FR3027408A1

FR3027408A1 - Procede radar de surveillance maritime et dispositifs radar associes

Info

Publication number: FR3027408A1
Application number: FR1402330A
Authority: FR
Inventors: Jacques Richard; Sophie Ramongassie
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2014-10-16
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2016-04-22
Anticipated expiration: 2034-10-16
Also published as: FR3027408B1

Abstract

L'invention concerne le domaine de la surveillance maritime. Elle a pour objet un procédé de surveillance maritime pour un dispositif de surveillance maritime comprenant une antenne active (16), une voie d'émission (12) émettant des faisceaux (30) d'impulsions et N voies de réception (14) avec N entier strictement supérieur à 1, lesdites voies de réception recevant les l'échos desdites impulsions rétrodiffusés par la surface de la zone maritime surveillée, ledit procédé comprenant, pour chaque période de répétition des impulsions une étape d'émission pendant laquelle N faisceaux sont émis de façon séquentielle, avec la même forme d'onde et une fréquence au moins N fois inférieure à la bande Doppler des échos rétrodiffusés, lesdits faisceaux d'émission étant orientés de façon à couvrir N fauchées (35) quasi contigües, une étape de réception des échos par balayage simultané des N fauchées par les N voies de réception, chaque voie de réception couvrant une fauchée différente.

Description

2 740 8 1 PROCEDE RADAR DE SURVEILLANCE MARITIME ET DISPOSITIFS RADAR ASSOCIES La présente invention concerne un procédé radar et un dispositif radar de surveillance maritime. La surveillance globale des mers et des océans à très haute altitude, typiquement à l'aide de satellites spatiaux, par technique radar nécessite 10 deux caractéristiques clé : - Une large couverture pour réduire le nombre de capteurs nécessaire pour satisfaire un temps de revisite fixé, typiquement une fauchée de 1 000 km - une capacité de détection des plus petits bateaux pour des 15 performances de détection et de fausse alarme fixées. On rappelle que la capacité de détection est liée au rapport de la puissance réfléchie par un objet détecté sur la somme de la puissance du clutter de mer et de celle du bruit thermique que l'on appelle classiquement " contraste ". Ce contraste est donc donné par la formule : 20 Pcible/ (PClutter PBruit)- Les radars spatiaux utilisés pour la détection des navires sont généralement des radars à synthèse d'ouverture, (ou SAR selon la terminologie anglo saxonne pour Synthetic Aperture Radar. Ces solutions classiques SAR ne sont pas spécifiques aux missions de surveillance des 25 mers et des océans. Elles sont généralement muti-applications avec une priorité sur les missions d'imagerie sur les terres. Elles ont ainsi à satisfaire des objectifs de qualité des images qui réduisent leur intérêt pour les missions maritimes visées. Elles ont des couvertures et des performances de détection plus limitées (500 à 600 km, gros bateaux). 30 Il est connu dans l'art antérieur, notamment par le brevet européen EP 2 189 810, un dispositif de radar pour la surveillance maritime, cependant ce dispositif, pour pouvoir avoir une largeur de fauchée de l'ordre de 1 000 km doit avoir une fréquence de répétition des impulsions basse, de 35 l'ordre de 150 Hz, comparée à la bande Doppler des échos reçus qui vaut typiquement 1500 à 5000Hz pour les SAR spatiaux connus. Cette basse fréquence de répétition par rapport à la bande Doppler des échos pénalise le contraste du dispositif et donc réduit les performances du radar.

Un but de l'invention est notamment de corriger tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur en proposant une solution permettant d'augmenter le contraste du dispositif de surveillance sans pénaliser sa largeur de fauchée. Ce but est atteint par l'invention, en augmentant la fréquence de répétition des impulsions sans pénaliser la largeur de fauchée. L'invention permet de supprimer le lien direct entre la fréquence de répétition des impulsions et la largeur de fauchée en ajoutant un autre paramètres qui est le nombre de faisceaux. 15 A cet effet, l'invention a pour objet un procédé radar de surveillance maritime mis en oeuvre par un dispositif de surveillance maritime comprenant au moins une antenne active possédant des moyens de balayage en émission et en réception, une voie d'émission configurée pour émettre des faisceaux d'impulsions selon une fréquence de répétition PRF et N voies de 20 réception avec N entier strictement supérieur à 1, lesdites voies de réception étant configurées pour recevoir les l'échos desdites impulsions rétrodiffusés par la surface de la zone maritime surveillée, l'empreinte, à la surface de ladite zone maritime observée, de chaque faisceau d'émission définissant une fauchée, ledit procédé comprenant, pour chaque période de répétition 25 des impulsions Tr=1/PRF : - une étape d'émission pendant laquelle N faisceaux sont émis par ladite voie d'émission de façon séquentielle, chaque faisceau étant émis avec la même forme d'onde et une fréquence au moins N fois inférieure à la bande Doppler des échos rétrodiffusés, lesdits 30 faisceaux d'émission étant orientés de façon à couvrir N fauchées quasi contigües, une étape de réception des échos par balayage simultané des N fauchées par les N voies de réception, chaque voie de réception couvrant une fauchée différente.

Selon un mode de mise en oeuvre du procédé, N faisceaux d'émission sont émis à la même fréquence. Selon un mode de mise en oeuvre du procédé, les N faisceaux d'émission sont émis à des fréquences différentes.

Selon un mode de mise en oeuvre du procédé, le faisceau de réception d'une fauché est identique au faisceau d'émission ayant éclairé ladite fauché. Selon un mode de mise en oeuvre du procédé, le faisceau de réception est un faisceau agile de largeur inférieure à celle du faisceau 10 d'émission ayant éclairé ladite fauché, ledit faisceau de réception balayant ladite fauché. Selon un mode de mise en oeuvre du procédé, le dispositif de détection maritime est un radar à synthèse d'ouverture. Selon un mode de mise en oeuvre du procédé, le dispositif de 15 détection maritime est embarqué dans un satellite. L'invention a également pour objet un dispositif radar de surveillance maritime configuré pour mettre en oeuvre le procédé de surveillance maritime précédemment décrit, le dispositif comprenant au moins une antenne active 20 possédant des moyens de balayage en émission et en réception, une voie d'émission configurée pour émettre des impulsions et N voies de réception avec N entier strictement supérieur à 1 configurées pour recevoir les l'échos, desdites impulsions, rétrodiffusés par la surface de la zone maritime surveillée, 25 ladite voie d'émission étant configurée pour émettre de façon séquentielle, N faisceaux d'impulsions avec la même forme d'onde et une fréquence au moins N fois inférieure à la bande Doppler desdits échos rétrodiffusés et pour orienter chaque faisceau d'émission de façon à couvrir N fauchées quasi contigües, une fauchée correspondant à l'empreinte, à la surface de ladite 30 zone maritime observée, de chaque faisceau d'émission d'impulsions, chacune desdites N voies de réception étant configurée pour couvrir simultanément une fauchée différente à l'aide d'un faisceau de réception orienté vers la direction d'arrivée des échos rétrodiffusés. Selon un mode de réalisation, chacune desdites N voies de réception est configurée pour balayer simultanément une fauchée différente à l'aide 5 d'un faisceau de réception dont la largeur est inférieure à celle du faisceau d'émission ayant éclairé ladite fauché. Selon un mode de réalisation, le dispositif est configuré pour fonctionner comme un radar à synthèse d'ouverture. Selon un mode de réalisation, le dispositif est embarqué à bord d'un 10 satellite spatial. L'invention a également pour objet un satellite comprenant un dispositif de surveillance maritime tel que décrit précédemment. 15 D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après, donnée à titre illustratif et non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : 20 - La figure 1 représente un exemple de mode de réalisation d'un dispositif de surveillance selon l'invention ; - La figure 2 représente un chronogramme d'exemple d'impulsions émises et d'échos reçus par le dispositif de détection selon l'invention ; 25 - La figure 3 représente un exemple de faisceaux émis par la voie d'émission du dispositif selon l'invention ; - La figure 4 représente un exemple de faisceaux de réception à balayage du dispositif selon l'invention. 30 Par la suite on désignera par " cible " tout objet, typiquement un navire ou un bateau, naviguant sur la surface des mers ou des océans observés par le dispositif de surveillance selon l'invention.

L'invention concerne le domaine de la surveillance des mers et des océans. Elle peut être mise en oeuvre par un radar à impulsions. Ce type de radar émet des impulsions à une certaine fréquence via au moins une antenne émettrice, vers la surface de la Terre et mesurent ensuite l'écho renvoyé par cette dernière vers au moins une antenne réceptrice dudit radar. Selon un mode de réalisation, le dispositif selon l'invention peut être configuré pour fonctionner comme un radar à ouverture synthétique ou SAR standard.

En référence à la figure 1, le dispositif de surveillance maritime selon l'invention peut comprendre un générateur d'impulsion 11, une voie d'émission 12, au moins un module de traitement 13, N voies de réception 14 avec N un entier strictement supérieur à 1, au moins un réseau de formation de faisceaux 15 et au moins une antenne 16.

La voie d'émission 12 est configurée pour émettre, de façon séquentielle, N faisceaux 30 d'impulsions périodiques avec une fréquence de répétition des impulsions PRF. Chaque faisceau d'impulsions est émis avec la même forme d'onde et une fréquence très inférieure à la bande Doppler des échos rétrodiffusés par la surface de la zone maritime surveillée.

Typiquement, la fréquence de répétition est au moins N fois inférieure à la bande Doppler. L'empreinte, sur la surface de ladite zone maritime observée, des faisceaux d'émission 30 du dispositif de surveillance maritime définit une fauchée 35. Les N voies de réceptions sont configurées pour recevoir les échos 25 des impulsions rétrodiffusés par la surface de la zone maritime surveillée. Ces échos peuvent être traités par un ou plusieurs modules de traitement 13. Le dispositif de surveillance comprend au moins une antenne 16. Cette antenne peut être une antenne 16 active comprenant des moyens de contrôle configurés pour orienter les faisceaux d'émission 30 et de réception 30 40 selon la direction souhaitée. Les faisceaux de réception 40 peuvent être identiques aux faisceaux d'émission ou être plus fins mais alors agiles pour réaliser un balayage de la zone 35 éclairée par le faisceau d'émission lors de la phase de réception des échos (technique connue sous le nom de technique " Scan On Receive ".

Le dispositif de surveillance maritime peut comprendre au moins un réseau de formation de faisceaux 15. A l'émission, la ou les antennes 16 actives sont configurées pour orienter séquentiellement, chaque faisceau 30 d'impulsions de façon à couvrir N fauchées 35 quasi contigües. A cet effet, le dispositif de surveillance maritime peut comprendre un seul module de formation de faisceau agile (ou BFN pour "Beam Forming Network" selon la terminologie anglo saxone) pour générer séquentiellement les N faisceaux d'émission 30. Pendant la phase de réception, chacune des N voies de réception est configurée pour balayer simultanément une fauchée 35 différente à l'aide d'un faisceau de balayage 40 orienté vers la direction d'arrivée des échos rétrodiffusés. A cet effet, le dispositif comprend N modules de formation de faisceau permettant de générer N faisceaux fixes ou à balayage 40 comme décrit précédemment. La solution à balayage (technique " Scan-On- Receive") est à préconiser car elle améliore le bilan de liaison de l'instrument (gain antenne réception plus fort avec un faisceau à ouverture réduite). Le dispositif de surveillance maritime selon l'invention, peut être un radar spatial de surveillance maritime à très large couverture embarqué sur 20 un satellite pour des missions de surveillance maritime. En référence aux figures 2 à 4, le procédé de surveillance maritime à très haute altitude selon l'invention comprend, pour chaque période de répétition des impulsions Tr=1/PRF, une étape d'émission Tx pendant 25 laquelle N faisceaux d'impulsions 30 sont émis, de façon séquentielle, par une même voie d'émission et une étape de réception Rx simultanée par N voies de réception des échos rétrodiffusés par surface de la mer ou de l'océan observé et les éventuelles cibles naviguant à sa surface. Dans les exemples illustrés N=4 mais le procédé peut être généralisé pour tout N 30 strictement supérieur à 1. Le chronogramme de la figure 2 représente un exemple de signal électromagnétique pouvant être émis par la voie d'émission d'un dispositif de détection selon l'invention. Le signal est formé de N impulsions l, 12, 13,- , IN 35 émises pendant une durée totale Timp et avec une fréquence de répétition PRF. Dans l'exemple illustré à la figure 2, N=4. Les N faisceaux 30 d'impulsions sont multiplexés en temporel. L'intérêt d'émettre les faisceaux les uns à la suite des autres est de pouvoir faire travailler l'émetteur à puissance constante et ainsi d'en obtenir le meilleur rendement, très important pour des satellites où la puissance électrique est très limitée. De plus, cela permet de n'utiliser qu'un seul émetteur et ainsi de réduire le matériel à bord du satellite sur lequel peut être embarqué le dispositif de surveillance. Chacune des N impulsions peut avoir la même forme d'onde ou des formes d'onde différents. Ces impulsions peuvent être émises soit à la même fréquence soit à des fréquences différentes. Chaque faisceau est émis à une fréquence de répétition très inférieure à la bande Doppler des échos rétrodiffusés, typiquement au moins N fois inférieure. Différents types d'impulsions peuvent être utilisées en émission. 15 Suivant un mode de mise en oeuvre, les impulsions utilisées sont des impulsions modulées en rampe de fréquence également connue sous le terme anglo saxon "chirps". En référence à la figure 3, chacune des N impulsions l, 12, 20 sont émises séquentiellement de façon à former des faisceaux d'émission 30 orientés de façon à illuminer N fauchées 35 quasi contiguës couvrant la zone à observer. A cet effet, l'antenne du dispositif de détection maritime peut être une antenne active comportant des moyens de balayage électronique. Dans l'exemple illustré à la figure 3, les fauchées 35 sont non jointives car les 25 voies de réception ne peuvent pas recevoir quand l'émetteur émet. Comme vu précédemment, les performances de détection d'une cible sont définies par le contraste entre la puissance réfléchie par ladite cible et la somme de la puissance réfléchie par le clutter de mer et du bruit thermique. 30 Ce rapport, P calte,/(P Clutter PBruit) qui doit être le plus élevé possible, peut s'écrire sous la forme : SER Bd F k To. (42r)3 D' . Pertes (1) a° .-R, . Rd + PRF P',,, G,. GR /12 Où : SER représente la Surface Equivalente Radar de la cible, ao représente le coefficient de rétrodiffusion du clutter de mer, Bd représente la bande Doppler des échos reçus, PRF représente la fréquence de répétition des impulsions de l'onde émise, Ra et Rd représente respectivement la résolution en azimut et en distance, F représente le facteur de bruit du récepteur, K représente la constante de Boltzmann, 1-0 représente la température de référence (290 degrés Kelvin), D représente distance entre le dispositif de surveillance et la cible, Pmoy représente la puissance moyenne émise, Tc représente le temps d'intégration cohérente pour obtenir la résolution azimut Ra, GTx et GRx représentent respectivement les gains d'antenne dans la direction de la cible à l'émission et à la réception, X représente la longueur d'onde radar (correspondant à la fréquence radar).

La fréquence de répétition des impulsions PRF, quant à elle, vérifie la relation : c 2. L - PRF - sin(inc) (2) Où : c représente la célérité de la lumière, L représente la largeur de fauchée, PRF représente la fréquence de répétition et inc représente l'angle d'incidence du signal émis. Si on se réfère à la relation (2), la division de la largeur de fauchée en N sous fauchées plus petites permet d'augmenter la fréquence de répétition des impulsions PRF. Si on se réfère maintenant à la relation (1), cette augmentation de la fréquence de répétition des impulsions PRF permet de diminuer la puissance du clutter de mer et donc d'augmenter le contraste du dispositif de détection d'un facteur N lorsque le niveau de bruit est beaucoup plus bas que le niveau du clutter.

Ainsi, de façon avantageuse, pour un point d'une fauchée 35, la division de la largeur de fauchée par un facteur N permet d'améliorer les performances de détection du dispositif d'un facteur N sans pénaliser la largeur totale de fauchée qui, dans l'art antérieur est inversement proportionnelle à la fréquence de répétition des impulsions PRF. A chaque période de répétition des impulsions Tr=1/PRF, les différentes impulsions sont émises séquentiellement par la voie d'émission du dispositif de détection pendant un temps Timp puis, pendant un temps Tr10 Timp, les échos de ces impulsions sont reçus en parallèle par chaque voie de réception du dispositif. La zone de couverture globale comprend donc des zones de couverture aveugles entre les fauchées 35 correspondant à l'émission des N impulsions qui aveuglent la réception des échos réfléchis. Le faisceau de réception (40) d'une fauché (35) peut avoir la même 15 largeur que le faisceau d'émission (30) ayant éclairé ladite fauché (35) ou être de largeur inférieure. Suivant un mode de mise en oeuvre illustré figure 4, la réception des échos des N fauchées 35 peut être effectuée par balayage simultané de ces 20 fauchées, chaque voie de réception balayant une fauchée 35 différente. A cet effet, chaque voie de réception peut utiliser un faisceau de balayage 40 plus fin que le faisceau 30 d'émission et des moyens d'orientation dynamique dudit faisceau de balayage 40 vers la direction d'arrivée des échos. Cette technique est connue sous le terme anglo saxon de "Scan On 25 Receive". Ceci permet d'augmenter le gain en réception, et donc de diminuer le bruit thermique et d'améliorer la détectabilité. A titre d'exemple, avec une antenne de 1,2m de hauteur, le gain atteint environ 5 dB pour un radar offrant une fauchée de 1000 km, fonctionnant en bande X, à une altitude d'environ 550 km et visant une incidence de visée presque rasante. 30 De façon avantageuse, l'utilisation d'un faisceau fin 40 balayant chaque fauchée 35, permet d'isoler les différents échos de 20 à 30 dB environ. Ceci permet, par exemple, d'utiliser une même fréquence pour les différents faisceaux d'émission 30.

De façon avantageuse, à l'aide d'une seule voie d'émission et N voies de réception, un dispositif de surveillance selon l'invention réalise l'équivalent de N dispositifs de détection fonctionnant en même temps.

Le dispositif selon l'invention peut être un dispositif de surveillance maritime à très haute altitude. Il peut être embarqué sur un satellite spatial d'observation destiné à la détection de cible navigant à la surface des mers et des océans. Ce satellite peut être un satellite évoluant en orbite basse, typiquement sur une orbite de 200 à 1 000 km.

Par rapport au cas d'un fauchée unique, la division de la fauché en N sous fauchées plus petites permet de détecter des cibles plus petites sans modification des performances de couverture, de probabilité de détection et de probabilité de fausse alarme du dispositif de surveillance maritime.15

Claims

REVENDICATIONS1 Procédé radar de surveillance maritime mis en oeuvre par un dispositif de surveillance maritime comprenant au moins une antenne active (16) possédant des moyens de balayage en émission et en réception, une voie d'émission (12) configurée pour émettre des faisceaux (30) d'impulsions selon une fréquence de répétition (PRF) et N voies de 1.0 réception (14) avec N entier strictement supérieur à 1, lesdites voies de réception (14) étant configurées pour recevoir les l'échos desdites impulsions rétrodiffusés par la surface de la zone maritime surveillée, l'empreinte, à la surface de ladite zone maritime observée, de chaque faisceau d'émission (30) définissant une fauchée, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend pour chaque période de répétition des impulsions Tr=1/PRF : une étape d'émission pendant laquelle N faisceaux (30) sont émis par ladite voie d'émission (12) de façon séquentielle, chaque faisceau (30) étant émis avec la même forme d'onde et 20 une fréquence au moins N fois inférieure à la bande Doppler des échos rétrodiffusés, lesdits faisceaux d'émission (30) étant orientés de façon à couvrir N fauchées (35) quasi contigües, une étape de réception des échos par balayage simultané des N fauchées (35) par les N voies de réception, chaque voie de 25 réception (14) couvrant une fauchée différente.
2. Procédé selon la revendication précédente selon laquelle les N faisceaux d'émission (30) sont émis à la même fréquence.
3. Procédé selon la revendication 1 selon laquelle les N faisceaux d'émission (30) sont émis à des fréquences différentes. 30
4. Procédé selon une des revendications précédentes selon lequel le faisceau de réception (40) d'une fauché (35) est identique au faisceau d'émission (30) ayant éclairé ladite fauché (35). . Procédé selon une des revendications 1 à 3 selon lequel le faisceau de réception (40) est un faisceau agile de largeur inférieure à celle du faisceau d'émission (30) ayant éclairé ladite fauché (35), ledit faisceau de réception (40) balayant ladite fauché (35). 6. Procédé selon une des revendications précédentes selon lequel le dispositif de détection maritime est un radar à synthèse d'ouverture. 7. Procédé selon une des revendications précédentes selon lequel le dispositif de détection maritime est embarqué dans un satellite. 8. Dispositif radar de surveillance maritime configuré pour mettre en oeuvre le procédé de surveillance maritime selon une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend au moins une antenne (16) active possédant des moyens de balayage en émission et en réception, une voie d'émission (12) configurée pour émettre des impulsions et N voies de réception (14) avec N entier 15 strictement supérieur à 1 configurées pour recevoir les l'échos, desdites impulsions, rétrodiffusés par la surface de la zone maritime surveillée, ladite voie d'émission (12) étant configurée pour émettre de façon séquentielle, N faisceaux (30) d'impulsions avec la même forme 20 d'onde et une fréquence au moins N fois inférieure à la bande Doppler desdits échos rétrodiffusés et pour orienter chaque faisceau d'émission (30) de façon à couvrir N fauchées (35) quasi contigües, une fauchée correspondant à l'empreinte, à la surface de ladite zone maritime observée, de chaque faisceau d'émission (30) d'impulsions, 25 chacune desdites N voies de réception (14) étant configurée pour couvrir simultanément une fauchée (35) différente à l'aide d'un faisceau de réception (40) orienté vers la direction d'arrivée des échos rétrodiffusés. 9. Dispositif selon la revendication précédente selon lequel chacune 30 desdites N voies de réception (14) est configurée pour balayer simultanément une fauchée (35) différente à l'aide d'un faisceau de réception (40) dont la largeur est inférieure à celle du faisceau d'émission (30) ayant éclairé ladite fauché (35).10. Dispositif selon une des revendications 8 ou 9 selon lequel il est configuré pour fonctionner comme un radar à synthèse d'ouverture. 11.Dispositif selon une des revendications 8 à 10 selon lequel il est embarqué à bord d'un satellite spatial. 12. Satellite caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de surveillance maritime selon une des revendications 8 à 10.