FR2862138A1 - Procede de compensation de la derive pour des mesures radars a l'aide de signaux radars de reference - Google Patents

Procede de compensation de la derive pour des mesures radars a l'aide de signaux radars de reference Download PDF

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Abstract

Procédé de mesure radar par l'émission et la réception de signaux radar à l'aide d'au moins deux systèmes radars séparés dans l'espace, l'échange de signaux se faisant entre les deux systèmes radars pour déterminer des paramètres concernant les mesures.On échange des signaux radars de référence entre au moins deux systèmes radars et à partir des signaux radars de références reçues on détermine la position de phase relative des signaux radars des systèmes radars et/ou la position chronologique relative des références de temps des systèmes radars.

Description

2862138 1
Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de mesure radar par l'émission et la réception de signaux radar à l'aide d'au moins deux systèmes radars séparés dans l'espace, l'échange de signaux se faisant entre les deux systèmes radars pour déterminer des paramètres concernant les mesures.
On connaît un tel procédé par exemple selon le document EP 1 065 518. Ce document décrit un système radar à ouverture synthétique à forte résolution (système SAR ou système de radar à ouverture dy- namique) qui comprend un nombre n de systèmes SAR sur des plates-formes porteuses de satellites ou d'engins volants. Il est notamment prévu que les oscillateurs internes des systèmes SAR servent de fréquences de temps en étant synchronisés entre eux et pour cela la fréquence d'un oscillateur principal est transmise par une liaison hyperfréquence ou une liaison laser aux autres oscillateurs.
Le document Eineder, M. : Oscillator Clock Drift Compensation in Bistatic Interferometric SAR. IGARSS 2003, Toulouse, IEEE, Compte-rendu de IGARSS03, (2003) , décrit la compensation de la dérive de référence de temps dans des systèmes SAR dans lesquels l'émetteur des signaux radars est séparé dans l'espace par rapport à des récepteurs des signaux radars en étant installé sur différents satellites (montage antenne roue). Dans ce cas également la fréquence des oscillateurs internes est échangée par une liaison intersatellite entre les satellites de réception pour synchroniser les références de temps internes.
Ces procédés selon l'état de la technique nécessitent toute-fois des liaisons intersatellites, séparées, pour la transmission de la fréquence d'oscillateurs. Ces procédés ne permettent pas de déterminer d'autres paramètres concernant les mesures.
Le document US 6 552 678 décrit un procédé de mesure radar SAR interférométrique utilisant deux satellites; selon la description de ce document US 6 552 678, il ne faut aucune synchronisation des signaux radars des deux satellites.
But de l'invention La présente invention a pour but de développer une possi- bilité simple pour déterminer des paramètres concernant une mesure, permettant en outre de déterminer de façon très poussée des paramètres concernant la mesure.
Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'on échange des signaux radars de référence entre au moins deux systèmes radars et à partir des signaux radars de références reçus on détermine la position de phase relative des signaux radars des systèmes radars et/ou la position chronologique relative des références de temps des systèmes radars.
Ce procédé de mesures radars, notamment de mesures radars interférométriques émet et reçoit des signaux radars par au moins deux signaux radars séparés dans l'espace, l'échange des signaux entre les deux systèmes radars servant à déterminer des paramètres concernant les mesures.
Selon l'invention on échange des signaux radars de référence entre au moins deux systèmes radars et à partir des signaux radars de référence, reçus, on détermine la phase relative des signaux des systèmes radars et/ou la position relative dans le temps des interférences de temps des systèmes radars.
Une mesure radar selon la présente invention signifie que les signaux radars sont émis en direction d'un objectif radar à mesurer et ces signaux sont renvoyés par l'objectif radar, de manière passive, c'est-à- dire principalement par réflexion, sous la forme d'un signal de réponse renvoyé, permettant d'obtenir des informations concernant les caractéristiques de l'objectif radar telles que la taille, la structure de surface, les caractéristiques de la matière ou éléments analogues. Les signaux radars de référence sont en revanche transmis par un système radar à un autre système sans exploiter le signal de réponse renvoyé de manière passive par réflexion. L'échange des signaux radars de référence peut se faire directement dans le cadre de l'invention et/ ou par un détour, par exemple de manière passive par l'intermédiaire d'un objectif radar à mesurer ou de façon active par l'intermédiaire d'autres systèmes radars distants dans l'espace.
Vis-à-vis de l'état de la technique, ce procédé a l'avantage de ne pas nécessiter de sources séparées de signaux et de types supplé- mentaires de systèmes de transmission comme par exemple des systèmes optiques pour l'échange de signaux entre les systèmes radars mais pour l'échange des signaux on peut utiliser des signaux radars générés de toute façon dans le cadre de la mesure radar et qui sont mesurés. Ces signaux peuvent être transmis soit par l'installation d'émission utilisée pour la me- sure vers au moins un autre système radar ou encore on peut prévoir des installations de transmission séparées pour transmettre séparément des signaux radars et des signaux radars de référence, les deux signaux radars provenant toutefois de la même source de signaux. L'événement pri- maire de ce procédé peut être une information concernant la phase relative des signaux radars émis par au moins deux systèmes radars et/ou une information concernant la position relative dans le temps des références de temps des systèmes radars de même que par exemple un décalage des temps interne des systèmes radars.
On peut notamment prévoir qu'à partir de la connaissance de la phase relative des signaux radars on détermine des informations concernant les références de temps internes des systèmes radars. Les signaux radars sont reçus dans le système radar en fonction des signaux de référence de temps internes d'oscillateurs internes ou encore des données de temps reçues et traitées de manière interne. Les signaux radars d'un système radar présentent des structures permettant de tirer des conclusions relatives aux références de temps internes de chaque système radar. Le procédé cidessus permet également de recueillir des informations con-cernant les mesures.
Il est notamment prévu de déterminer la relation de temps de la phase relative pour en déduire la dérive d'au moins une référence de temps interne et de réaliser une compensation de la dérive en s'appuyant sur la connaissance de cette dérive de référence de temps. Ce procédé permet ainsi de suivre le développement chronologique de paramètres concernant la mesure et en particulier de compenser des déviations non souhaitées des paramètres (dérive) pendant le développement chronologique.
Il est ainsi prévu d'une part de déterminer la dérive d'une référence de temps en temps réel et d'autre part de compenser la dérive par asservissement de la référence de temps correspondante. Dans cette alternative du procédé on asservit également au moins une référence de temps pour ne pas avoir si possible de déviation non souhaitable vis-àvis d'au moins une autre référence de temps d'un autre système radar. Un tel procédé aboutit finalement à une synchronisation des références de temps internes des systèmes radars mais d'une manière significativement plus simple que cela n'est possible qu'avec l'état de la technique.
En variante, on peut également déterminer la dérive d'une référence de temps dans le cadre d'une exploitation de données radars mesurées et de compenser la dérive en corrigeant les données de phase et de temps des données radars mesurées. Dans un tel procédé il n'y aura pas de synchronisation des références de temps internes des différents systèmes radars mais on enregistrera seulement la dérive des références de temps internes pour en tenir compte dans l'exploitation ultérieure des mesures radars en faisant des corrections appropriées des données de phase et de temps. Cela permet de réduire significativement les travaux de traitement et de régulation à l'intérieur du système radar.
En variante, pour déterminer les informations concernant les références de temps internes à partir de la connaissance de la phase relative des signaux radars on peut également déterminer la position chronologique relative des références de temps, directement par la comparaison de signaux radars de référence, reçus, et d'une fonction de référence dans l'un des systèmes radars. Le résultat de cette comparaison permet de déterminer la position chronologique relative entre le signal radar de référence et la fonction de référence. Cela permet alors en tenant compte du temps de parcours du signal radar de référence de déterminer la position chronologique relative des références de temps. Le temps de parcours du signal radar de référence entre le système radar émetteur et le système radar récepteur peut se déterminer selon un développement de l'invention (de même que pour les autres développements de l'invention dans la mesure où cela est nécessaire) soit à partir de la connaissance de la distance entre les systèmes radars reposant sur des mesures de distances, soit à partir de la connaissance de la position des systèmes radars selon des modèles de trajectoires, par des installations internes de détermination de la position comme par exemple le système GPS ou à partir de données de position d'origine externe. Le temps de parcours peut égale-ment se déterminer par des mesures de temps de parcours distinctes faites de préférence également par un échange de signaux radars entre les systèmes radars.
Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation de mesures interférométriques SAR à l'aide de deux satellites, représenté schématiquement dans les dessins dans lesquels: - la figure 1 montre l'échange de signaux radars de référence entre deux satellites SAR, la figure 2 montre le développement chronologique d'un cycle de me-sure par l'échange de signaux radars de référence; les intervalles d'émission portent la référence Tx et les intervalles de réception la référence Rx dans les lignes A et B associées aux satellites SAR.
Description d'un mode de réalisation
La figure 1 montre un schéma par blocs, simplifié, d'un procédé de transmission d'un signal de référence par un premier satellite SAR 1 (satellite radar A) vers un second (troisième, quatrième...) satellites radars 2 (satellite radar B). Les satellites 1 et 2 sont utilisés pour mesurer lo un objectif radar 3 (cible radar) tel que par exemple la surface terrestre. Chacun des satellites 1, 2 comporte une installation d'émission 4, 14 (TX) et une installation de réception 5, 15 (RX). Ces installations sont reliées à un commutateur émission-réception 6, 16 (commutateur RX/TX) et un coupleur de commutateur d'antennes 7, 17 (coupleur/ commutateur d'antenne) servant à transmettre le signal radar de l'installation d'émission 4, 14 à une antenne de mesure radar 8, 18 (antenne radar) et à une antenne de signal de référence 9, 19 (antenne de référence) et inversement à transmettre les signaux reçus en sens inverse à l'installation de réception respective RX. En principe chacun des deux satellites 1, 2 peut émettre et recevoir les signaux radars par rapport à l'objectif radar 3. On peut également émettre seulement des signaux de mesure radars à partir de l'un des satellites 1 en direction de l'objectif radar 3 et d'utiliser un autre satellite 2 pour ne recevoir que les signaux de mesure radars du premier satellite 1, signaux renvoyés par l'objectif radar 3 comme cela est représenté à la figure 1.
Il y a ainsi un échange unidirectionnel ou bidirectionnel 10 de signaux radars de référence entre les satellites 1, 2; ces signaux radars proviennent des mêmes sources de signaux 4, 14 que les signaux radars utilisés pour la mesure. On transmet ainsi toutes les caractéristiques du signal de mesure radar d'un satellite radar 1 à au moins un autre satellite 2.
L'échange 10 des signaux radars de référence peut se faire directement et/ou par un détour, par exemple de manière passive par le radar cible 3 ou de manière active par d'autres satellites faisant partie d'une combinaison plus importante.
Les diagrammes d'antennes des antennes de signaux de référence 9, 19 peuvent être adaptés de manière préférentielle à la géométrie du vol, c'est-à-dire à la position et aux mouvements relatifs des satel- lites 1, 2. On peut également prévoir pour cela plusieurs antennes de signaux de référence 9, 19 ayant par exemple des caractéristiques d'émission et/ou de réception différentes. Les données recueillies peuvent être utilisées de manière embarquée ou au sol pour corriger les données radars recueillies.
On exclut pratiquement toute perturbation de la transmission des signaux de référence par des sources externes de signaux ou par les antennes radars 8, 18. Pour cela on peut notamment limiter fortement l'angle solide saisi par l'antenne du signal de référence en choisissant une configuration appropriée de l'antenne. Suivant la répartition géométrique des satellites les uns par rapport aux autres, on peut utiliser un sousgroupe de plusieurs antennes pour rayonner le signal de référence à partir d'un satellite et le recevoir sur les autres satellites.
La présente invention permet notamment d'utiliser des os- cillateurs de référence, stables (oscillateurs USO) comme référence ou base de temps notamment pour des instruments radars bistatiques ou multistatiques, oscillateurs dont la stabilité différentielle à court terme (dans le domaine de plusieurs mesures impulsionnelles) est suffisante pour exploiter les phases, mais dont la dérive à long terme doit être compensée par l'exploitation des mesures radars. Les conditions que doivent remplir les oscillateurs USO seuls ne sont pas directement aussi strictes que celles qui seraient nécessaires pour les mesures. A titre d'exemple, une mesure avec un radar interférométrique SAR (radar à ouverture dynamique) utilise au moins deux instruments SAR séparés dans l'espace.
La compensation se fait par la mesure de la phase des impulsions radars entre elles. Cela permet de déterminer la dérive relative des références de temps. La dérive mesurée peut être par exemple exploitée en temps réel (en ligne, c'est-à-dire de manière embarquée) et servir à l'asservissement d'une ou plusieurs références de temps utilisées ou en- core être appliquée seulement lors de l'exploitation des données (hors ligne, c'est-à-dire au sol) pour compenser les dérives mesurées.
La phase d'un signal radar transmis se mesure par la com- paraison du signal radar et d'un signal de référence local déduit par exemple d'un oscillateur local de référence par multiplication de la fré- quence. Les incertitudes de la référence de temps se développent propor- tionnellement à la fréquence porteuse utilisée dans les variations de phase. Comme signal local de référence on peut utiliser la fréquence moyenne de la largeur de bande du signal radar utilisé. Les phases des composantes du signal dont les fréquences se situent au-dessus et en dessous de la fréquence moyenne varient ainsi légèrement plus ou moins. L'étalement dispersif change cette relation linéaire. Une exploitation de phase, distincte, pour différentes composantes de fréquences permet de tirer des conclusions pour la vitesse de phase absolue (par exemple à cause de la densité variable des électrons dans l'ionosphère).
En pratique on exploite la phase par exemple par compression numérique des impulsions des données radars enregistrées. La phase d'un signal local de référence est retranchée dès la saisie des données en mélangeant le signal radar reçu dans une bande de base. La compression impulsionnelle se fait par corrélation du signal de mesure et du signal d'émission (signal connu). La position du maximum de la corrélation décrit la position chronologique grossière entre le départ de la mesure et l'arrivée du signal. Dans cet exemple on définit le milieu de l'impulsion (tTX: émissions, tRx: réception) comme instant de l'impulsion d'émission (tu) ou de l'impulsion de réception (tRx). Cela correspond à une corrélation (détection de l'impulsion après compression) d'un signal et d'un signal de référence symétrique par rapport à l'instant 0.
La phase mesurée (pAB d'une impulsion radar transmise de 20 A (premier satellite) vers B (deuxième satellite) contient la somme des retards de phases de: 1. cpA: phase de l'impulsion émise (elle est connue et prise comme va- leur 0) par rapport à la phase cpi Ref A du signal local de référence de l'émetteur A. 2. Les retards (phases) liés à la transmission du signal: * cp composants TX A, Rx B: variation des phases des composants concernés: la compensation intrinsèque de la dérive différentielle fait partie de cette invention les dérives de phases des composants participant à la fois au mode de mesure et au mode de transmission de signal ne perturbent pas dans la mesure où ces dérives sont stables.
* (pd = 27c x: chemin d'étalement/longueur d'onde (milieu de transmission) .
3. Différences de phase cpi Ref s du signal local dé référence B et la phase yl Ref A du signal local de référence de l'émetteur A. Cette différence de phase correspond à un décalage (habituellement très faible, par exemple inférieur à 1 s) des deux références de temps At (la ré- 2862138 8 férence de temps du satellite B est retardée de M par rapport à celle du satellite A).
(RAB = (PA - (Pcomposants TxA, Rx B - (Pd + (Pl Ref A - (Pl Ref B Pour transmettre une impulsion radar de B vers A, les retards de phases sont les mêmes (sans cp et (Pcomposants) et seul le signe algébrique de la différence de phase des signaux de référence locaux change.
(PBA = (p B - (pcomposants Tx B, Rx A - (pd -(PlRefA+(PlRefB sans (pA, (pB et (Pcomposants (cette dernière valeur est autorisée dans la me-sure où elle est stable) : (Pl Ref B - (Pl Ref A (PBA - (PAB) /2 Pour des mesures unidirectionnelles on détermine la dérive de phase (3) seulement pour le retard connu par transmission du signal.
Les mesures bidirectionnelles permettent de compenser les effets de transmission de signal en formant la différence des deux mesures: les retards (2) se compensent et les différences de phase (3) des signaux locaux de référence sont doublés.
Il est également possible de décaler dans le temps les mesu- res (9AB (de A vers B) et (PBA (de B vers A) dans la mesure où l'on connaît suffisamment le comportement des oscillateurs de références et des retards de signaux entre ces mesures ou en faisant une interpolation entre au moins trois mesures tAB1 < tBA < tAB2 ou en extrapolant entre les mesures, par exemple (tBA < tAB1 < tAB2) : instant tAB1: A->B, mesure de phases (pAB1 instant tBA: B-'A, mesure de phases (PBA instant tAB2: A-- B, mesure de phases 9AB2 (PAB: _ 9AB1 + (9AB2 - 9AB1) (tBA tABI)/(tAB2 tAB1) Ces calculs tiennent compte des éventuelles significations multiples des phases. Pour de petits intervalles de temps il suffit de ré- duire les différences de phases telles que (9'1E2 - (pAB1) à 180 dans les calculs. Pour des intervalles de temps plus grands il faut calculer en tenant compte de variations de phase concernées sur 180 en développant les différences de phases au-delà de 180 . On peut le faire en procédant comme suit: 1. Densité des mesures successives des phases pour que les variations entre deux mesures de phases voisines se situent dans une plage 180 et permettent ainsi de suivre simplement le caractère multivo- que.
2. Interpolation et/ou extrapolation des variations de phases en fonction du temps (en mesurant tout d'abord sur des intervalles de temps courts en évitant ainsi les problèmes de nature multivoque) pour déterminer les variations de phases d'un multiple de 360 sur des intervalles de temps plus longs et d'affiner alors jusqu'à un maximum 180 par la mesure de phase proprement dite (après un tel intervalle de temps allongé).
3. Procéder comme sous le point 2 en calculant toutefois les multiples entiers de 360 à partir de la modélisation (par exemple pour des phases cpd variant rapidement, en utilisant la détermination de la trajectoire des satellites concernés.
Pour des variations lentes de l'incertitude de l'un des éléments pour la variation de phases (par exemple une variation non linéaire dans le temps de la longueur d'étalement radar intervenant dans la fluc- tuation non modélisable de l'angle cpd) il suffit de mesurer suffisamment fréquemment de manière unidirectionnelle pour saisir les fluctuations rapides (par exemple 91 Ref B - (i Ref A) et moins souvent dans la direction op-posée pour saisir également la composante variant plus lentement.
On peut faire plusieurs mesures unidirectionnelles ou bidi- rectionnelles avec des instruments SAR à l'intérieur d'une impulsion opérationnelle. Par exemple on émet l'impulsion d'émission normale dans sa position chronologique inchangée par l'instrument B et on reçoit ce signal par l'instrument A. L'instrument A émet de manière décalée dans le temps une ou plusieurs impulsions (voir l'extrapolation précédente: tBA < t' Un < tAB2) en retour vers l'instrument B. Toutes les impulsions sont enregistrées pour être exploitées avec les données radars et permettre la compensation.
Comme instant on utilise les temps nécessaires aux impulsions pour parcourir le demi-temps de parcours i/2 dans une transmis- sion entre A et B. Ce temps de parcours est généralement connu de manière suffisamment précise pour les mesures ci-dessus. En cas de position relative At incertaine des deux références de temps l'une par rapport à l'autre on peut déterminer ces temps en s'appuyant sur les mesures d'un satellite avec sa référence de temps, par exemple le satellite A: tAB1:= AtTx AB1 + T/2 instant d'émission de l'impulsion AB1 tBA:= AtRx BA - T/2 position du maximum de corrélation reçue de l'impulsion BA tAB2:= AtTx AB2 + T/2 instant d'émission de l'impulsion AB2.
La figure 2 montre un exemple de l'évolution dans le temps d'un cycle de mesure pour l'échange des signaux.
Pour mesurer avec une exploitation hors ligne il suffit d'une synchronisation approximative des signaux d'émission. Il suffit de commander les signaux pour que les mesures réciproques ne se recoupent pas à cause des retards prévisibles. Il n'est pas nécessaire de détecter les signaux comme pour les transpondeurs dans le cas d'une simple exploitation hors ligne mais pour une régulation en temps réel une telle détection est intéressante.
On détermine le décalage précis des deux références de temps de la valeur At de façon analogue à l'exploitation de phase. La base de la mesure est la détermination précise de la position dans le temps des impulsions reçues par exemple par corrélation avec une fonction de réfé- rence adaptée au signal d'émission et une détermination de la valeur maximale et/ou du centre de gravité de la réponse de corrélation.
Selon l'exemple ci-dessus on mesure l'instant de réception AtRx BA sur le satellite A. Les instants d'émission AtTx AB1 et AtTx AB2 sont connus. De façon analogue pour les instants rapportés à la référence de temps du satellite B on a: instant de réception BtRX AB1 et BtRX AB2 que l'on mesure.
L'instant d'émission BtTx BA est connu. Il suffit d'un échange d'impulsion pour déterminer At. Si les mesures sont décalées dans le temps on peut extrapoler et/ ou interpoler de façon analogue aux mesures de phases. Il
BtRx AB1 = AtTX AB1 + t(t AB1) - At AtRx BA = BtTx BA + t(tBA) + At At = [(AtRX BA - BtTx BA) + (t(t AB1)- t(t BA)) + (AtTx AB1 - BtRx Abl))/2 Pour des vitesses relatives et/ou des accélérations plus importantes il peut être nécessaire de tenir compte des effets relativistes pour l'exploitation des phases et/ou des temps. io

Claims (9)

REVENDICATIONS
1 ) Procédé de mesure radar par l'émission et la réception de signaux radar à l'aide d'au moins deux systèmes radars séparés dans l'espace, l'échange de signaux se faisant entre les deux systèmes radars pour déterminer des paramètres concernant les mesures, caractérisé en ce qu' on échange des signaux radars de référence entre au moins deux systèmes radars et à partir des signaux radars de références reçus on détermine la position de phase relative des signaux radars des systèmes radars et/ou la position chronologique relative des références de temps des systèmes radars.
2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on détermine des informations concernant les références de temps internes des systèmes radars à partir de la connaissance de la phase relative des signaux radars.
3 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu' on détermine la fonction de temps de la phase relative pour en déduire la dérive d'au moins une référence de temps interne et on compense la dérive à. partir de la connaissance de cette dérive de la référence de temps.
4 ) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu' on détermine la dérive d'une référence de temps en procédant en temps réel et on compense la dérive par asservissement de la référence de temps correspondante.
5 ) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu' on détermine la dérive d'une référence de temps dans le cadre d'une exploitation des données radars mesurées et on compense la dérive en corri-35 geant les données de temps des données radars mesurées.
6 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le calcul de la position chronologique relative des références de temps en s'appuyant sur une comparaison des signaux radars de référence reçus avec une fonction de référence se fait dans l'un des systèmes radars, et à partir du résultat on détermine la position chronologique relative entre le signal radar de référence, et la fonction de référence et à partir de là en tenant compte du temps de parcours du signal radar de référence on détermine la position chronologique relative des références de temps.
7 ) Procédé selon la revendication 1, 1 o caractérisé en ce qu' on utilise comme signaux radars de référence les signaux radars générés par les systèmes radars dans le cadre de la mesure radar.
8 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on transmet les signaux radars de référence par l'installation d'émission utilisée pour la mesure radar du système radar vers au moins un autre système radar.
9 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' une installation de transmission distincte, séparée matériellement de l'installation d'émission du système radar utilisé pour la mesure radar, transmet les signaux radars de référence avec une source de signal cornmune pour générer les signaux radars de référence et les signaux radars utilisés pour la mesure radar.
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