FR2788133A1 - Systeme radiometrique comprenant une antenne du type a synthese d'ouverture et son application en imagerie hyperfrequence - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un système radiométrique comprenant une antenne réseau du type à synthèse d'ouverture (At") constituée d'une pluralité d'éléments d'antennes (eA0, eA11-eA34) - Chaque élément est à double polarisation linéaire. Les éléments d'antenne successifs (eA0, eA11-eA34) subissent une rotation séquentielle à 90 degrés de manière à présenter un déphasage de 180 degrés entre éléments, selon une séquence arbitraire. On prévoit des déphasages de 180 degrés en sortie des sondes de couplage horizontales et/ ou verticales, de manière à compenser les déphasages de 180 degrés précités. Les déphasages sont obtenus en faisant appel à des moyens de traitement de données embarqués, à programme enregistré. Cette disposition permet d'éliminer la composante de polarisation croisée.
Description
SYSTEME RADIOMETRIQUE COMPRENANT UNE ANTENNE DU
TYPE A SYNTHESE D'OUVERTURE ET SON APPLICATION EN
IMAGERIE HYPERFREQUENCE
La présente invention concerne un système radiométrique comprenant une antenne du type à synthèse d'ouverture. Elle concerne également l'application de ce système
en imagerie hyperfréquences.
L'invention concerne plus particulièrement une antenne embarquée sur un satellite, et plus particulièrement sur un satellite sur orbite basse, dite "LEO" ("Low Earth Orbits"), pour l'observation depuis l'espace de paramètres particuliers d'environnement caractérisant le globe terrestre: salinité des océans ou humidité des sols, par exemple. Ces observations et mesures sont effectuées à l'aide de radiomètres fonctionnant dans les gammes d'hyperfréquences. Les radiomètres sont munis d'antennes mesurant le rayonnement en provenance de la surface du globe terrestre observée. On a proposé de nombreux type d'antennes et des techniques également diverses de mise en oeuvre de ces antennes. Un des problèmes importants posé par des antennes fonctionnant dans les gammes de fréquences précitées est qu'il est nécessaire de prévoir une ouverture de dimensions très importantes, ce qui implique notamment un poids
également important.
Aussi, on a proposé, dans le courant des années 80, d'utiliser des antennes à synthèse d'ouverture unidimensionnelle. La synthèse d'ouverture est rendue possible en prévoyant une pluralité d'éléments d'antenne de petites dimensions, disposés selon une configuration spatiale déterminée, ce qui est équivalent à un élément unique de grande dimension. Un radiomètre comportant une telle antenne a été utilisé dans le projet "NASA ESTAR"
("Electronically scanned Thinned Array Radiometer").
Plus récemment, depuis le début des années 90, on a étudié la faisabilité d'antennes à synthèse d'ouverture en deux dimensions. A titre d'exemple non limitatif, une antenne prototype de ce type a été étudiée par la Demanderesse pour un projet pilote radiomètre référencé "MIRAS". L'antenne comprend également une pluralité d'éléments d'antenne de faibles dimensions. Ces éléments d'antenne sont disposés sur les trois branches coplanaires d'un réseau en forme de "Y". Les branches sont de longueurs égales à 8,3 m et forment entre elles des angles de 120 degrés. Chaque branche comporte 133 éléments d'antenne, régulièrement espacés. Les éléments d'antenne sont à double polarisation linéaire, en quadrature: polarisations dites arbitrairement horizontale et verticale. Ils présentent une largeur de faisceau à mi-puissance de 70 degrés. Le plan de
l'antenne est incliné de 31,2 degrés par rapport au nadir.
Ce radiomètre est décrit dans l'article de M.
Martin-Neira et J.M. Goutoule, intitulé: "MIRAS - A Two-
dimensional Aperture-Synthesis Radiometer for Soil-Moisture and OceanSalinity Observations", "ESA bulletin", novembre
1997, pages 95-104.
Le radiomètre est destiné à collecter le flux rayonné par le globe terrestre à l'aide de l'antenne dont
les caractéristiques ont été rappelées ci-dessus.
Pour obtenir la synthèse d'ouverture précitée, on
met en oeuvre une interférométrie à deux dimensions.
De façon générale, la mesure de base effectuée par un radiomètre à synthèse d'ouverture consiste en la mesure d'une fonction dite "fonction de visibilité". Cette terminologie est dérivée originellement de la théorie de l'interférométrie optique et peut être mieux comprise en considérant un interféromètre de Young pour lequel chaque source génère un interférogramme de sortie qui présente alternativement des maxima et des minima. Le facteur de visibilité d'un interférogramme sinusoïdal est défini comme le rapport entre la différence et la somme des amplitudes maximales et minimales. Ce facteur de visibilité peut être défini comme étant égal au degré complexe de cohérence, ce qui constitue la quantité primaire mesurée en synthèse d'ouverture. Bien que la théorie optique ne puisse être transposée sans adaptation, du domaine purement optique, au domaine de la mesure dans des gammes de fréquences hyperfréquences, pour l'observation de la surface du globe terrestre, notamment à partir de satellites "LEO", on peut également définir une fonction de visibilité. La corrélation complexe (à délai zéro) entre chaque paire possible d'éléments d'antenne du réseau interférométrique donne un point de la fonction de visibilité, à une fréquence spatiale définie par une ligne de base particulière d'éléments d'antenne. Idéalement, la fonction de visibilité est constituée par la transformée de Fourier de la brillance de la scène observée, pondérée par le diagramme de gain de l'élément d'antenne, qui peut être recouvré par une
transformée de Fourier inverse.
Ces opérations, dans le cas du radiomètre "MIRAS", sont effectuées en connectant chaque paire possible d'éléments d'antenne à un récepteur du type décrit par le "block-diagram" de la figure 1 placée en annexe à la
présente description. La partie électronique est réalisée en
technologie "MMIC", pour "Monolithic Microwave Integrated
Circuit" (ou circuit intégré monolithique hyperfréquence).
La bande de fréquence retenue est la bande "L" (centrée sur
X = 21 cm).
On a représenté les signaux de tension en sortie de deux éléments d'antenne, VAi et VAj, d'indices arbitraires i et j supérieurs ou égaux à 1 et inférieurs ou égaux au
nombre maximum d'éléments d'antenne.
Les signaux VAi et VAj passent au préalable au travers d'un amplificateur (non représenté). De façon plus précise, chaque composante de polarisation, H et V, est traitée séparément, ces composantes étant transmises séquentiellement, à l'aide d'un commutateur également non représenté. Les signaux sont dédoublés selon deux voies. Une première voie véhicule des signaux transmis directement à un premier étage changeur de fréquence FIl, plus précisément un abaisseur de fréquence. La seconde voie comporte un déphaseur de 90 degrés, de façon à obtenir des signaux en quadrature avec les signaux de la première voie. Les signaux déphasés sont transmis à un second étage changeur de
fréquence FI2.
Pour obtenir le changement de fréquence, on prévoit un oscillateur OSC qui génère des signaux dont la fréquence est de 1396 MHz. Les deux séries de signaux subissent ensuite une numérisation sur 1 bit, dans les convertisseurs AN1 et AN2, de façon à obtenir des signaux représentant le signe de ces signaux. Les signaux de sortie sont notés Sign(Ii) et Sign(Qi), I et Q représentant les signaux en
phase et en quadrature.
Cette paire de signaux de sortie est ensuite transmise à des premières entrées d'un corrélateur numérique un bit Coi. Celui-ci reçoit sur des secondes entrées un signal représentant le signe du signal de sortie VAj (non déphasé) de l'élément d'antenne d'indice j: Sign(Ij). De façon plus précise, le corrélateur Coi comprend deux multiplicateurs numériques, Mpl et Mp2, dont chaque sortie est reliée à un intégrateur, Itl et It2, respectivement. Le multiplicateur Mpl reçoit les signaux Sign(Ii) et Sign(Ij) et le multiplicateur Mp2 reçoit les signaux Sign(Qi) et Sign(Ij). Dans le cas de l'exemple décrit, pour traiter toutes les paires d'éléments d'antenne, il est nécessaire de disposer de 8778 corrélateurs. Compte tenu de l'abaissement de fréquence, le flux de données en sortie des corrélateurs
est à basse vitesse.
En résumé, chaque corrélateur effectue une multiplication complexe suivie d'une intégration d'une paire de signaux reçus, chaque paire correspondant à une ligne de base. Le résultat de chaque opération élémentaire permet de
calculer un des points de la fonction de visibilité.
L'utilisation de la bande "L", avantageuse pour les applications précitées, conduit, si on fait appel à des antennes classiques à des ouvertures d'antenne très importantes, de l'ordre de 20 m. Si on fait appel à la technologie de synthèse d'ouverture, avec une surface réelle d'antennes (surface totale des éléments), on obtient une
antenne équivalente de surface beaucoup plus importante.
Tout se passe comme si l'antenne comprenait un grand nombre
d'éléments d'antenne virtuels.
A titre d'exemple, dans le cas du radiomètre "MIRAS", les éléments d'antenne sont répartis, pour chaque branche du "Y", sur une seule ligne d'éléments, de longueur égale à 8,3 m. Or, le calcul et l'expérience montrent que cette antenne est équivalente à un réseau en forme d'étoile à six branches, inscrite dans un cercle de diamètre supérieur à la longueur des branches du "Y". Ce résultat est illustré par la figure 5 de l'article précité, auquel on se
reportera avec profit.
La technologie d'antenne à synthèse d'ouverture est donc très intéressante, car elle permet de diminuer fortement l'encombrement et le poids. Elle présente aussi des avantages certains par rapport à d'autres modes de réalisation d'antenne, tel le mode à balayage mécanique par
rotation autour d'un axe du satellite support.
Cependant, comme il a été indiqué, on se place dans le cadre d'antennes dont les éléments sont à polarisation linéaire double en quadrature. Puisque la mesure de la fonction dite de visibilité, dans le cas d'antennes à synthèse d'ouverture, implique de considérer toutes les combinaisons de paires possibles d'éléments d'antenne, deux composantes doivent être prises en considération: la polarisation croisée et la polarisation parallèle. Or, lorsqu'on considère le système radiométrique global, le calcul et l'expérience montrent que l'un des paramètres pénalisant est le rapport existant entre le niveau de la composante de polarisation croisée et le niveau de la composante de polarisation parallèle. Il existe donc un besoin d'améliorer le rapport inverse, c'est-à-dire le rapport entre le niveau de la composante de polarisation parallèle et le niveau de la composante de polarisation croisée. L'invention se fixe pour objet d'améliorer ce rapport. Pour ce faire, on introduit un décalage de phase de degrés entre des éléments d'une antenne à synthèse d'ouverture. Les éléments d'antenne étant substantiellement plans, ce décalage est réalisé par une rotation séquentielle, de 90 degrés, des éléments d'antenne les uns
par rapport aux autres, selon une séquence arbitraire.
Cette disposition permet d'éliminer substantiel-
lement les composantes de polarisation croisées.
Outre l'amélioration apportée au rapport précité, cette disposition apporte d'autres avantages, qui se reflètent sur les performances du système radiométrique proprement dit, c'est-à-dire dans sa globalité, et sur la conception des éléments d'antenne. Cette dernière permet notamment d'étendre la bande de fréquence utilisée, ce qui a, à son tour, un impact décisif sur les tolérances de
fabrication, et donc autorise un processus plus répétitif.
L'invention a donc pour objet un système radiométrique comprenant une antenne réseau du type à synthèse d'ouverture, ladite antenne étant constituée d'une pluralité d'éléments d'antennes, répartis dans un plan dit d'antenne selon une loi déterminée, suivant au moins un axe, chacun desdits éléments d'antenne comprenant des première et seconde sondes de couplage sensibles à des signaux électromagnétiques hyperfréquence à double polarisation linéaire en quadrature, polarisations dites horizontale et verticale, lesdites sondes étant reliées par paires à des circuits électriques de réception, de manière à créer ladite ouverture synthétique, caractérisé en ce que lesdites sondes de couplage horizontales et verticales d'éléments d'antenne successifs sont orientées dans ledit plan d'antenne, suivant chacun desdits axes, de manière à ce qu'au moins l'une desdites sondes, horizontale ou verticale, présente un déphasage de 180 degrés d'un élément d'antenne à l'autre, ledit décalage étant obtenu par une rotation séquentielle de degrés de ces sondes, et en ce qu'il est prévu, l'une desdits orientation d'élément d'antenne étant prise pour référence d'origine de phase, des moyens pour appliquer des déphasages de 180 degrés sur les sorties desdites sondes de couplage horizontales et/ou verticales, de manière à compenser lesdits déphasages de 180 degrés par rapport aux sondes de couplages correspondantes dudit élément d'antenne
de référence.
L'invention a encore pour objet l'application d'un tel système radiométrique pour l'observation de la surface
du globe terrestre en imagerie hyperfréquence.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de
la description qui suit en référence aux figures annexées,
parmi lesquelles: - la figure 1 illustre schématiquement un exemple de bloc diagramme d'un récepteur élémentaire recevant les signaux de sortie d'une paire d'éléments d'une antenne à synthèse d'ouverture; - la figure 2 illustre un des éléments d'un exemple d'antenne classique à synthèse d'ouverture; - la figure 3 illustre un premier exemple d'antenne à synthèse d'ouverture conforme à l'invention, dans une configuration unidimensionnelle; - les figures 4A et 4B illustrent un deuxième exemple d'antenne à synthèse d'ouverture conforme à l'invention, dans une configuration bidimensionnelle et sa fonction de visibilité, respectivement; - la figure 5 est un diagramme explicatif des interrelations existant entre des référentiels liés à une antenne embarquée sur un satellite et à une zone observée du globe terrestre; - et les figures 6A et 6B sont des courbes illustrant les caractéristiques des diagrammes de rayonnement
d'antennes, avec et sans les dispositions de l'invention.
Comme il a été indiqué, chaque élément d'une antenne réseau à synthèse d'ouverture est à polarisation double en quadrature. La figure 2 illustre schématiquement un exemple de réalisation d'un élément eAi (d'indice i arbitraire) d'une antenne réseau à synthèse d'ouverture classique. Cet élément a, dans l'exemple décrit, la forme d'une ouverture circulaire dans un substrat de faible épaisseur comprenant deux sondes de couplage, fV et fH, constituant les éléments actifs sensibles au rayonnement capté, pour les composantes
de polarisation verticale et horizontale, respectivement.
Ces sondes de couplage, ou "probes" selon la terminologie anglo-saxonne, sont connectés à des ports, un port vertical, ou "port V", et un port horizontal, ou "port H". Les signaux de sortie de ces ports sont transmis à des circuits de réception (de rang i), par exemple du type décrit en regard de la figure 1, via un commutateur électronique K pour un traitement séquentiel des deux composantes, H et V. Une antenne à synthèse d'ouverture est substantiellement plane et est constituée d'une pluralité de tels éléments, arrangés selon un réseau à une ou deux dimensions, et suivant une configuration particulière, par exemple pour former un réseau en forme de "Y" pour le radiomètre "MIRAS" précité. Les éléments eAi peuvent être équi-répartis dans le plan de l'antenne ou, au contraire, la répartition peut être conforme à une loi particulière (exponentielle, par exemple). En dehors du nombre d'éléments et de la configuration du réseau d'antenne, divers autres paramètres caractérisent ce réseau, et notamment les dimensions et formes des éléments d'antenne, le coefficient
de remplissage, et la distance moyenne entre éléments.
Une antenne à synthèse d'ouverture conforme à l'invention conserve la configuration générale d'une antenne
selon l'art connu.
La figure 3 illustre un premier exemple de réalisation d'antenne At' conforme à l'invention. Elle met en oeuvre des éléments d'antenne en soi classique, par
exemple du type de celui décrit en regard de la figure 2.
Dans l'exemple illustré sur la figure 3, l'antenne At' est une antenne à synthèse d'ouverture comprenant quatre éléments identiques, disposés linéairement
le long d'un axe A. Les éléments sont référencés eal à eA4.
Comme précédemment, ces éléments sont à polarisation linéaire double en quadrature. Pour ce faire, ils comprennent, chacun, une paire de sondes de couplage, horizontales: fHl à fH4, et verticales: fvl à fV4. Enfin, les sorties sont reliées à des ports, vertical (port V) et
horizontal (port H).
Cependant, l'antenne At' présente deux
caractéristiques importantes spécifiques à l'invention.
La première caractéristique consiste en une rotation séquentielle de 90 degrés des éléments d'antenne, eA1 à eA4, les uns par rapport aux autres, de façon plus précise des sondes de couplage. Les éléments d'antenne, eAl à eA4, étant supposés circulaires, la rotation s'effectue autour d'axes, A1 à A4, orthogonaux au plan de l'antenne At' et passant par
les centres de phase respectifs de ces éléments.
Puisque les sondes de couplage sont disposées à 90 degrés, et que les éléments d'antenne sont coplanaires et comportent, chacun, deux sondes de couplage, il existe quatre possibilités, et seulement quatre, de disposer ces
éléments d'antenne dans l'espace.
Dans l'exemple décrit, l'élément eA1 est disposé de telle sorte que la sonde de couplage verticale fVl soit dans le demi-plan supérieur et la sonde de couplage horizontale fHl soit dans le demi-plan droit (par rapport à la figure 3). L'élément eA2 est disposé de telle sorte que la sonde de couplage verticale fV2 soit dans le demi-plan supérieur et la sonde de couplage horizontale fH2 soit dans le demi-plan gauche. L'élément eA3 est disposé de telle sorte que la sonde de couplage verticale fV3 soit dans le demi-plan inférieur et la sonde de couplage horizontale fH3 soit dans le demi-plan droit. L'élément eA4 est disposé de telle sorte que la sonde de couplage verticale fV4 soit dans le demi-plan inférieur et la sonde de couplage
horizontale fH4 soit dans le demi-plan gauche.
Selon une deuxième caractéristique importante, les éléments actifs, c'est-à-dire les sondes de couplage, qu'elles soient horizontales ou verticales sont connectées à leurs ports respectifs, H ou V, soit directement, soit par
l'intermédiaire d'un déphaseur à 180 degrés.
L'un des quatre éléments d'antenne est pris comme élément de base, c'està-dire de référence pour les phases des signaux captés par l'antenne At', l'élément eA1, à titre d'exemple. La configuration de l'élément eA2 est une configuration "miroir" de l'élément eA1, par rapport à un axe vertical. Le port H effectuant la somme les composantes de polarisation horizontales de tous les éléments, il est nécessaire de déphaser les signaux de sortie de l'élément actif fH2 de 180 degrés, pour qu'ils soient en phase avec ceux provenant de l'élément eA1. Pour ce faire, on interpose un circuit déphaseur kH2 entre la sonde de couplage fH2 et le port horizontal H. De même, l'élément eA3 présente la configuration miroir de l'élément eA1 par rapport à un axe horizontal. On interpose un circuit déphaseur AV3 entre la sonde de couplage fV3 et le port vertical V. Enfin, l'élément eA4 présente la configuration miroir de l'élément eA1 par rapport à un axe incliné à 45 degrés. On interpose un circuit déphaseur OH4 entre la sonde de couplage fH4 et le port horizontal H et un circuit déphaseur OV4 entre la sonde de couplage fv4 et le port
vertical v.
Grâce à ces deux dispositions, les composantes de polarisation parallèle sont additionnées en phase, alors que les que les composantes de polarisation croisée sont additionnées en opposition de phase. L'amélioration constatée est de l'ordre de 30 dB, comme il le sera montré ci-après de façon plus détaillée, en regard de la
description d'un deuxième exemple de réalisation.
L'expérience montre en outre que la position relative des éléments d'antenne, eA1 à eA4, n'est pas déterminante. En d'autres termes, et à titre d'exemple, on pourrait tout aussi bien avoir la configuration suivante, le long de l'axe A: eA2, eAl, eA4 et eA3, sans que le résultat
obtenu soit sensiblement modifié.
Dans la réalité, une antenne à synthèse d'ouverture comprend un nombre d'éléments d'antenne beaucoup plus important que celui de l'antenne At' de la figure 3, cette configuration réduite n'ayant été décrite que pour illustrer
les caractéristiques essentielles de l'invention.
L'invention n'est pas non plus limitée à la réalisation d'antennes à synthèse d'ouverture à une dimension et on va maintenant décrire un exemple d'antenne à synthèse d'ouverture à deux dimensions, par référence aux figures 4A et 4B. La configuration générale de cette antenne est similaire à celle du radiomètre "MIRAS" précité. De façon plus précise, la configuration décrite est celle d'un modèle expérimental réalisé par la Demanderesse, configuration que l'on peut appeler "configuration réduite", car l'antenne At" ne comprend qu'un nombre réduit d'éléments d'antenne. La figure 4A illustre l'antenne At" en vue de dessus. La structure matérielle de l'antenne comprend un support 1 en forme de "Y", sur les bras duquel sont disposés les éléments d'antenne. Chaque bras, 11 à 13, supporte quatre éléments d'antenne, régulièrement espacés, eAll-eAl4, eA21-eA24 et eA31-eA34 respectivement. Ces éléments sont alignés sur trois axes, A1 à A3 respectivement, formant entre eux des angles de 120 degrés. Un treizième élément est placé au centre du "Y", à l'intersection des trois axes A1 à A3. Les éléments d'antenne sont à polarisation linéaire double en quadrature. Pour simplifier le dessin, on n'a pas référencé individuellement les sondes de couplage de chaque élément. On n'a pas représenté les ports H et V, ni les circuits électroniques (récepteurs) de traitement des signaux en provenance de toutes les paires d'éléments d'antenne pour reconstruire les points de la fonction de
visibilité (figure 4B).
L'expérience et le calcul montrent que la configuration d'antenne du type de celle du radiomètre "MIRAS", même réduite, est équivalente à un réseau de phase
identique à une antenne physique.
La fonction de visibilité est figurée sur le diagramme de la figure 4B, par rapport à deux axes orthogonaux Xy et XX. La valeur zéro est arbitrairement fixée au centre du "Y" et donc également de l'étoile. Sur cette figure, l'axe A2 est dirigé vers le bas et parallèle à
l'axe vertical du référentiel Xy.
Comme précédemment, selon la caractéristique principale de l'invention, on effectue, le long de chacun des axes, A1 à A3, une rotation séquentielle de 90 degrés d'un élément d'antenne à l'autre. L'ordre de rotation peut
être arbitraire.
Bien que le déphasage à 180 degrés n'ait pas été représenté et que les sondes de couplage n'aient pas été référencées, dans un but de simplification du dessin, il doit être clair que l'on prévoit des déphasages appropriés, de manière similaire à ce qui a été décrit en regard de la figure 3. Ces déphasages sont obtenus à l'aide de moyens de
traitement de données embraqués, à programme enregistré.
Naturellement, seuls sont concernés, pour cette deuxième caractéristique importante de l'invention, les treize éléments d'antenne réels centraux, eAll à eA34 et eAo, seuls
physiquement existants.
On va maintenant détailler les principales caractéristiques d'une antenne à synthèse d'ouverture et la manière dont elle fonctionne. Dans ce qui suit, on considère que le système radiométrique et son antenne, par exemple l'antenne At" considérée, sont embarqués sur un satellite du
type "LEO" précité tournant autour du globe terrestre GT.
La figure 5 illustre les principaux paramètres géométriques de référentiels associés à l'antenne At" et à une scène SO observée sur la surface du globe terrestre GT,
et les inter-relations qui existent entre ceux-ci.
On peut caractériser l'antenne At par un premier trièdre de référence EXYZ. E est le centre du plan PAC (axes XY) formé par les éléments d'antenne, et donc le centre de l'antenne At. L'axe, perpendiculaire au plan
d'antenne PAt, représente l'axe de visée de l'antenne At".
Le plan POr (axes YZ) représente le plan de l'orbite sur laquelle se déplace le satellite (non représenté). L'axe X
est parallèle au vecteur vitesse angulaire du satellite.
Le deuxième trièdre de référence, E'X'Y'Z', est lié à un élément de scène observée SO de la surface du globe terrestre GT, élément que l'on suppose plan. Z' est normal à la surface de l'élément SO. X' et Y' forment un plan, orthogonal à l'axe Z' et tangent localement au plan de l'élément SO. L'orientation de ces axes, X et Y, par rapport au plan de l'élément SO est indifférente. I' est le centre
de l'élément SO.
On relie les centres E et I' par un segment de droite et on appelle 0 et 0' les angles respectifs que forment les axes Z (axe de visée de l'antenne At) et Z',
avec ce segment de droite ZE'.
On va considérer également des axes passant par E et E', formant des angles 0 et 0', respectivement, avec les plans d'antenne PAt (axes XY) et X'Y', et se coupant en un point P du segment EZ'. On considère enfin que:
EP = Pl' = r = r'.
Les paramètres 0, 0, r, d'une part, et 0', O', r, d'autre part, permettent de définir un jeu de coordonnées sphériques. Le demi-espace des directions centrées sur l'axe de visée du radiomètre, c'est-à-dire de l'antenne At" est rempli essentiellement par le disque du globe terrestre GT, le reste étant constitué par le ciel dit froid. Le disque terrestre GT se comporte comme un corps dit thermiquement gris et le ciel froid comme un corps noir de température 2,7 K. La brillance spectrale venant de la terre dépend de la fréquence captée par l'antenne et des caractéristiques à la
fois de l'atmosphère et du sol, à l'endroit observé, c'est-
à-dire l'élément de scène SO.
Comme dans le cas des radiomètres conventionnels, la largeur de bande mesurée par un radiomètre à synthèse d'ouverture est généralement faible, de l'ordre de quelques
pour cent de la largeur de la bande des fréquences émises.
Le spectre de la scène est donc beaucoup important que la bande passante du radiomètre, et on peut considérer que la brillance spectrale de la scène est constante dans la gamme de fréquences mesurées. Pour établir une valeur particulière de la brillance spectrale à l'intérieur de la bande passante du radiomètre, on peut considérer la valeur de la fréquence
centrale, soit fo = c/2O.
D'autres assertions peuvent être formulées. Pour la corrélation spatiale, on suppose que l'émission thermique des points de la source est incohérente, c'est-à-dire que le facteur de cohérence complexe est une fonction delta spatiale. La fonction de cohérence mutuelle de la scène est
déterminée comme étant le produit de la fonction d'auto-
cohérence et du facteur de cohérence complexe.
Les deux composantes orthogonales de la polarisation du champ électrique sont supposées être un processus stochastique ergodique, obéissant à des statistiques de type gaussien complexe circulaire. Le radiomètre effectue une synthèse d'ouverture sur chacune des composantes de polarisation indépendamment l'une de l'autre. On peut donc considérer chaque composante à part. De plus, il est supposé que les lobes arrières du diagramme de rayonnement sont si peu énergétiques que le radiomètre n'est sensible qu'aux radiations provenant du demi-espace avant.
À partir de ces considérations et approximations admises, et compte tenu des conventions retenues en ce qui concerne les référentiels, on montre que la brillance spectrale de chaque élément de la scène observée est donnée par la relation suivante: BSP(f;, 8 ' (f) =f;ó', 0'BSP [1 + sgn(f)] (1), (; ') i\O;0 ' /bb\ O) 2 relation dans laquelle e(fo, 0', 0') est l'émissivité spectrale et BS(f) la brillance spatiale d'un corps noir à une température physique Tph, ces deux paramètres évalués à
la fréquence centrale fo de la bande passante du radiomètre.
La relation (1) peut s'écrire: sp(f,,) =kBph) [1 + sgn(f)] (2), avec kB constante de Boltzman. L'émissivité est évaluée à la
fréquence centrale fo.
A partir de cette relation, on peut calculer la
tension induite dans l'antenne par l'énergie rayonnée.
Si on considère l'élément d'antenne au centre du réseau d'élément (point E), le rayonnement d'un élément de surface de la scène SO induit une tension élémentaire qui, lorsque la sortie de l'élément d'antenne est refermé sur une
charge adaptée, est proportionnelle au champ électrique.
Cette tension élémentaire est donnée par la relation suivante: dv(t) =t GO Fn(, 0)|d4t - T(0 0); 0', 0'] (3), relation dans laquelle GO est la directivité de l'élément d'antenne, Fn(0,O) est le diagramme de rayonnement de tension normalisé et r(ó,9) est le délai associé à l'élément. Tous ces paramètres se réfèrent à l'une des deux composantes de polarisation du champ électrique (verticale
ou horizontale).
La direction définie par (ó', 8') et par (ó, 0) est la même. On a de plus r = r'. Enfin, il est possible de considérer que la plus grande dimension de l'antenne At est beaucoup plus petite que r ou r'. Il s'ensuit que ce qui est valable pour l'élément d'antenne central est aussi valable pour les autres éléments, en ce qui concerne les directions
et gammes définies dans le référentiel IXYZ.
Finalement, la tension totale due à la scène entière observée est égale à la sommation des tensions élémentaires induites par tous les éléments de la scène: v(t) = Stousdvd (I) = G o dv FJ(' O)k[t - 4, O); O' O] (4) Comme il a été rappelé, une antenne à synthèse d'ouverture est composée d'une pluralité d'éléments d'antenne. On va combiner maintenant les éléments d'antenne deux par deux. On attribue les indices arbitraires i et j aux éléments de chaque paire considérée, avec i et j supérieur ou égal à 1 et inférieur ou égal au nombre maximum d'éléments, chaque paire i, j d'éléments d'antenne
définissant une ligne de base.
On va définir les paramètres de coordonnées suivants: ó = sin 0 cos ó, et i7 = sin 0 sin ó, avec -ó représentant la coordonnée perpendiculaire à l'orbite et ii
la coordonnée parallèle à l'orbite.
La corrélation croisée entre les tensions de sortie de deux éléments d'antennes i et j obéit à la relation Fsisj(O) = k B G 8riJ( )$0, i J0 F;(, i)F;(, t) * I('r) e-n("+e)d:dn avec TB(ó, 7) la température de brillance telle que TB(, i) = Tph(, 7) e(ó, 7), u et v les composantes de lignes de base le long des axes X et Y du référentiel EXYZ (avec u = (xj xi)/Xo et v = (Yj - Yi)/XO), et Fi(ó,7) le diagramme de tension d'un élément d'antenne normalisée à sa valeur maximale Gi Si on considère un point source (fonction delta) selon une direction particulière (0o,'io) comme distribution de température de brillance, on obtient: k - Fsis-(O) = - Ri S(o) G, -] 8z RG
F.(40, 70)F(e0, 0) TB{ Y) e j2È (o +V o0) (6).
_2 - 12
La température de brillance estimée (réponse impulsionnelle) est obtenue par la transformée de Fourier inverse, en utilisant toutes les lignes de base. Des facteurs de pondération distincts peuvent être attribués à chacune des lignes de base, en particulier pour améliorer l'efficacité du faisceau. L'expérience a montré qu'un jeu particulier de facteurs permettait d'assimiler l'antenne à
un réseau de phase.
En utilisant le nombre redondant comme fonction de pondération, on obtient la relation suivante Ts(; =8 RiJ( ) = k 12 Go,,Goi F 7) =/o C iF(ro)e-2' ( (- )] N2n".t'2-,2 o0 N2 0Jtous(É,j) ( relation dans laquelle N est égal au nombre d'éléments du réseau. La réponse impulsionnelle de l'antenne At" suivant une direction (0o,io) est la même que celle d'un réseau physique avec les éléments d'antenne pointés (c'est-à-dire
en phase) dans la même direction (0o,9o).
Comme il a été rappelé, le radiomètre "MIRAS" précité mesure les deux composantes de polarisation, verticale et horizontale, de façon séquentielle, à l'aide d'un commutateur électronique K (figure 2). La tension analytique d'un circuit ouvert, à la sortie de polarisation H du commutateur K de rang arbitraire i, est donnée par la relation suivante: v (t) = vH( + aiv(t) (8) 1 lï7V relation dans laquelle c représente le coefficient de polarisation croisée dû au comportement non idéal de l'antenne At" et à une isolation électrique des commutateurs
de polarisation généralement limitée.
Si on effectue la corrélation croisée des tensions d'éléments de rangs arbitraires i et j, on obtient: rV.,H =i r HvH(r) + a jarFvvv(r) (9), i J 13 i3 la corrélation croisée entre les composantes des
polarisations H et V étant supposée nulle.
La relation (10) montre que la réponse impulsionnelle, avec le commutateur positionné en H, est égale à la superposition de la réponse impulsionnelle en H et de la réponse impulsionnelle en V, cette dernière étant atténuée par les coefficients de polarisation croisée des
éléments d'antenne.
En résumé, la réponse impulsionnelle en polarisation parallèle et croisée de deux polarisations linéaires est la
même que celle d'un réseau identique à l'antenne physique.
Cette constatation permet d'étudier les performances des
antennes en utilisant des outils classiques.
On va maintenant montrer l'effet de la rotation séquentielle, conforme à l'une des caractéristiques principales de l'invention, sur les performances de
l'antenne At".
Le diagramme de tension de rayonnement du réseau de phase, VT(u, v) est obtenu en multipliant le diagramme d'un élément unique Vn(u,v) par le facteur de réseau
correspondant à la configuration initiale du radiomètre.
VT(u, v) obéit à la relation suivante: Aeff v j2z(,(-Uo)+Y,,(V- Vo))
1VT(Uy) = v (U V-u)eJ((-")+ (10),-
f n=! relation dans laquelle Aeff représente l'aire effective d'un élément unique, xn et yn sa position sur le réseau, et (u,v) ses coordonnées sphériques projetées en champ lointain. La relation (10) peut être exprimée en termes de puissance, comme il ressort de la relation suivante: v;(uv) Aeff [ I2 ST (U, V) - VT (u, v) -ZO ---Z0N2 n=1 ZVp(u, v)v* (u, v)ei2[(XP -x)(U-U)+(Y -Yq)(v-V)] (11) Pq p*q La relation (11) est directement comparable avec la relation (7), en substituant (u,v) à (x,y) et (,i7) à (u,v), à l'exception d'une constante et d'une valeur de décalage ("offset"). Cette correspondance montre bien l'équivalence de l'antenne avec un réseau de phase. Les différentes directions de faisceau (0o,qo) sont obtenues à l'aide d'un
réseau de conformation de faisceau additionnel.
On va se reporter de nouveau à la configuration
d'antenne At" de la figure 4A.
Pour fixer les idées, les éléments d'antenne ont un diamètre de 103 mm, la séparation entre éléments est de 0,89 X (avec X = 21 cm à la fréquence centrale) et le facteur de remplissage pour la configuration réduite décrite
(13 éléments) est de 0,21.
Des simulations ont été effectuées, avec et sans rotation des éléments d'antenne. Elle confirment des résultats théoriques qui peuvent être dérivés des relations
rappelées ci-dessus.
A titre d'exemple non limitatif, le diagramme de la figure 6A illustre l'amplitude normalisée (en dB) du diagramme de rayonnement de l'antenne illustrée par la figure 4A, pour le port H, en fonction de 0 (de part et d'autre de l'axe de visée Z: figure 5), ce pour 0 = 0 degré
(voir figure 5).
Sur cette figure 6A, on a représenté en trait plein, la courbe du gain pour la composante de polarisation parallèle, en traits pointillés, la courbe du gain pour la composante de polarisation croisée, sans rotation des éléments d'antenne, et en trait mixte (tirets et points), la courbe du gain pour la composante de polarisation croisée,
avec rotation des éléments d'antenne.
Lorsqu'on applique une rotation séquentielle des éléments d'antenne, conformément à l'invention, on constate une atténuation très importante de l'amplitude de la composante de polarisation croisée, en particulier pour des régions proches de l'axe de visée. L'amplitude de la composante de polarisation croisée est pratiquement négligeable pour des angles compris entre 15 degrés autour
de l'axe de visée L'amplitude reste faible (inférieure à -
dB) pour des angles compris entre 30 degrés.
Le diagramme de la figure 6B illustre l'amplitude normalisée (en dB) du diagramme de rayonnement dans les mêmes conditions, à l'exception du fait que l'angle 0 est
égal à 90 degrés.
On constate également un très fort affaiblissement de l'amplitude de la composante de polarisation croisée pour des angles compris entre 15 degrés autour de l'axe de visée. L'amplitude reste faible (inférieure à 40 dB) pour des angles compris entre 25 degrés et toujours inférieure
à celle obtenu pour une configuration sans rotation.
Les simulations effectuées ont montré qu'il est possible d'obtenir également d'excellents résultats dans d'autres configurations de pointage de l'antenne At". Il en est de même pour le port V. A la lecture de ce qui précède, on constate aisément
que l'invention atteint bien les buts qu'elle s'est fixés.
Il doit être clair cependant que l'invention n'est pas limitée aux seuls exemples de réalisation qui ont été explicitement décrits, notamment en relation avec les
figures 3 à 6B.
Comme il a été indiqué, l'invention est compatible aussi bien avec des antennes à synthèse d'ouverture unidimensionnelle, que bidimensionnelle. Dans ce dernier cas, les configurations possibles ne se limitent pas à la seule décrite, à savoir une antenne dont les éléments d'antenne sont équi-répartis sur les trois branches d'un "Y", même si les résultats obtenus avec cette dernière configuration sont particulièrement intéressants. On peut envisager de nombreuses autres configurations, notamment en "T" ou en "U", configurations convenant parfaitement à un
système de radiométrie embarqué sur un satellite.
Les éléments d'antenne ne sont pas obligatoirement équi-répartis dans le plan de l'antenne mais peuvent au contraire être répartis sur la base d'une loi particulière: loi exponentielle, etc. En outre, les valeurs numériques n'ont été précisées que pour fixer les idées. Elles dépendent essentiellement de l'application précise visée. C'est en particulier le cas des dimensions des éléments d'antenne, de leur nombre total, du taux de remplissage, de la fréquence centrale, etc. Enfin, les déphasages à 180 degrés sont obtenus en faisant appel à des moyens de traitement de données embarqués, à programme enregistré. Les déphasages sont réalisés en temps réel lors des étapes de corrélation croisée. Il doit être clair aussi que, bien qu'elle soit particulièrement adaptée à la mesure du taux d'humidité des sols et à la salinité des océans, on ne saurait cantonner l'invention à ce seul type d'applications. Elle s'applique à chaque fois que l'on doit capter le rayonnement émis dans une ou plusieurs bandes hyperfréquences par une scène à observer en vue de mesurer un paramètre particulier par le
biais de ce rayonnement.
Claims (9)
1. Système radiométrique comprenant une antenne réseau du type à synthèse d'ouverture, ladite antenne étant constituée d'une pluralité d'éléments d'antennes, répartis dans un plan dit d'antenne selon une loi déterminée, suivant au moins un axe, chacun desdits éléments d'antenne comprenant des première et seconde sondes de couplage sensibles à des signaux électromagnétiques hyperfréquence à double polarisation linéaire en quadrature, polarisations dites horizontale et verticale, lesdites sondes étant reliées par paires à des circuits électriques de réception, de manière à créer ladite ouverture synthétique, caractérisé en ce que lesdites sondes de couplage horizontales (fHl-fH4) et verticales (fVlfV4) d'éléments d'antenne successifs (eAl-eA4) sont orientées dans ledit plan d'antenne (At'), suivant chacun desdits axes (A), de manière à ce qu'au moins l'une desdites sondes (fHl-fH4, fVl -fV4), horizontale ou verticale, présente un déphasage de 180 degrés d'un élément d'antenne à l'autre (eAl-eA4), ledit décalage étant obtenu par une rotation séquentielle de 90 degrés de ces sondes (fHl-fH4, fVl- fV4), et en ce qu'il est prévu, l'une desdits orientation d'élément d'antenne (eA1) étant prise pour référence d'origine de phase, des moyens pour appliquer des déphasages de 180 degrés (GH2, OV3, OH4, OV4 sur les sorties desdites sonde de couplage horizontales (fHl-fH4) et/ou verticales (fvl-fV4), de manière à compenser lesdits déphasages de 180 degrés par rapport aux sondes de couplages correspondantes (fHl-fVl)
dudit élément d'antenne de référence (eA1).
2. Système de radiométrie selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits éléments d'antenne (eAl-eA4) sont alignés sur un axe unique (A), de manière à former une antenne réseau à synthèse d'ouverture
unidimensionnelle (At').
3. Système de radiométrie selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits éléments d'antenne (eAO, eAll-eA34) sont alignés sur au moins deux axes (A1-A 3), de manière à former une antenne réseau à synthèse d'ouverture bidimensionnelle (At") et en ce que ladite rotation séquentielle s'effectue suivant chacun de ces
axes (A1-A3).
4. Système de radiométrie selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits éléments d'antenne (eAll-eA34) sont répartis en trois sous-ensembles disposés chacun sur un bras support (11-13), lesdits bras étant alignés sur trois axes (A1-A3), en ce qu'un élément d'antenne supplémentaire (eAo) est disposé à l'intersection desdits trois axes (A1-A3), et en ce que ces axes forment entre eux des angles de 120 degrés, de manière à ce que ladite antenne présente une configuration
en "Y".
5. Système de radiométrie selon l'une quelconque
des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits
éléments d'antenne (eA0, eAll-eA34) sont équi-répartis
suivant lesdits axes (A1-A3).
6. Application d'un système de radiométrie selon
l'une quelconque des revendications 1 à 5 à l'imagerie
hyperfréquence.
7. Application d'un système de radiométrie selon la revendication 6, caractérisée en ce que, ladite antenne (At") étant embarqué sur un satellite tournant sur une orbite terrestre et captant le flux énergétique émis par au moins une zone (SO) du globe terrestre (GT) dans la gamme des hyperfréquences, toutes les combinaisons possibles de paires signaux (VeAi, VeAj) délivrés en sortie desdites sondes de couplage (fHl-fH4, fVl-fV4), pour chacune desdites polarisation verticale et horizontale, sont transmises, deux à deux, en entrée de circuits électroniques de réception, et en ce que chacun desdits circuits électroniques de réception traite les signaux reçus (VeAi, VeAj), de manière à calculer un point d'une fonction dite de visibilité de ladite zone (SO) du
globe terrestre (GT).
8. Application d'un système de radiométrie selon la revendication 7, caractérisée en ce que les signaux de sortie desdites sondes de couplage horizontales (fúHl-fH4) et les signaux de sortie desdites sondes de couplage verticales (fVl-fV4) sont transmises séquentiellement, via un commutateur électronique (K), auxdits circuits
électroniques de réception.
9. Application d'un système de radiométrie selon
l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en
ce que lesdits signaux électromagnétiques sont compris dans la bande "L" et sont centrés sur une longueur d'onde
de 21 cm.
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| US7460063B2 (en) | 2006-06-16 | 2008-12-02 | Agence Spatiale Europeenne | Interferometric radiometer |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2788133B1 (fr) | 2003-05-02 |
| US6307502B1 (en) | 2001-10-23 |
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