WO2004001446A1

WO2004001446A1 - Antenne millimetrique cylindrique pour radar de type sar rotatif

Info

Publication number: WO2004001446A1
Application number: PCT/EP2003/050248
Authority: WO
Inventors: Claude Chekroun
Original assignee: Thales
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2003-06-20
Publication date: 2003-12-31
Also published as: AU2003266406A1; FR2841387B1; FR2841387A1

Abstract

La présente invention concerne une antenne, notamment millimétrique, et un radar équipé d'une telle antenne. L'antenne comporte un cylindre métallique (1) à ouverture rayonnante hélicoïdale (2) et un illuminateur (5) placé à I'intérieur du cylindre et s'étendant le long de l'axe (10) de ce dernier. Le cylindre (1) et I'illuminateur (5) ont un mouvement de rotation relatif. L'invention s'applique en particulier pour la détection d'objets dans un domaine donné. A ce titre, elle s'applique par exemple pour la surveillance d'aéroports.

Description

ANTENNE MILLIMETRIQUE CYLINDRIQUE POUR RADAR DE TYPE SAR ROTATIF

La présente invention concerne une antenne, notamment millimétrique. L'invention s'applique en particulier pour la détection d'objets dans un domaine donné. A ce titre, elle s'applique par exemple pour la surveillance d'aéroports. L'invention concerne aussi un radar équipé d'une antenne, par exemple un radar de surveillance.

II existe des besoins en ce qui concerne notamment la surveillance des aéroports. Un premier type de surveillance a en charge l'état des pistes d'atterrissage et de décollage. En particulier, les sociétés gestionnaires d'aéroports doivent s'assurer de l'absence d'objets sur les pistes susceptibles d'endommager les avions. Un autre type de surveillance s'attache à la présence d'individus non autorisés sur les pistes et aux alentours des avions en stationnement, notamment la nuit.

Les radars sont bien adaptés à ce type de surveillance dans la mesure où ils sont opérationnels par tous temps ainsi que la nuit.

Un but de l'invention est de permettre la réalisation d'une antenne à faible coût et grande fiabilité, notamment pour des applications de radars de surveillance. A cet effet, l'invention a pour objet une antenne comportant un cylindre métallique à ouverture rayonnante hélicoïdale et un illuminateur placé à l'intérieur du cylindre et s'étendant le long de l'axe de ce dernier, le cylindre et l'illuminateur ayant un mouvement de rotation relatif.

Dans un mode de réalisation avantageux, l'illuminateur reste fixe.

L'illuminateur est par exemple composé de guides à fentes rayonnantes. L'invention a également pour objet un radar équipé d'une telle antenne. Le radar applique avantageusement un traitement de type SAR en exploitant le déplacement du centre de phase du rayonnement de l'antenne.

L'invention a encore pour principaux avantages qu'elle permet une haute résolution, qu'elle s'applique dans de nombreux domaines et qu'elle est simple à mettre en œuvre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : - la figure 1 , un exemple de réalisation d'une antenne selon l'invention par une vue en perspective ;

- la figure 2, par une vue transversale, une disposition d'un illuminateur par rapport à un cylindre, deux éléments composant en partie l'antenne ; - la figure 3, un mode de fixation possible de l'illuminateur ;

- les figures 4a, 4b et 4c une illustration du fonctionnement d'une antenne selon l'invention ;

- la figure 5, une illustration du lobe d'antenne selon l'invention ;

- la figure 6, une représentation imagée d'une antenne selon l'invention par une antenne classique en mouvement ;

- la figure 7, un mode d'alimentation possible de l'illuminateur dans une antenne selon l'invention ;

- la figure 8, un exemple d'application d'un radar selon l'invention.

La figure 1 illustre un exemple de réalisation d'une antenne selon l'invention. Cette antenne comporte un cylindre métallique 1 présentant une ouverture rayonnante 2 hélicoïdale. C'est-à-dire que cette ouverture est délimitée par deux hélices 3, 4 de même pas et décalées d'une distance d. Les deux hélices parcourent par exemple le cylindre sur toute sa longueur.

L'antenne comporte par ailleurs un illuminateur 5 disposé à l'intérieur du cylindre s'étendant le long de l'axe 10 du cylindre. L'illuminateur 5 peut être excentré par rapport à l'axe 10 du cylindre en raison notamment de contrainte de distance entre la face rayonnante de l'illuminateur et la partie métallique du cylindre 1. Le cylindre 1 et l'illuminateur 5 ont un mouvement de rotation relatif par rapport à l'axe 10 du cylindre. Dans un mode de réalisation, l'illuminateur est fixe et le cylindre tourne autour de son axe 10. Le cylindre à ouverture rayonnante 1 peut être réalisé de différentes manières. En particulier, ce cylindre 1 est par exemple composé d'un cylindre en matériau diélectrique d'épaisseur sensiblement constante recouvert d'une couche métallique sauf entre les hélices 3, 4 délimitant l'ouverture de rayonnement. Un processus de réalisation du cylindre à ouverture rayonnante 1 peut alors comporter une étape de réalisation d'un cylindre en matériau diélectrique, une étape de recouvrement de ce cylindre par une couche métallique puis une étape de démétallisation entre les lignes 3, 4 délimitant l'ouverture de rayonnement.

La figure 2 montre par une vue transversale, dans un plan perpendiculaire à l'axe 10 du cylindre, comment est disposé l'illuminateur 5 par rapport au cylindre 1 . La face de l'illuminateur est par exemple conformée de façon à ce que tous ses points rayonnant soient sensiblement à une distance λ/2 de la paroi métallisée du cylindre, λ étant la longueur d'onde de fonctionnement. Une lentille de convergence 21 est par exemple placée dans le champ de rayonnement de l'antenne, plus particulièrement de l'illuminateur 5, de façon à refocaliser le rayonnement dans le plan de la vue de la figure 2, qui est par exemple le plan de site. La défocalisation du rayonnement est notamment due au fait que l'ouverture rayonnante 2 est décalée angulairement par rapport à ce plan, en raison de la forme hélicoïdale de cette ouverture. L'illuminateur occupe par exemple une longueur inférieure ou égale à la longueur L du cylindre et une portion angulaire α de ce cylindre. A la limite, l'angle α peut être égal à 2π.

L'illuminateur 5 est par exemple composé d'un réseau de guides à fentes. Chaque guide à fente est par exemple un guide en mode progressif, refermé sur une charge hyperfréquence, les fentes de rayonnement étant toutes identiques. Les guides sont alimentés par une source hyperfréquence.

La largeur de l'illuminateur 5, c'est-à-dire par exemple le nombre de guides en parallèle dépend de la largeur de diagramme d'antenne souhaité. En particulier, le diamètre du cylindre 1 dépend de la largeur de l'illuminateur.

L'illuminateur est par exemple prolongé sur chaque côté par des plaques métalliques 6 pour éviter les effets de bord. Ces plaques, comme l'illuminateur épousent sensiblement la forme du cylindre. L'illuminateur peut fonctionner en polarisations croisées. A cet effet, une série de guides à fentes fonctionnent selon une polarisation et l'autre série de guides à fentes fonctionnent selon la polarisation perpendiculaire, les guides à polarisation directe et perpendiculaire étant par exemple intercalés.

L'illuminateur 5 étant fixe, il n'est alors pas nécessaire de prévoir un joint tournant entre ce dernier et les guides d'arrivée des ondes hyperfréquence. L'invention évite ainsi l'utilisation d'un joint tournant hyperfréquence. Il en résulte avantageusement une économie et une meilleure fiabilité de fonctionnement.

Comme l'illustre la figure 3, le réseau de guides à fentes est par exemple fixé sur un cylindre intérieur 31 , concentrique avec le cylindre métallique à ouverture rayonnante 1. Les deux cylindres 1 , 31 ont un mouvement de rotation relatif. Dans un mode de réalisation, le cylindre 31 qui supporte le rayon de guides à fente reste fixe. Le cylindre extérieur 1 est entraîné en rotation par un moteur. La faible inertie de ce cylindre 1 permet l'utilisation de moteur rapide pouvant atteindre par exemple de l'ordre de 10 000 tours par minute.

Les figures 4a, 4b et 4c illustrent le fonctionnement d'une antenne selon l'invention. En fonctionnement, les parties de l'illuminateur 5, par exemple les fentes, qui font face à la paroi métallisée du cylindre 1 ne rayonnent pas, du fait de la distance λ/2 qui crée un court-circuit hyperfréquence. Les parties de l'illuminateur qui sont en regard de l'ouverture 2 participent au rayonnement de l'antenne. En fait, du fait de la forme en hélice de l'ouverture 2, au regard de l'illuminateur cette ouverture se présente comme plusieurs ouverture ou encore une ouverture globale entrecoupée de la partie métallisée du cylindre 1. La figure 4a illustre une position de l'ouverture rayonnante 2 au regard de l'illuminateur 5 à un instant donné to. La figure 4c illustre le faisceau d'antenne associé à la position de la figure 4a avec son centre de phase 43 situé au niveau de l'illuminateur 5. Le faisceau 41 représente ici la couverture angulaire de l'antenne. La figure 4b illustre les même éléments que ceux de la figure 4a, mais à un instant suivant to + Δt. Dans le plan de la figure, l'ouverture s'est alors décalée d'une distance Δ par suite de la rotation du cylindre 1 et de la forme en hélice de son ouverture rayonnante 2. Le faisceau d'antenne 42 correspondant à la position de cylindre 1 de la figure 4b est représenté avec son centre de phase 44 qui s'est décalé d'une distance Δ. La rotation du cylindre permet donc le déplacement continu du centre de phase du rayonnement, et permet ainsi d'obtenir un fonctionnement du type radar à antenne synthétique ou SAR, selon l'expression anglo-saxonne « Side Aperture Radar ». Cette propriété d'une antenne selon l'invention peut alors être avantageusement exploitée par des moyens de traitement radar pour obtenir et analyser des images radar à haute résolution. Pour mémoire, les radars à antenne synthétique sont des radars dont l'antenne est orientée perpendiculairement à la route du porteur. C'est le porteur du radar, et plus particulièrement de l'antenne, qui dans son déplacement engendre l'observation de l'espace. Dans la présente invention, le déplacement du porteur est simulé par le déplacement du centre de phase. Les deux dimensions de l'image radar sont définies par la direction de propagation et le déplacement du porteur. La résolution spatiale, qui conditionne la finesse de l'image observée, est donc obtenue :

- dans la direction perpendiculaire au mouvement du porteur par la résolution en distance du radar ; dans la direction du mouvement du porteur par la largeur du lobe d'antenne. Le traitement du type SAR est notamment décrit dans l'ouvrage de

J.Darricau : Physique et Théorie du Radar -Tome 3, 3^eme édition - Chapitre 21 , page 483 - Editeur Sodipe, Paris 1994.

Le long de l'axe 49 l'illuminateur 5, parallèle à l'axe 10 du cylindre, le centre de phase se déplace entre une position x₀ - Δ_Maχ/2 et xo + Δ_Maχ/2. L'amplitude du déplacement Δ _aχ dépend du pas des hélices 3, 4 formant l'ouverture rayonnante.

La figure 4c montre donc le déplacement du centre de phase. Dans le l'exemple considéré, ce déplacement se fait en gisement, ce qui convient notamment pour une application de surveillance. Pour des facilités de description, la figure 4c ne présente que l'illuminateur 5 et le faisceau 41 , le cylindre à ouverture rayonnante 1 étant représenté en pointillé pour mémoire. Le déplacement du faisceau se fait donc en fonction de la rotation de l'ouverture rayonnante 2 autour de l'illuminateur, ce qui correspond en fait au glissement de l'ouverture rayonnante le long de cet illuminateur selon l'amplitude Δ _3X- La largeur du faisceau 41 , 42 est fonction de la largeur d de l'ouverture rayonnante, cette largeur étant en fait la distance entre les deux hélices définissant cette ouverture. La largeur à 3dB du faisceau 41 est λ/d, où λ est la longueur d'onde émise. En cas d'application de surveillance d'un espace, une piste d'atterrissage ou de décollage par exemple, il est préférable que cette largeur couvre de l'espace à surveiller. A titre d'exemple si le faisceau 41 doit couvrir un espace de 1000 mètres de long sur 100 mètres de large, l'angle à 3dB, noté θ_3dB, doit être égal à 100/1000 = 0,1 radians, soit environ 6°. La largeur d de l'ouverture rayonnante 2 est alors égale à 0,1 λ. Pour une fréquence de fonctionnement de 75 GHz par exemple, λ est alors égale à 4 mm, et donc la largeur de l'ouverture rayonnante égale à 4 cm.

La figure 5 illustre le lobe d'antenne 51 correspondant au rayonnement de l'illuminateur entrecoupé des zones de masquage métallisées. Classiquement l'angle à 3dB de ce faisceau, noté θ'_3dB, est égal à λ/L, où L est la longueur totale de l'illuminateur. Par exemple, dans l'exemple précédent à 75 GHz, si on souhaite une largeur de lobe de 10 mètres à 1000 mètres, il faut θ'_3dB = 0.01 radians. Ce qui fait une longueur L d'illuminateur de 40 cm, cette longueur étant aussi celle du cylindre 1 à ouverture rayonnante. Le lobe 51 de déplace lui-même d'un mouvement de rotation 45 autour du centre de phase 43 à l'intérieur du faisceau 41. Ce cette façon le lobe d'antenne 51 balaie un espace donné. La figure 5, toujours en se référant à l'exemple précédent, représente le lobe 51 en gisement. Pour la couverture en site, l'angle dépend notamment de la largeur de l'illuminateur.

La figure 6 fait de façon imagée la synthèse des figures 4c et 5 en montrant qu'une antenne selon l'invention produit un rayonnement analogue à celui d'une antenne classique 61 qui se déplacerait le long de l'axe 49 de l'illuminateur, dans les deux sens, dans une amplitude maximum Δ _ax- Cette antenne classique 61 présente un lobe d'antenne 51 semblable à celui de l'antenne selon l'invention, ce lobe ayant un mouvement de rotation autour de du centre phase de l'antenne classique. La vitesse de déplacement du centre de phase, fonction de la vitesse de rotation du cylindre 1 à ouverture rayonnante, peut être très grande. On a vu en effet précédemment que du fait de la faible inertie du cylindre 1 , cette vitesse de rotation pouvait être très grande.

La figure 7 présente de façon schématique un exemple possible d'alimentation de l'illuminateur 5, celui-ci étant par exemple composé de guides à fentes rayonnantes. Cette alimentation en onde hyperfréquence est réalisée par une lentille géodésique 71. Par ce mode de réalisation, tous les guides peuvent aisément rayonner en phase. La lentille 71 est reliée à un guide d'onde non représenté qui lui fournit l'onde hyperfréquence à émettre. Ce guide est relié via des circulateurs hyperfréquence à des moyens d'émission. De même pour la réception, par ce même guide, la lentille est reliée à des moyens de réception. Avantageusement, la lentille reste fixe dans la mesure où c'est le cylindre 1 à ouverture rayonnante, non représentée sur la figure 7, qui est animé d'un mouvement de rotation.

La figure 8 illustre un exemple d'application d'un radar selon l'invention pour la surveillance d'une zone donnée 90. Un radar selon l'invention, comporte une antenne telle que décrite précédemment, notamment pour la surveillance. La figure 8 présente à titre d'exemple la surveillance d'une piste 90. Le radar 81 est donc équipé d'une antenne selon l'invention, symbolisée ici par son cylindre 1 à ouverture rayonnante. En dehors de l'antenne, les composants du radar 81 peuvent être classiques. Ses moyens d'émission et de réception sont reliés à l'antenne par une liaison hyperfréquence 82 par l'intermédiaire par exemple d'une lentille géodésique telle que décrite précédemment. La piste est par exemple celle décrite précédemment, ayant une longueur de l'ordre de 1000 mètres et une largeur de 100 mètres. L'antenne 1 est par exemple placée en bout de piste, sensiblement centrée sur la ligne médiane. Son lobe 51 balaie la piste.

La fréquence d'émission f du radar est par exemple modulée selon une rampe linéaire entre une fréquence fi et une fréquence f₂. Une case distance est alors définie par le rapport c/Δf, où c est la vitesse de propagation de l'onde et Δf = f₂ — f 1. Δf est par exemple définie de façon à ce qu'une case distance soit égale à 10 mètres. De même, la longueur de l'antenne est définie de façon à ce que la largeur du lobe 51 à 3dB correspondent à une largeur de résolution de 10 mètres, compte tenu de la fréquence d'émission. Une aire de résolution 83 est alors sensiblement un carré de 10 mètres x 10 mètres.

On suppose que chaque mètre carré de l'aire de résolution 83 réémet la puissance émise avec une atténuation de -30dB, correspondant à du clutter. La cellule renvoie alors globalement, en l'absence d'objet une puissance de -30dB + 20dB, soit -10dB. Si on considère un objet ayant une surface équivalent radar de l'ordre d'un mètre carré sur la piste, par exemple un gros boulon, on peut obtenir un contraste de 10dB, ce qui est suffisant pour une détection. Les moyens de traitement du radar 81 appliquent alors avantageusement un traitement de type SAR en exploitant le déplacement du centre de phase du rayonnement de l'antenne le long de l'axe de l'illuminateur. A chaque balayage d'antenne une image radar de la piste est mémorisée par les moyens de traitement. La présence d'une cible indésirable sur la piste, objet ou individu, se traduit alors par une anomalie sur l'image. Cette détection d'anomalie se fait par analyses des images radars successives obtenues. En particulier, si le radar détecte une anomalie au cours d'un balayage, il génère par exemple une alerte.

L'invention a été décrite à titre d'exemple pour une application de surveillance d'aéroport. Une antenne ou un radar selon l'invention peut évidemment être utilisés dans d'autres domaines, en particulier dans des domaines où il peut être intéressant d'utiliser un traitement radar du type SAR. Elle peut notamment être utilisée pour le contrôle sur autoroutes. En particulier, les images radar ne sont pas perturbées par les conditions atmosphériques ou climatiques. En temps de pluie, la polarisation circulaire de l'illuminateur peut alors être avantageusement utilisée.

Claims

REVENDICATIONS

1. Antenne, caractérisée en ce qu'elle comporte un cylindre métallique (1 ) à ouverture rayonnante hélicoïdale (2) et un illuminateur (5) placé à l'intérieur du cylindre et s'étendant le long de l'axe (10) de ce dernier, le cylindre (1 ) et l'illuminateur (5) ayant un mouvement de rotation relatif.

2. Antenne selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'illuminateur (5) est conformé de façon à ce que ses points rayonnant se situent tous sensiblement à une distance λ/2 de la paroi métallique du cylindre, où λ est la longueur de l'onde émise par l'antenne.

3. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'illuminateur est composé de guides à fentes rayonnantes.

4. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que chaque guide fonctionne en mode progressif, refermé sur une charge hyperfréquence.

5. Antenne selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que une série de guides fonctionne dans une polarisation et l'autre série de guides fonctionne dans la polarisation croisée.

6. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'illuminateur est prolongé par des plaques métalliques.

7. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le cylindre (1 ) à ouverture rayonnante est par exemple composé au moins d'un cylindre en matériau diélectrique recouvert d'une couche métallique excepté à l'emplacement de l'ouverture.

8. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'illuminateur est en position fixe.

9. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'illuminateur est relié à une lentille géodésique, cette dernière assurant la liaison de l'illuminateur avec des moyens d'émission et de réception d'ondes hyperfréquence.

10. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'illuminateur est disposé sur un cylindre intérieur (31 ) et concentrique au cylindre (1 ) à ouverture rayonnante.

11. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une lentille de convergence (21 ) est placée dans le champ de rayonnement de l'illuminateur (5) dans un plan perpendiculaire à l'axe (10) du cylindre (1 ).

12. Radar, caractérisé en ce qu'il est équipé d'une antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes.

13. Radar selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il applique un traitement de type SAR en exploitant le déplacement du centre de phase (52) du rayonnement de l'antenne le long de l'axe (49) de l'illuminateur, ce déplacement simulant le déplacement d'un porteur.

14. Radar selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que l'antenne est disposée de telle façon que le déplacement du centre de phase s'effectue en gisement.

15. Radar selon l'une quelconque des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce qu'étant appliqué à la surveillance d'une zone donnée (90), il détecte les présences de cibles par analyse d'anomalie entre images radar, une image radar étant mémorisée à chaque balayage de la zone (90) par le lobe (51 ) de l'antenne.

16. Radar selon la revendication 15, caractérisé en ce que le zone donnée (90) est située dans un aéroport.

17. Radar selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il est appliqué à la surveillance d'une piste d'atterrissage ou de décollage.