FR2840474A1 - Formations orientees le long du trajet de satellites sar - Google Patents

Abstract

L'invention conceme un ensemble de plusieurs instruments, comportant au moins émetteur et au moins un récepteur de signal issu d'un émetteur après réflexion au sol, caractérisé en ce quedes échantillons de signal reçus par un récepteur particulier et issus d'un émetteur particulier, l'émetteur et le récepteur formant une paire, sont ajoutés en mode complexe aprés avoir reçu une avance temporelle correspondant, au moment milieu entre l'émission de l'échantillon et sa réception, au supplément de temps de double trajet entre le point milieu entre l'émetteur et le récepteur et un point particulier au sol par rapport au temps de trajet le plus court existant entre ces deux points lors du parcours du point milieu le long d'un tronçon de trajectoire, et en ce quel'addition est répétée sur plusieurs paires se différenciant par l'émetteur ou le récepteur, les résultats étant additionnés en complexe, et en ce queles points milieux de toutes les paires parcourent sensiblement un même tronçon de trajectoire dans un repère local, l'ensemble des additions ne portant que sur des échantillons dont le point milieu au moment milieu se trouve dans le tronçon.

Description

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DOMAINE TECHNIQUE GENERAL.

La présente invention concerne les ensembles d'instruments pour des observations du sol.

Plus précisément, elle concerne des instruments montés sur des trains de satellites du type Radar à Synthèse d'Ouverture RSO ou Synthetic Aperture Radar (SAR) selon la terminologie anglo-saxonne généralement utilisée ETAT DE L'ART.

La surface d'antenne est un élément clef de performance d'un SAR spatial et de sa complexité.

Sur un plan théorique on sait que la partage d'une même surface entre N petit instruments répartis le long de l'orbite permet d'obtenir l'équivalent d'un seul SAR à performances accrues par N.

Mais cela s'accompagne de tellement fortes contraintes sur le contrôle mutuel des positions que cela n'est pratiquement réalisable qu'en accolant les instruments au sein d'un même corps, et encore avec une forte limite sur N.

PRESENTATION DE L'INVENTION.

L'invention propose de pallier ces inconvénients.

L'invention propose cette répartition sur des satellites distincts grâce entre autres un choix de forme d'onde qui contourne les contraintes de positionnement.

De ce fait il devient possible à la fois de répartir les contraintes d'antenne technique de surface d'antenne sur N objets plus petits et d'augmenter par N la performance.

A cet effet, l'invention propose Ensemble de plusieurs instruments, comportant au moins émetteur et au moins un récepteur de signal issu d'un émetteur après réflexion au sol, caractérisé en ce que des échantillons de signal reçus par un récepteur particulier et issus d'un émetteur particulier, l'émetteur et le récepteur formant une paire, sont ajoutés en mode complexe après avoir reçu une avance temporelle correspondant, au

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moment milieu entre l'émission de l'échantillon et sa réception, au supplément de temps de double trajet entre le point milieu entre l'émetteur et le récepteur et un point particulier au sol par rapport au temps de trajet le plus court existant entre ces deux points lors du parcours du point milieu le long d'un tronçon de trajectoire, et en ce que l'addition est répétée sur plusieurs paires se différenciant par l'émetteur ou le récepteur, les résultats étant additionnés en complexe, et en ce que les points milieux de toutes les paires parcourent sensiblement un même tronçon de trajectoire dans un repère local, l'ensemble des additions ne portant que sur des échantillons dont le point milieu au moment milieu se trouve dans le tronçon.

L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - les instruments sont portés par des satellites autour d'un astre ; - les plans d'orbite contiennent les pôles de l'astre, les paramètres d'orbite étant sensiblement les mêmes, mis à part l'ascension droite et l'anomalie vraie, la différence d'anomalie entre deux instruments et la différence d'ascension droite étant dans le rapport négatif des périodes dans un repère galiléen de rotation de l'astre et de l'orbite ; - les échantillons sont émis de manière périodique, deux positions sur le tronçon du point milieu aux deux moments milieu correspondant à la réception de deux échantillons successifs pour une même paire, d'autres positions de point milieux correspondant à des échantillons d'autres paires se trouvent répartie de manière périodique ; - pour un groupe d'au moins deux paires, le signal est émis et reçu de manière continue sur au moins une partie du tronçon, l'addition des échantillons d'une même paire correspondant à au moins une séquence continue d'intégration, l'avance temporelle appliquée au signal avant intégration étant également continûment variable, l'intégrale hors du pic central de la fonction d'autocorrelation en temps et fréquence du signal émis, multipliée par la fonction de gain d'antenne de l'instrument représentée dans un espace temps fréquence, où d'une part le temps est la

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variation de temps de trajet aller et retour entre l'antenne et un point au sol lorsque que ce point est décalé de l'axe visé par l'antenne par une rotation orthogonale à l'axe visé et à la verticale de l'instrument, et où d'autre part la fréquence est la variation de doppler double trajet engendré par un décalage du point issu d'une rotation autour de la verticale à l'instrument, est dominée par la part de cette intégrale limitée à l'espace temps/fréquence correspondant à l'ouverture à 3dB de l'antenne ; - le signal est une fréquence pure modulée en phase entre Pi et-Pi selon une série binaire aléatoire ; - le signal continu utilise des formes d'onde décorrélées entre les paires ; - le signal continu est périodique et utilise la même série de signal pour les paires du groupe ; - les distances sur la trajectoire entre les positions du point milieu d'une même paire correspondant à deux émissions successives d'un même élément de la série sont sensiblement égales entre paires du groupe, les points milieux des autres paires correspondant à l'émission du même élément de signal étant répartis aléatoirement sur cette distance ; - la longueur du tronçon est un multiple de la distance sur la trajectoire entre les positions du point milieu d'une même paire correspondant à deux émissions successives d'un même élément de la série ; - plusieurs paires utilisent un même émetteur ; - plusieurs émetteurs sont présents, les paires partagent un même émetteur formant un même groupe, - les signaux de groupes distincts sont décorrélés ; - pour plusieurs paires utilisant un même émetteur, l'émetteur a sa période de répétition des échantillons asservie à (2K+1)V/2D où K est un entier quelconque et D est la mesure de la distance entre deux points milieux de deux paires ; - la mesure D est établie par un système de télémétrie directe entre les deux récepteurs des deux paires considérées.

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PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit qui est purement illustrative et non limitative et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente une déviation de phase par rapport à la connaissance du relief ; et - la figure 2 représente un train de N satellites (N-1 récepteurs seulement).

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION.

Les différents modes de réalisation sont tous basés sur un vol N SAR sur un même arc orbital tel que vu du sol et un cas particulier est lorsque les N SAR sont en visibilité, un seul étant en émission.

Un rappel est d'abord effectué des relations s'appliquant dans le SAR standard entre l'aire d'antenne minimale et le facteur de mérite maximum (rapport entre la fauchée et la résolution d'azimut). Différents avantages d'un train de SAR sont ensuite présentés en fonction de l'affectation d'espacement, des contraintes acceptables pour la conservation de l'information (sur et le long d'une trajectoire), de la connaissance du terrain et des formes d'ondes considérées.

Tous les concepts mettent en oeuvre une combinaison cohérente des N SAR et procurent au moins un avantage d'addition d'énergie.

1 ) Une première catégorie de trains maintiennent inchangée l'aire d'antenne minimale et procure un avantage du facteur N qui s'applique, selon le cas, au SNR, et du niveau d'ambiguïté, au facteur de mérite, ou autant de d'intégration. La contrainte de formation principale est la largeur du tube contenant les trajectoires de satellites sur un référentiel terrestre. La multiplication par N de la canalisation d'antenne principale est l'autre contrepartie de ces avantages, même si l'aire d'antenne d'émission peut être maintenue inchangée lorsqu'un SAR unique transmet (cas de la visibilité).

2) Une seconde catégorie de trains permettent la répartition d'une aire d'antenne minimale totale inchangée dans N antennes élémentaires plus petites, avec la multiplication par N du facteur de mérite. En ce qui

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concerne la première catégorie et pour une connaissance de terrain donnée, la contrainte de largeur du tube de formation est accrue, de plus, l'application pour N>2 introduit des contraintes supérieures sur l'espacement des orbites.

L'introduction de formes d'ondes nouvelles et appropriées supprime les contraintes d'orbites supplémentaires introduites par la seconde catégorie et autorise l'extension de la seconde catégorie à une valeur quelconque de N.

Un train de N SAR en visibilité facilite la métrologie de la formation (DGPS) et le rendement énergétique global est accru de N car avec un SAR en émission unique, les mêmes performances sont obtenues. De plus, les contraintes d'orbites sont diminuées de 2.

En tant que partie de ces applications, le concept peut éliminer le problème des tailles d'antennes importantes pour une mission SAR en bande P ou à très haute altitude, d'autant plus que dans ce cas, les contraintes de largeur de tube de formation sont réduites (fonction de # et de l'altitude).

1 Introduction L'homme du métier connaît les facteurs de dimensionnement.

2 Un train de N SAR monostatiques 2. 1 Avantage fondamental : addition d'énergie
On suppose que les N satellites SAR volent sur une même trajectoire orbitale au-dessus d'un point au sol donné à des instants différents tp. Ils fournissent N antennes synthétiques identiques focalisées sur le point à des instants différents. L'addition des N passages de la même antenne (synthétique) procure une amélioration de N de l'économie d'énergie et du SNR.

On effectue maintenant un examen plus détaillé pour améliorer la compréhension et découvrir les autres propriétés et avantages de ces trains SAR.

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2. 2 Modélisation sous la forme d'un réseau d'antennes de N éléments
On utilise la représentation statique d'une sortie d'antennes synthétiques par l'addition sur l'arc orbital de S échantillons de signaux identiques reçus par l'antenne réelle dans la position S sur l'arc orbital et précédemment corrigés par rapport à la variation de portée sur le pixel traité. Cette correction provoque inscription circulaire de l'arc orbital autour du pixel. L'addition des N antennes synthétiques peut en conséquence être considérée comme une première addition de N échantillons provenant de SAR différents et précédemment corrigés, puis d'une seconde addition des échantillons composites sur l'arc orbital. L'échantillon corrigé composite est équivalent à l'échantillon fourni par un simple réseau d'antenne dont les N éléments sont les antennes des N SAR situés au N points d'échantillonnage. Grâce à la correction du traitement, ce réseau peut être considéré comme circulaire et automatiquement adapté et orienté en faisceau vers le pixel traité. Pour cette équivalence de réseau, on suppose que le signal transmis d'un élément donné n'est pas reçu par un autre. La manière dont les échantillons sont sélectionnés sur l'arc orbital N avant d'être combinés en un échantillon composite est sans importance à condition qu'à la fin de l'addition, aucun des NS échantillons n'ait été oublié et aucun n'ait été compté plusieurs fois (aucune amélioration n'est attendue par plusieurs additions du même échantillon de bruit). En conséquence, selon cette modélisation, le réseau d'antennes peut être considéré comme d'une géométrie et longueur quelconque, la géométrie peut varier pendant l'addition de l'arc. On peut même oublier le modèle SAR classique avec une antenne volant régulièrement. Lorsqu'un élément d'un long réseau mobile atteint l'extrémité de l'antenne synthétique, il est nécessaire de le remplacer par un nouveau entrant dans l'arc par l'autre extrémité et le vol du réseau peut continuer avec la nouvelle géométrie. À la fin, tous les éléments ont subi la totalité de l'antenne synthétique et pas plus. Ce saut de réseau est nécessaire pour représenter la réalité de la combinaison de signal et le traitement, mais ne modifie pas la compréhension que l'on obtient à partir

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d'une géométrie de réseau fixe quelconque. En fait, le décalage arrière d'un élément selon une distance égale à la longueur de l'antenne synthétique ne modifie pas le parcours aller et retour à partir de l'élément et le pixel traité en raison de la correction SAR et modifie ceux des autres pixels et les ambiguïtés d'un multiple de #.

On notera que tout ce qui a été dit jusqu'à présent suppose une forme d'onde impulsionnelle récurrente standard ou au moins que les échantillons de signal soient identiques. Pour une autre forme d'onde, l'échantillon de signal peut varier le long de l'arc. Il est nécessaire que le modèle de réseau combine des échantillons identiques pour conserver la signification physique d'un réseau d'antennes. En conséquence, ceci ne fonctionne que si les N formes d'ondes SAR sont identiques et selon une géométrie où les séparations des éléments correspondent aux distances de resynchronisation, c'est-à-dire à la distance de déplacement d'une antenne pour trouver une autre antenne recevant le même signal à ce moment ou à un autre moment. De plus, l'application des propriétés de réseau sur la totalité de la longueur d'antenne synthétique, quelle que soit la longueur du réseau, suppose que la durée du vol sur l'antenne synthétique est égale à ou est un multiple de la périodicité de la forme d'onde.

2. 3 Séparation SAR aléatoire et réduction d'ambiguïté
Puisque les N trains d'impulsions ne sont pas synchronisés, les N échantillonnages ont peu de chances de se superposer, sauf si par hasard le retard de passage tp-tp, est un multiple de la période de répétition 1/PRF.

On appelle sections les intervalles d'échantillonnage d'un SAR donné pO. La longueur de section PRF/V est normalement un bit plus petite que la moitié de la longueur d'antenne. On trouve dans une section une répartition de N-1 autres échantillons effectuée ultérieurement ou précédemment avec un retard (tpo-tp). On considère pour un instant, un modèle de réseau avec les N éléments d'une même section.

Pour une antenne synthétique normalement échantillonnée à V/PRF, les directions ambiguës sont tournées de k # PRF/2V. Ici, l'ambiguïté k est

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reçue par un réseau de N éléments en fonction d'une différence de portée entre les éléments consécutifs, qui est une partie de k#, car l'espacement des éléments est une partie de V/PRF. Pour N grand (>30) on peut supposer que la répartition du réseau est aléatoire. En conséquence, les N contributions de chaque ambiguïté sont additionnées de façon non cohérente, tandis que les N contributions du pixel traité sont additionnées de façon cohérente. Avec l'amélioration de N du SNR, il existe une amélioration de N de la protection contre l'ambiguïté.

2. 4 Espacement précis de SAR (modulo V/PRF), multiplication du facteur de mérite et répartition de contrainte du réseau d'antennes 2. 4.1 Compréhension de l'échantillonnage d'antenne synthétique
Si l'espacement dans le réseau est maintenant fixe et égal à V/NPRF, c'est-à-dire que si l'espacement réel entre un satellite et chacun des p autres est
K V/PRF + p V/NPRF avec K indéterminé, la longueur de l'antenne peut être réduite de N et la résolution d'azimut peut être accrue de N sans aucun impact sur l'ambiguïté.

En fait, la superposition de N échantillonnages constituent une antenne synthétique unique dont l'intervalle d'échantillonnage est réduit de N et la longueur d'antenne peut en conséquence être réduite de N.

2. 4.2 Compréhension du réseau d'antennes
Une seconde manière de comprendre consiste à observer que l'ambiguïté k est reçue N fois selon une répartition de déviation de portée de
2. p V/NPRF. k , PRF/2V = pk#/N, avec p = 0 à N-1. La sommation complexe est nulle sauf pour k multiple de N, où l'addition est cohérente. En conséquence, la première ambiguïté réelle est N fois plus grande et l'antenne sur l'ouverture de trajet peut être élargie d'un facteur N et la résolution améliorée de N.

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Les ambiguïtés sont ici additionnées de façon cohérente comme pour le signal. Toutefois, sans la réduction de longueur d'antenne, il existe toujours une réduction d'ambiguïté, car le nombre d'ambiguïtés est réduit de N. Avec la réduction d'antenne on revient à la situation d'origine après avoir tout augmenté : antenne réelle et synthétique, espacement des ambiguïtés, en conséquence la protection contre l'ambiguïté n'est pas améliorée. Un choix doit être effectué entre l'amélioration du facteur de mérite et celui de la protection contre l'ambigu'ité.

2. 4.3 Compréhension du mode projecteur automatique
Nous pouvons disposer d'une troisième compréhension. Pour cela, il est nécessaire de considérer un nouveau modèle de réseau d'antennes dérivé du précédent par le remplacement des échantillons impairs par l'échantillon du même SAR effectué à la section précédente. On dispose d'un nouveau réseau augmenté d'un facteur de 2, les éléments consécutifs sont maintenant espacés de 2V/NPRF. Le réseau est équivalent à une antenne unique avec une longueur relativement égale à 2V/PRF, dont le faisceau est automatiquement dirigé vers le pixel traité. La direction assure un temps d'illumination et en conséquence une résolution équivalente à une antenne N fois plus courte, PRF et en conséquence la fauchée sont inchangés. Ceci est équivalent à un mode projecteur effectué ici automatiquement et en permanence sur tous les pixels sur le trajet (aucune limitation de longueur d'image comme pour un projecteur standard quelconque). Au milieu d'une quelconque antenne synthétique, les ambiguïtés sont situées dans les parties nulles du diagramme d'antenne réel pour toutes les déviations angulaires # PRF/2V. Ici, en raison de la direction automatique, cette annulation est applicable tout le long de l'antenne synthétique. Toutefois, comme pour un réseau quelconque, notre réseau produit des lobes de diagramme en présence de changement de direction. Ils sont espacés de , (échantillonnage de réseau), c'est-à-dire ici, de # NPRF/2V et modulés par le réseau d'antennes réel. Le résultat d'ambiguïté est équivalent à ce qui a déjà été présenté précédemment :

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seules les ambiguïtés d'un multiple de N sont présentes et sont vues par l'intermédiaire du diagramme d'antenne réel agrandi d'un facteur N.

2. 4.4 Mérites de concept
Plutôt que de réduire la longueur d'antenne on peut également considérer un réseau équivalent N fois plus long que l'antenne réelle, permettant une réduction de PRF et une réduction de la hauteur d'antenne et une augmentation de la fauchée de N pour une condition d'ambiguïté de portée égale.

La réduction de N de la taille d'antenne réduit de N2 le niveau de l'échantillon élémentaire recueilli par chaque antenne à la fois pour son utilité et sa contribution ambiguë. Malgré l'amélioration de N du SNR, ce dernier est toujours N fois plus faible que celui qui est disponible sur chaque SAR avec la taille d'antenne et le facteur de mérite d'origine.

On peut alors résumer le concept et énoncer qu'un entrelacement régulier de l'échantillonnage des N SAR permet simultanément : - une amélioration de n du facteur de mérite - une réduction de N de la taille d'antenne ou en d'autres termes, une répartition d'une aire d'antenne totale minimale inchangée en N plus petites parties.

- une dégradation de N du SNR - une augmentation de N du volume de données de SAR entièrement justifiée par le fait que les données utiles sont également multipliées par N.

On notera que la seule autre manière d'augmenter le facteur de mérite doit être d'avoir N antennes T/R indépendantes formant l'image de N fauchées juxtaposés et nécessitant une aire d'antenne totale N fois plus grande.

2. 5 Forme d'onde de spectre étalé, multiplication du facteur de mérite et répartition de contrainte d'aire d'antenne
On verra ultérieurement que l'approche d'espacement de SAR précis apporte des contraintes importantes sur la formation.

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Comme représenté par l'annexe 1, une forme d'onde de spectre étalé continu peut être utilisée en SAR. Les contraintes apportées par l'ambiguïté sur le facteur de mérite et l'aire d'antenne minimale sont pratiquement les mêmes que pour les formes d'ondes d'impulsions. Tous les autres pixels que ceux qui sont traités sont ambigus et l'énergie ambiguë est proportionnelle à l'ouverture de faisceau et en conséquence, à l'inverse de la taille d'antenne.

Si les N SAR utilisent des formes d'ondes différentes avec des fonctions d'ambiguïté de temps et de fréquence différentes, l'addition est cohérente pour les N contributions des pixels traités (ou corrélés) et non cohérente pour les N contributions provenant de l'un quelconque des autres pixels. En conséquence, la protection contre l'ambiguïté est améliorée de N ou l'aire d'antenne peut être réduite de N pour une protection inchangée contre l'ambiguïté et pour un avantage sur la résolution ou sur la fauchée et toujours pour un avantage de N sur le facteur de mérite.

Si N' parmi les N SAR utilisent une même forme d'onde et que les N' formes d'onde sont synchronisées sur l'arc orbital, à la fois les N' contributions des pixels traités et les N' contributions de chacun des autres pixels sont additionnées de façon cohérente. La combinaison des N' SAR apporte toujours une amélioration du SNR mais aucune amélioration de l'ambiguïté, en conséquence, il n'y a aucun moyen d'obtenir un avantage sur le facteur de mérite. Ceci peut être réalisé seulement entre l'un quelconque des N' SAR ou leur combinaison avec les N-N' autres SAR.

L'amélioration de facteur de mérite maximale est de N-N'.

Si les N' SAR ne sont pas synchronisés sur l'arc orbital, on considère la géométrie de réseau avec N' éléments observant une forme d'onde synchronisée. Ce réseau peut être plus grand que l'antenne synthétique.

Pour la combinaison de N SAR on considère ce réseau volant passant le long de l'antenne synthétique et on additionne les signaux des éléments seulement pendant le temps où ils sont présents dans l'antenne synthétique. Cette durée de survol est divisée en séquences temporelles s,, délimitées par l'entrée ou la sortie d'un élément. Chaque séquence

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temporelle est associée à un réseau entièrement à l'intérieur de l'antenne synthétique et qui est une portion du réseau N'. Toutes les séquences temporelles comportant un réseau d'éléments unique contribuent à la combinaison de N SAR avec un signal dont la forme d'onde n'est corrélée avec aucun des autres N SAR. On considère la séquence temporelle sin associée au réseau le plus court de plus d'un élément. Si sa longueur est une partie 1/p,o de l'antenne synthétique, les contributions ambiguës de ses n,o éléments peuvent être non cohérentes seulement pour la direction décalée de plus de pi0 fois l'azimut, c'est-à-dire pour une partie (1-1/pi0) de l'ouverture d'antenne. La réduction de l'énergie ambiguë recueillie pendant cette séquence ne peut pas être meilleure que (1-1/pi0)/nio. Pour obtenir le facteur de réduction de 1/ni pour l'ensemble des séquences et la même ambiguïté ou amélioration de facteur de mérite qu'avec N formes d'ondes non corrélées, il est nécessaire de satisfaire l'une ou l'autre des conditions suivantes : - p,o très proche de 1. Ceci correspond en fait au cas observé précédemment, où les formes d'ondes vues le long des antennes synthétiques sont toutes distinctes.

- les N' formes d'ondes sont périodiques et désynchronisées de façon aléatoire, la longueur de récurrence de l'arc orbital étant une fraction entière 1/p de l'antenne synthétique. Dans ce cas, l'énergie ambiguë est concentrée dans un peigne de lignes Doppler espacées de p pixels d'azimut. Le réseau N' ait réparti le long de la récurrence et produit une sommation non cohérente entre ces éléments pour des déviations supérieures à p pixels, c'est-à-dire pour toute l'énergie ambiguë. Puisque p est un entier, la même propriété du réseau N' peut être considérée tout au long de l'antenne synthétique, car un élément de tri peut être remplacé par le même élément lorsqu'il a été entré. (Voir le paragraphe 2. 2). Sinon, avec p non entier, l'avantage du facteur N' s'applique seulement tant que le réseau est entièrement à l'intérieur de l'antenne synthétique, ou le long d'une antenne synthétique entièrement nouvelle rétrécie de deux fois la longueur de récurrence.

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3 Connaissance et commande de la géométrie de formation
Les N SAR ne volent pas exactement sur le même arc orbital dans un référentiel terrestre et ne respectent pas exactement l'affectation de position relative, s'il y a lieu, le long de l'arc orbital.

On suppose que les N trajectoire SAR sont réparties de façon aléatoire dans un tube d'une largeur de co (3 #).

L'angle à deux états (dN/portée de radar) doit être petit par rapport à l'excursion totale de l'angle d'observation du pixel (longueur d'antenne).

3. 1 Exemple de mise en oeuvre de train de SAR orbital
Les N satellite utilise des orbites polaires réelles avec des paramètres identiques saufs le noeud ascendant et l'anomalie. Pour deux SAR quelconque, le rapport entre les déviations entre le noeud ascendant # et les déviations entre les anomalies i est égal à l'inverse du produit du rapport entre la période de la terre Te et les satellites Ts par le rapport.

En fait, pour une latitude L donnée, les trajectoires sur une terre sans rotation sont séparées de R Cos(L) ##. Pendant le retard de temps Ts #i/(2#) entre les deux passages à la latitude L, le mouvement réel de la terre à la latitude L est de-R Cos (L) Ts Ai/Te. En conséquence, les deux satellites passent au-dessus du même point si Ts/Te = -AQ/Ai.

3. 2 Conditions de base pour une addition de signaux cohérente
On suppose que le vecteur de déviation entre deux points d'échantillonnage combinés provenant de deux SAR différents peut être considéré comme invariable le long de l'antenne synthétique. Elle possède 3 composantes. L'une se trouve le long de l'antenne synthétique et est corrigée en termes de déviation de retard par rapport au pixel traité par la correction de traitement SAR. L'une est coplanaire avec la ligne de visée et alignée avec celle-ci au milieu de l'antenne synthétique et correspond à une différence de distance globale entre le pixel traité et les antennes

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synthétiques. La troisième est orthogonale à la fois par rapport au vecteur vitesse et à la ligne de visée et est appelée base interférométrique. La seconde composante prise seule fournit une différence de phase entre les sorties d'antennes synthétiques communes sur une partie significative de la fauchée pouvant être facilement identifiée par moyennage et éliminée, mais l'effet de la base interférométrique doit être corrigé en premier.

Si la base interférométrique est grande, les échantillons provenant d'un même pixel ne sont pas tous cohérents, cette première limite de travail est celle de la InSAR (interférométrie transversale) et est présentée comme étant directement liée à la résolution de portée. Puisque les présents concepts ont pour but d'améliorer le SNR ou le facteur de mérite, on peut supposer qu'ils sont appliqués dans un contexte de résolution relativement bonne. En conséquence, cette frontière ne limite pas réellement le domaine d'application du concept AN + référence + analogie antenne pixel.

Toutefois, avec cette limite grossière, la différence de phase entre deux contributions SAR à partir d'un pixel traité varie sur la fauché et peut être corrigée à condition que le relief soit connu. La figure 2 fournit la sensibilité de différence de phase par rapport à la précision de connaissance du relief et à la base interférométrique.

Les corrections sont effectuées pour chacun des N SAR par rapport à une trajectoire de référence et virtuelle au centre du tube. Les bases interférométriques par rapport à cette trajectoire de référence sont aléatoires, avec une valeur moyenne nulle et un écart type (# / 6 2 .5).

Après la correction, les N contributions d'un pixel donné dont la connaissance d'altitude est h (la) ont une erreur de phase aléatoire résiduelle avec un écart type s donné par : s = 4 n h # / 6 Sin (i) Dist#.20,5
L'effet de cette erreur de phase sur le module de la sommation complexe de N contributions est : (1/N) # Cos(#p) = e-#

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Pour limiter à 1 dB l'effet statistique sur la puissance et en supposant que la connaissance du relief peut être facilement meilleure que +/-50 m (3 #) et les conditions du pire cas avec une faible distance à la cible (600 km), une faible incidence (20 ), une petite longueur d'onde (bande X = 3 cm), la largeur de tube (3a) doit être plus petite que 5 m. Ceci appartient à l'état de l'art du vol en formation.

L'erreur de connaissance #Borth sur la longueur de base interférométrique fournit une erreur de correction de phase 4 # #Borth hmax/ Sin(i) Dist #, si hmax est la dynamique de hauteur du terrain dans l'image. En supposant que hmax est plus petit que 1000 m, cette erreur peut être rendue négligeable si #Borth est plus petit que 10 cm. Cette précision peut être facilement obtenue avec un GPS différentiel ou Doris.

On notera que les contraintes de vol sont ici calculées dans un pire cas. Le souci d'économie d'énergie ou de facteur de mérite s'applique plutôt pour une incidence élevée et une distance importante. Pour Dist = 1500 km et -50 , la largeur visible devient 112 m. Si le système fonctionne maintenant dans la bande L, la largeur est de 860 m.

La figure 1 montre schématiquement une déviation de phase par rapport à la connaissance du relief.

La déviation 1 de phase d'aller et retour pour l'erreur h est donnée par la relation : 4 # #Borth h/ Sin(i) Dist #
La déviation 2 angulaire de pixel pour l'erreur h est donnée par la relation : h / Sin (i) Dist 3. 3 Conditions pour la réduction d'ambiguïté (forme d'onde Standard Std)
La réduction d'ambiguïté est basée sur le fait que les N contributions de l'ambiguïté k ne sont pas cohérentes lorsque les contributions provenant du pixel traité sont rendues cohérentes par le traitement et les corrections

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interférométriques. Un espacement aléatoire le long du trajet introduit déjà un caractère aléatoire suffisant entre les trajets de contributions. Il n'y a pas de contraintes de largeur de tube mais celles qui sont liées à la bonne correction interférométrique.

3. 4 Conditions pour l'amélioration du facteur de mérite (forme d'onde Std) 3. 4.1 Impact de l'erreur d'affectation sur la trajectoire
Les échantillons des N SAR ne sont pas entrelacés régulièrement comme décrit au paragraphe 2. 4. Les N contributions de l'ambiguïté k sont affectées par une erreur de phase aléatoire dont l'écart type est ka lorsque l'écart type de l'erreur qui affecte l'entrelacement standard est de ([alpha]/2#) V/PRF.

L'annulation d'ambiguïté est perturbée, la sommation complexe des N contributions de l'ambiguïté k fournit une somme de N vecteurs régulièrement répartis en phase et dont le module (positif ou négatif) est aléatoire avec l'écart type ka (pour de petites valeurs de ka) si 1 est le module de la contribution. La partie résiduelle de la puissance reçue de l'ambiguïté k est Nk2a2. La puissance sur le pixel traité est accrue de N2, en conséquence, la protection résiduelle sur l'ambiguïté k est k2a2/N.

Dans une conception non ambiguë standard, les deux premières ambiguïtés (vers l'avant et vers l'arrière) se trouvent juste à l'extérieur de l'ouverture de faisceau lorsque l'antenne se trouve au milieu de l'antenne synthétique. On considère maintenant que le facteur de mérite est accru de N. Au milieu de l'antenne synthétique, il y a N-1 ambiguïtés de chaque côté à l'intérieur de l'ouverture de faisceau. Toutefois, dans une position quelconque le long de l'antenne synthétique, seule la moitié de ces 2 (N-1 ) ambiguïtés sont présentes dans l'ouverture d'antenne de 3 dB. Au début, celles-ci sont les (N-1) situées en arrière et à la fin, celles-ci sont les (N-1) situées en avant. Le diagramme d'antenne divise par deux l'énergie

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ambiguë totale des 2(N-1 ) ambiguïtés. La protection résiduelle totale contre ces 2(N-1 ) ambiguïtés est ([alpha]2/N)(#k2 pour k = 1 à N-1)
Cette protection résiduelle doit être de l'ordre de f-30 dB pour ne pas affecter une ambiguïté Doppler requise typiquement autour de-25 dB.

La contrainte augmente rapidement avec N et est déjà très stricte avec N=2. En fait, a doit être plus petit que 1/22 et la synchronisation de l'échantillonnage doit être meilleure qu'une partie sur 138 de l'intervalle d'échantillonnage ou de la moitié de la longueur d'antenne, c'est-à-dire de l'ordre du cm. Pour le cas particulier de 2 satellites, on décrira ultérieurement une solution basée sur le verrouillage de la PRF sur la mesure de la distance intermédiaire. Pour les autres cas, cette contrainte d'entrelacement régulier rend le concept très peu aisé.

3. 4.2 Impact de la largeur du tube de trajectoire
Si l'altitude de l'ambiguïté k est en fait celle qui est considérée pour la correction interférométrique sur le pixel traité, le tube de trajectoire ne modifie pas l'annulation d'ambiguïté décrite au paragraphe 2. 3. Une déviation d'altitude Hk introduit un écart de phase aléatoire de la valeur standard #k sur chacune des N contributions avec : #k = 4 # Hk # / 20,5 6 Sin(i) Dist ,
L'annulation complexe laisse une partie résiduelle de la puissance reçue de l'ambiguïté k de valeur N #k2 et une protection résiduelle sur l'ambiguïté #k2/N. La protection résiduelle totale vis-à-vis des 2(N-1) ambiguïtés est (2/9) (# # / Sin (i)Dist #)2 #2H (N-1/N) #2H étant le carré moyen des déviations d'altitude des (N-1) premières ambiguïtés de chaque côté (vers l'avant et vers l'arrière) du pixel traité considéré pour la correction interférométrique.

Dans la bande X avec une incidence de 50 et une distance de 1500 km, avec #H = 50 m, la largeur du tube doit être plus petite que 5 m pour N

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important et plus petite que 3,5 m pour N = 2 pour obtenir la protection résiduelle requise de-30 dB. Ces valeurs de largeurs sont proportionnelles à , et à la distance.

L'amélioration du facteur de mérite resserre fortement la contrainte sur la largeur de trajectoire par rapport à celle qui est requise pour l'addition de signal cohérent de base. Elle apporte également des contraintes sur la régularité du terrain. Toutefois, la mise en oeuvre pratique de l'amélioration du facteur de mérite est principalement limitée par la contrainte sur la trajectoire, sauf dans le cas de N=2 ou dans le cas de l'utilisation de formes d'ondes appropriées.

3. 4.3 Cas où N=2
L'espacement SD entre les deux satellites doit être de (2K+1 )V/2PRF. Ceci peut être obtenu en verrouillant la PRF sur la mesure de distance. En supposant une antenne relativement longue de 10 m, l'erreur d'échantillonnage maximale est de +/- 2,5 et est éliminée par un réglage de PRF de +/- 2,5 10-3 si la distance entre les satellites est de 1 km. Ce réglage précis de PRF n'est pas en conflit avec le réglage beaucoup plus grossier requis pour faire fonctionner l'instrument. La contrainte d'échantillonnage est basée uniquement sur la précision de la mesure de distance de l'ordre de 1 cm pouvant être obtenue avec le GPS différentiel ou un quelconque système de portée RF si les deux satellites sont en visibilité. Les aspects pratiques des trains avec SAR en visibilité vont être envisagés ultérieurement.

La contrainte de largeur de tube et les contraintes de régularité de terrain présentées précédemment peuvent être atténuées car il n'existe qu'une seule des deux ambiguïtés à un moment quelconque à l'intérieur de l'ouverture de 3 dB. Il est possible d'effectuer une correction interférométrique variable de façon linéaire basée sur l'altitude de l'ambiguïté vers l'avant au début de l'antenne synthétique et sur l'altitude de l'ambiguïté vers l'arrière à la fin. L'annulation d'ambiguïté est alors commandée par la connaissance de l'altitude d'ambiguïté tandis que la

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différence d'altitude réelle avec celle du pixel traité influe sur la sommation de signal cohérent qui est un élément moins sensible. On suppose que la connaissance RMS de l'altitude peut être réduite à 20 m (#2H = 20 m au paragraphe 3. 3.3), alors l'exigence de largeur de tube est de 9 m (3 #) et la différence d'altitude H (h dans l'équation du paragraphe 3.1) entre les pixels traités et ambigus doit être plus petite que 160 m, tout ceci pour la bande X avec une incidence de 50 et une distance de 1500 km. Le concept n'est plus limité à des aires relativement plates.

3. 5 Utilisation de formes d'ondes à spectre étalé
Il n'y a aucune modification par rapport à la contrainte de l'addition de signal cohérent. La modification concerne le fait que les ambiguïtés se trouvent en tout point et profitent de l'addition non cohérente dans la mesure où les distances de resynchronisation (voir le paragraphe 2. 2) sont aléatoires à l'échelle de la longueur d'antenne synthétique. Une condition aussi aisée n'est pas affectée par la largeur du tube et cette dernière n'est pas limitée par l'addition de signal cohérent. Ceci représente l'avantage principal de cette particularité de forme d'onde pour l'amélioration du facteur de mérite au-delà d'un facteur de 2.

4. Train avec N SAR en visibilité et un émetteur unique 4. 1 Cas pratique de la mise en oeuvre de train SAR
Tout ce qui a été dit auparavant suppose que la rétrodiffusion du pixel traité et le retard atmosphérique ne varient pas entre les différents passages. En fait tous deux varient et ceci est connu comme étant la limitation principale de l'interférométrie SAR a passages multiples, sauf si le retard de temps entre les passages est faible. C'est la raison pour laquelle un train SAR avec plusieurs SAR en visibilité est une configuration robuste vis-à-vis de ces contraintes. Ceci facilite également la portée des bases interférométriques nécessaire pour la correction interférométrique.

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D'autre part, si tous les SAR transmettent, chaque antenne reçoit N signaux et réalise N images qui ne peuvent pas être séparées sauf en utilisant des formes d'ondes appropriées. Avec des formes d'ondes d'impulsions standard, une solution consiste à avoir un seul SAR émetteur.

4. 2 Train SAR avec un émetteur unique : train équivalent de T/R SAR
Comme représenté sur la figure 2, chaque couple formé par un émetteur et un récepteur correspond du point de vue de l'aller et retour de phase (ou de portée) à une antenne T/R équivalente située au point milieu entre l'émetteur et le récepteur. Si l'émetteur reçoit également, le T/R équivalent est le T/R réel.

On peut alors considérer un train SAR équivalent formé par le T/R équivalent.

En raison de cet espacement à mi-chemin du satellite T/R équivalent, toutes les contraintes d'orbite précédemment analysées sont atténuées d'un facteur 2.

L'ensemble des N antennes doivent être observées vers la même aire du sol illuminée par l'antenne d'émission. L'ensemble des antennes synthétiques équivalentes commencent et finissent en même temps mais sont décalées par rapport à celles du T/R de la moitié de la distance entre le T et chaque R. La combinaison SAR peut être effectuée seulement dans la partie en recouvrement de et les antennes synthétiques équivalentes et la longueur globale est en conséquence réduite de la longueur de formation virtuelle ou de la moitié de la longueur de formation réelle. Ceci signifie que la longueur de formation doit être faible par rapport à la longueur de l'antenne synthétique.

Le signal d'émission est additionné de façon cohérente N fois. Bien qu'il n'y ait qu'un seul émetteur, le SNR de la combinaison de N SAR est le même que pour un train de N T/R sans visibilité. Tous les avantages de concept d'un train standard sans visibilité s'appliquent ici également, mais la puissance d'émission totale est réduite de N.

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Cette configuration avec 2 T/R équivalents (1 T/R et 1 R ou 1 T et 2 R) facilite la mise en oeuvre du doublage du facteur de mérite décrit au paragraphe 3. 1.3, en particulier pour la mesure de portée entre les deux T/R équivalents. Outre le fait que la visibilité autorise des techniques de portée directe (DGPS, laser), on profite d'une atténuation de 2 de l'exigence de précision car la mesure est effectuée sur la distance double entre les deux satellites réels (T/R et R ou R et R).

Lorsque la forme d'onde de spectre étalé est utilisée comme décrit en 2. 5, le signal doit être périodique et le T/R équivalent doit être réparti de façon aléatoire sur la longueur de récurrence, c'est-à-dire que le réel des satellites reçus (T/R inclus dans un quelconque) doit être réparti de façon aléatoire sur le double de la longueur de récurrence.

On suppose que l'ouverture de groupe le long de la trajectoire est faible par rapport à la longueur d'antenne synthétique ou si l'on considère comme antenne synthétique courante, seule la partie en recouvrement des antennes synthétiques différentes, on obtient N images identiques avec une géométrie identique le long du parcours.

La figure 2 montre schématiquement le train de N satellites (N-1 récepteurs seulement)
On y distingue également le décalage 3 entre centres d'antennes synthétiques, et les Antennes T/R virtuelles 4.

4. 3 Train SAR en visibilité avec plusieurs émetteurs
On considère maintenant que chacun des SAR du train de SAR considéré auparavant est émetteur, que l'ensemble des SAR sont récepteurs et que les formes d'ondes de spectre étalé sont distinctes et non corrélées. Chaque SAR émetteur commande un train SAR et la totalité du train SAR. Il existe une addition cohérente supplémentaire entre le train N SAR avec une addition non cohérente des ambiguïtés car les formes d'ondes ne sont pas corrélées. Le SNR est amélioré de N ou le facteur de mérite peut être de nouveau accru de N au prix d'une nouvelle dégradation de N du SNR. La première option doit être la fin logique du concept de train

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SAR conduisant à une amélioration de N du facteur de mérite avec un SNR inchangé.

5 Annexe : à spectre étalé
Avec le spectre étalé, l'énergie ambiguë AE influant sur un pixel donné est proportionnelle à l'énergie reçue depuis la totalité de l'autre pixel multipliée par 1/4BT (B= largeur de bande, T= temps d'intégration).

AE = (T V /raz)(S / rrg)/4 BT
Avec :
V = vitesse au sol raz = azimut et résolution rrg = résolution de portée = C/(2 sin (i) B)
S = fauchée
AE = (S/raz)(Vsin(i)/2C)
L'ambiguïté doit être plus petite que-10 dB

Claims (13)

1. REVENDICATIONS 1. Ensemble de plusieurs instruments, comportant au moins émetteur et au moins un récepteur de signal issu d'un émetteur après réflexion au sol, caractérisé en ce que des échantillons de signal reçus par un récepteur particulier et issus d'un émetteur particulier, l'émetteur et le récepteur formant une paire, sont ajoutés en mode complexe après avoir reçu une avance temporelle correspondant, au moment milieu entre l'émission de l'échantillon et sa réception, au supplément de temps de double trajet entre le point milieu entre l'émetteur et le récepteur et un point particulier au sol par rapport au temps de trajet le plus court existant entre ces deux points lors du parcours du point milieu le long d'un tronçon de trajectoire, et en ce que l'addition est répétée sur plusieurs paires se différenciant par l'émetteur ou le récepteur, les résultats étant additionnés en complexe, et en ce que les points milieux de toutes les paires parcourent sensiblement un même tronçon de trajectoire dans un repère local, l'ensemble des additions ne portant que sur des échantillons dont le point milieu au moment milieu se trouve dans le tronçon.
2. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que les instruments sont portés par des satellites autour d'un astre.
3. 3. Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que les plans d'orbite contiennent les pôles de l'astre, les paramètres d'orbite étant sensiblement les mêmes, mis à part l'ascension droite et l'anomalie vraie, la différence d'anomalie entre deux instruments et la différence d'ascension droite étant dans le rapport négatif des périodes dans un repère galiléen de rotation de l'astre et de l'orbite.

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4. 4. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les échantillons sont émis de manière périodique, deux positions sur le tronçon du point milieu aux deux moments milieu correspondant à la réception de deux échantillons successifs pour une même paire, d'autres positions de point milieux correspondant à des échantillons d'autres paires se trouvent répartie de manière périodique.
5. 5. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, pour un groupe d'au moins deux paires, le signal est émis et reçu de manière continue sur au moins une partie du tronçon, l'addition des échantillons d'une même paire correspondant à au moins une séquence continue d'intégration, l'avance temporelle appliquée au signal avant intégration étant également continûment variable, l'intégrale hors du pic central de la fonction d'autocorrelation en temps et fréquence du signal émis, multipliée par la fonction de gain d'antenne de l'instrument représentée dans un espace temps fréquence, où d'une part le temps est la variation de temps de trajet aller et retour entre l'antenne et un point au sol lorsque que ce point est décalé de l'axe visé par l'antenne par une rotation orthogonale à l'axe visé et à la verticale de l'instrument, et où d'autre part la fréquence est la variation de doppler double trajet engendré par un décalage du point issu d'une rotation autour de la verticale à l'instrument, est dominée par la part de cette intégrale limitée à l'espace temps/fréquence correspondant à l'ouverture à 3dB de l'antenne.
6. 6. Ensemble selon la revendication 5, caractérisé en ce que le signal est une fréquence pure modulée en phase entre Pi et-Pi selon une série binaire aléatoire.
7. 7. Ensemble selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le signal continu utilise des formes d'onde décorrélées entre les paires.

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8. 8. Ensemble selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le signal continu est périodique et utilise la même série de signal pour les paires du groupe, et en ce que les distances sur la trajectoire entre les positions du point milieu d'une même paire correspondant à deux émissions successives d'un même élément de la série sont sensiblement égales entre paires du groupe, les points milieux des autres paires correspondant à l'émission du même élément de signal étant répartis aléatoirement sur cette distance.
9. 9. Ensemble selon la revendication 8, caractérisé en ce que la longueur du tronçon est un multiple de la distance sur la trajectoire entre les positions du point milieu d'une même paire correspondant à deux émissions successives d'un même élément de la série.
10. 10. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que plusieurs paires utilisent un même émetteur.
11. 11. Ensemble selon la revendication 10 et l'une des revendications 5,6,

    8 et 9, caractérisé en ce que plusieurs émetteurs sont présents, les paires partagent un même émetteur formant un même groupe, et en ce que les signaux de groupes distincts sont décorrélés.
12. 12. Ensemble selon l'une des revendications 10 et 4, caractérisé en ce que pour plusieurs paires utilisant un même émetteur, l'émetteur a sa période de répétition des échantillons asservie à (2K+1)V/2D où K est un entier quelconque et D est la mesure de la distance entre deux points milieux de deux paires.
13. 13. Ensemble selon la revendication 12, caractérisé en ce que la mesure

    D est établie par un système de télémétrie directe entre les deux récepteurs des deux paires considérées.