un taux threshold SP2 determined experimentally to have a rate à comparer la valeur obtenue du terme r avec une valeur de to compare the obtained value of the term r with a value of le modèle d'ordre n, de l'échantillon xj,  the model of order n, of the sample xj, # f,i,n étant une erreur de prédiction dans le sens direct, par # f, i, n being a prediction error in the forward direction, by
5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la comparaison de la valeur de vraisemblance Log(#(1)) à une valeur de seuil supérieur SK pour détecter la présence d'un spectre monoraie de signal d'échos est affinée, lorsque la valeur de vraisemblance Log(A(l)) se révèle être inférieure à la valeur de seuil supérieur SK par un test de distance entre la modélisation de spectre d'ordre n obtenue et une modélisation de spectre d'ordre 1 nécessairement monoraie, ce test de distance consistant: #2 5. Method according to claim 3, characterized in that the comparison of the likelihood value Log (# (1)) with a higher threshold value SK for detecting the presence of a monaural spectrum of echo signal is refined, when the likelihood value Log (A (1)) is found to be lower than the upper threshold value SK by a distance test between the obtained n-order spectrum modeling and a necessarily monaural order-of-magnitude spectrum modeling, this distance test consisting of: # 2 # à effecteur une mesure de distance d2 basée sur les  # to perform a distance measurement d2 based on the (p) (P) paramètres cepstraux ck qui sont les coeficients de cepstral parameters ck which are the coeficients of Fourier du Logarithme de la densité spectrale du signal d'échos et qui se calculent à partir des paramètres autorégressifs  Fourier of the logarithm of the spectral density of the echo signal and which are calculated from the autoregressive parameters
Figure img00380001
Figure img00380001
avec, par définition, with, by definition,
Figure img00380002
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SL1. SL1. mesure de distance d2 est supérieure à la valeur de seuil distance measurement d2 is greater than the threshold value correspondant à une cible dès que la valeur obtenue pour la corresponding to a target as soon as the value obtained for the à déduire la présence d'un spectre de signal élargi to deduce the presence of an expanded signal spectrum arbitraire, et arbitrary, and expérimentalement pour avoir un taux de fausse alarme experimentally to have a false alarm rate à comparer la valeur obtenue pour la mesure de distance #22 avec une valeur de seuil SL1 déterminée  comparing the value obtained for the distance measurement # 22 with a determined threshold value SL1 paramètre autorégressif du modèle autorégressif d'ordre m, autoregressive parameter of the autoregressive model of order m, akm étant, comme indiqué précédemment, le k ème akm being, as indicated previously, the k th
6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la comparaison de la valeur de vraisemblance LoÂA(l)) à une valeur de seuil supérieur SK pour détecter la présence d'un spectre monoraie de signal d'échos est affinée, lorsque la valeur de vraisemblance Log(A(1)) se révèle être inférieure à la valeur de seuil supérieur SK par un test de distance entre la modélisation de spectre d'ordre n obtenue et une modélisation de spectre d'ordre 1 nécessairement monoraie, ce test de distance consistant  Method according to claim 3, characterized in that the comparison of the likelihood value LoA (l)) with a higher threshold value SK for detecting the presence of a monaural echo signal spectrum is refined, when the likelihood value Log (A (1)) proves to be lower than the upper threshold value SK by a distance test between the n-order spectrum modeling obtained and a necessarily monaural order-of-magnitude spectrum modeling, this test consistent distance à mesurer une distance d2 définie en fonction du cosinus de to measure a distance d2 defined according to the cosine of l'angle entre vecteurs cepstraux the angle between cepstral vectors
Figure img00390001
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SL2.  SL2. mesure de distance d2 est supérieure à la valeur de seuil distance measurement d2 is greater than the threshold value correspondant à une cible dès que la valeur obtenue pour la corresponding to a target as soon as the value obtained for the à déduire la présence d'un spectre de signal élargi to deduce the presence of an expanded signal spectrum arbitraire, et arbitrary, and expérimentalement pour avoir un taux de fausse alarme experimentally to have a false alarm rate d2 avec une valeur de seuil SL2 déterminée d2 with a determined threshold value SL2 à comparer la valeur obtenue pour la mesure de distance to compare the value obtained for the distance measurement
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