EP3999872A1 - Systéme de détection d'objets longue portée - Google Patents

Systéme de détection d'objets longue portée

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EP3999872A1
EP3999872A1 EP20740028.4A EP20740028A EP3999872A1 EP 3999872 A1 EP3999872 A1 EP 3999872A1 EP 20740028 A EP20740028 A EP 20740028A EP 3999872 A1 EP3999872 A1 EP 3999872A1
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EP
European Patent Office
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sensors
plane
objects
signals
distance
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Pending
Application number
EP20740028.4A
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German (de)
English (en)
Inventor
Wilfried Greverie
Jean-Jacques Maintoux
Jean-Pierre Marcy
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
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    • G01S13/284—Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse modulated waves wherein the transmitted pulses use a frequency- or phase-modulated carrier wave with time compression of received pulses using coded pulses
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    • G01S13/32—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S13/34—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal
    • G01S13/347—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal using more than one modulation frequency
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    • G01S13/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
    • G01S13/44—Monopulse radar, i.e. simultaneous lobing
    • G01S13/4454—Monopulse radar, i.e. simultaneous lobing phase comparisons monopulse, i.e. comparing the echo signals received by an interferometric antenna arrangement

Definitions

  • TITLE Long-range object detection system
  • the present invention relates to the field of object detection systems, or radars. It relates in particular to detection systems used for three-dimensional (3D) localization.
  • the armed forces deployed in theaters of operations are faced with increasingly diversified short-range threats (rockets, mortars, missiles, drones, small planes, vehicles, infantry, etc.).
  • the means of surveillance currently available are generally adapted to the detection and localization of a particular type of threat, in particular in terms of detection distance capacity.
  • a high point such as a geographical point, but such a point is not necessarily available
  • the weight of the radar system places significant constraints on the structure of such a mast, its deployment and its maximum height, o under an airborne device such than a balloon filled with a light gas
  • the dimensioning of the balloon is directly linked to the payload to be carried.
  • a load of 35kg requires a balloon a few meters in length, while a load of 200kg requires a large balloon (greater than 25 meters).
  • the implementation is therefore complex when the mass of the radar is greater than a few hundred kilograms, a large balloon having high acquisition and deployment costs.
  • the energy consumption and cooling of these devices require large section power lines, the weight of which can lead to the permissible load being exceeded. The same is true when the airborne device is of a different nature, such as for example a drone.
  • An aim of the invention is therefore to provide a detection device having an extended range on rockets, or other type of missiles, but also a simultaneous detection and 3D localization capability on air threats such as drones , helicopters and microlights, and / or vehicles and / or humans on the move, while ensuring that the cost of the device, its weight, its complexity of implementation and its complexity of deployment are lower than for known solutions .
  • FIG. 1 very briefly represents the various components of a detection device.
  • This comprises a radar processing device 101, in charge on the one hand of generating or playing a radar signal, and on the other hand of receiving one or more echo signals, and of implementing signal processing algorithms in order to locate objects in a 2-dimensional environment (2D) or three-dimensional (3D).
  • 2D 2-dimensional environment
  • 3D three-dimensional
  • the radar processing device is connected to a transmission device 102
  • the transmission device 102 therefore comprises a digital to analog converter (DAC) in order to convert the signals which are transmitted to it by the radar processing device when these are digital, a radiofrequency chain for amplifying and transposing the signal onto carrier frequency when it is received in baseband or on an intermediate frequency, as well as one or more transmitting antennas, such as for example an omnidirectional antenna such as a dipole or a directional antenna such as a patch antenna or network antenna.
  • DAC digital to analog converter
  • the radar processing device 101 receives signals from a signal reception device 103.
  • the latter is configured to receive signals echoing the signals transmitted on one or more sensors.
  • Each sensor comprises at least one radiating element, omnidirectional in a plane or directional depending on the configuration. These sensors can be networked to form a directional antenna.
  • the signal reception device 103 is configured to acquire the signals received from one or more sensors according to given configuration parameters, such as for example times of reception, a frequency of reception and / or a direction of reception, and to transmit them to the radar processing device for analysis.
  • Each sensor is connected to a radio frequency chain configured to filter and amplify the received signal, and to transpose it to baseband or frequency
  • each sensor is also connected to an analog to digital signal converter (ADC).
  • ADC analog to digital signal converter
  • the radiofrequency chain and / or the analog to digital converter can be integrated into the sensor.
  • the various elements of the detection system can be co-located or grouped together in a single item of equipment: this is then referred to as monostatic radar. They can also be broken down into several separate items of equipment: this is called bistatic radar when transmission and reception are separate.
  • Co-located radars generally use the same antennas to transmit and receive signals, in order to reduce the size, weight and cost of the equipment.
  • the radar processing device 101 is a calculation device, of
  • DSP Digital Signal
  • ASIC application Specifies Integrated Circuit
  • FPGA field-Programmable Gâte Array
  • the radar processing device From the signals emitted by the transmitting device and the signals received from the receiving device, the radar processing device detects and follows targets present in the space to be monitored. These are characterized by a distance, an azimuth and an elevation, and possibly by other parameters such as their Doppler speed for example. For this, many methods are known from the state of the art. Among them are phase or amplitude interferometric processing, such as Adcock's gratings, beam-forming techniques, or so-called high-resolution processing, such as, for example, the MUSIC algorithm (acronym for MUItiple Signal Classification).
  • phase or amplitude interferometric processing such as Adcock's gratings, beam-forming techniques, or so-called high-resolution processing, such as, for example, the MUSIC algorithm (acronym for MUItiple Signal Classification).
  • an Adcock array requires several antennas spaced apart by a deviation proportional to the wavelength of the signals
  • an array antenna comprises a plurality of radiating elements spaced apart by a distance proportional to the wavelength.
  • the dimensioning of radar systems is therefore closely linked to the frequency of the signals used.
  • low frequency radars require large and widely spaced transmitting and receiving antennas, while high frequency radars are more compact.
  • the three-dimensional detection requires the implementation of a directional antenna mechanically mobile along two axes or radiating elements distributed in two perpendicular planes.
  • system for detecting the presence of objects and estimating their direction and distance in three dimensions including:
  • a transmission device configured to transmit signals according to a colored transmission method in a foreground
  • reception device comprising at least two sensors arranged in a second plane perpendicular to the first plane
  • the processing means are configured to detect the presence of objects and estimate their direction and distance:
  • the transmitting device and the receiving device are separate, the receiving device being raised relative to the transmitting device.
  • each sensor comprises an omnidirectional radiating element in the foreground.
  • the first plane is a horizontal plane, in which the sensors of the reception device are arranged in a vertical plane.
  • the sensors of the reception device are then connected by a cable and suspended under an airborne device enabling them to be raised, such as an inflatable balloon or a drone.
  • a single sensor is used to detect the presence of objects and estimate their direction and distance in the foreground, preferably the highest sensor.
  • the first plane is a vertical plane and the sensors of the receiving device are arranged in a horizontal plane.
  • the sensors of the reception device can then be placed in line, the system also having means for removing ambiguities in the position of the objects relative to the sensors in the horizontal plane.
  • the sensors of the receiving device can also be arranged so as to form a triangle, the detection of the presence of objects and the estimation of their direction and distance in the horizontal plane being carried out for each branch of the triangle respectively, then combined so as to remove ambiguities about the position of objects relative to the sensors in the horizontal plane.
  • the sensors of the reception device are connected to the
  • the sensors further comprising means for converting the signals received into optical signals.
  • the use of an optical fiber link makes it possible to reduce the mass of the cable making it possible to transmit the signals acquired by the sensors of the receiving equipment, and therefore the mass of all of the receiving equipment.
  • distance in the second plane can be achieved by implementing an interferometry method or high-resolution processing on the signals received from at least two sensors of the receiving antenna.
  • it can be implemented by exploiting the directivity of an array antenna formed by the at least two sensors of the receiving antenna.
  • the invention also describes a method for implementing a detection of the presence of objects and for estimating their direction and distance in three dimensions in a detection system comprising: a transmission device configured to transmit signals according to a colored transmission method in a first plane,
  • a reception device comprising at least two sensors arranged in a second plane perpendicular to the first plane, and
  • the method comprises the steps of:
  • FIG. 1 shows a system for detecting the presence of objects and estimating their direction and distance, or radar, as known from the state of the art
  • FIG. 2 shows a first embodiment of a
  • FIG. 3 shows a second embodiment of a
  • FIG. 4 shows a third embodiment of a
  • FIG. 5a represents the losses linked to the interference fringes, for equipment located at ground level
  • FIG. 6 shows the steps of an embodiment of a method of implementing a detection of three-dimensional objects according to the invention
  • the invention finds that the transmission device has a much greater weight than the reception device. This is due in particular to the mandatory presence of high power amplifiers, power electronics such as high capacity capacitors, elements necessary for cooling the amplifiers, as well as lines
  • the invention proposes to separate the transmission part from the reception part, like a bistatic radar, and to raise the reception device as a priority. In this way, the mass of the load to be raised is reduced in significant proportions, which simplifies the implementation of the system, and makes it possible to improve the propagation conditions for the reception part at a lower cost. In addition, raising the receiving antenna significantly limits interference fringes and losses for low altitude targets.
  • the invention proposes to rely on a method of colored emission of signals, also known under the name of simultaneous multiple emission.
  • This process cited for example in the article "Colored emission for active radar antenna", Institut Le Chevalier, Laurent Savy, REE N ° 03, Revue de l'Electricotti et de / 'Electronique, March 2005, pages 48-52, consists in dividing the space in which the transmitting antenna emits into sub-networks using MIMO processing methods (acronym for "Multiple Input Multiple Output ”) or MISO (acronym for“ Multiple Input Single Output ”).
  • European patent application EP 2 296 007 A1 describes a beam agile radar in which detection is carried out in a plane from the coloring of the signals, and in the orthogonal plane by beam formation.
  • Figure 2 shows a first embodiment of a system of
  • the detection system according to the invention also makes it possible to detect other objects and estimating their direction and distance in 3D according to the invention. Obviously to a person skilled in the art, the detection system according to the invention also makes it possible to detect other objects and estimating their direction and distance in 3D according to the invention. Obviously to a person skilled in the art, the detection system according to the invention also makes it possible to detect other objects and estimating their direction and distance in 3D according to the invention.
  • the emission device 201 is arranged at the top of a telescopic mast self-supported by a vehicle, but it could also be directly installed on the ground.
  • the height h 1 of the telescopic mast is constrained by the heavy weight of the emission device.
  • the transmission device is configured so as to transmit a signal of
  • the transmission device is connected to a radar processing device 230, which in the example is on board the carrier vehicle, but the arrangement of which does not matter.
  • the reception device comprises several sensors 21 1 to 215 separated from the transmission device, arranged in line and vertically, thus together making up a reception network antenna.
  • the sensors are connected by a cable to a high point such as an inflatable balloon 221 or to any other element making it possible to suspend the reception device (drone, crane, pylon, etc.), so that they are placed between the ground and the high point.
  • the sensors of the receiving device are also connected to a radar processing device 230 by a cable 220 which ensures the transport of signals and power supplies.
  • This cable can be the same as that ensuring the maintenance of the sensors, and / or that ensuring the maintenance in position of the balloon 221.
  • the solution in which the cable used for the transmission of the signals is different from the cable maintaining the balloon 221 is however preferable. in order to facilitate the deployment and folding of the device. Due to the low weight of the sensors, the height h 2 of the highest sensor can be greater or much greater than the height h 1 to which the emission device 201 is fixed.
  • An aim of the invention being to position the sensors of the reception device as high as possible in order to increase direct visibility and to reduce the interference fringes due to reflections on the ground, this aim is therefore achieved by virtue of the distinction between transmission device and reception device.
  • the sensors of the reception device 21 1 to 215 comprise omnidirectional radiating elements in the horizontal plane, such as for example dipole antennas mounted vertically, which makes the equivalent antenna formed by the array of omnidirectional sensors in azimuth and directive in elevation.
  • the sensors can also be directional if the purpose of the antenna is not to provide 360 ° surveillance in the horizontal plane.
  • each sensor further comprises a low noise amplifier making it possible to raise the level of the signal before its transmission to the radar processing device 230.
  • the transmission device 201 comprises a digital to analog converter.
  • the sensors of the receiving device each include an analog to digital converter.
  • the radar processing device comprises the reverse converters.
  • the link connecting the sensors of the reception device to the radar processing device is an optical link.
  • the use of optical fiber makes it possible to reduce the section and the mass of the cable 220.
  • This solution is preferable to the use of a copper cable because it still makes it possible to lighten the device, and to position the sensors of the receiving antenna as high as possible. It also makes it possible to facilitate the deployment / folding of the receiving device.
  • the sensors also each have converters of the received signals, analog or digital, to optical signals, to transmit the signals acquired by the radiating elements to the radar processing device, as well as, when they include a low noise amplifier. , an optical to electrical energy converter to power it.
  • the radar processing device comprises the reverse converters.
  • the mass of the receiving device being small compared to that of the transmitting device, it can be deployed at height much more easily than if it had been necessary to raise all the transmitting / receiving equipment.
  • the detection of the objects and the estimation of their azimuth are carried out using the coloring properties of the signals. issued.
  • This determination is made from the signal received from one of the sensors of the reception device according to methods known to those skilled in the art.
  • the sensor selected for this purpose is the highest sensor, because it is the one for which the interference fringes are the smallest.
  • this operation is carried out on the signals received from several sensors of the reception device. Estimating the azimuth of the objects detected using the coloring properties makes it possible to avoid having to have several series of sensors in parallel to create a directive array antenna in the horizontal plane.
  • the one-dimensional array antenna formed by the sensors makes it possible to implement 3D localization methods which are usually only possible by using two-dimensional array antennas. The change from two to one dimension therefore makes it possible to reduce the size, cost and complexity of deploying / folding the device. This also makes it possible to have a larger antenna vertically than the known devices with constant weight.
  • the radar processing device 230 determines their direction and distance in the vertical plane of the sensors 21 1 to 215 of the receiving device, are carried out by the radar processing device 230 from the signals received from all of the sensors or from a selection of at least two sensors, using the directivity properties of the array antenna thus formed.
  • the selection of sensors used can be made on the basis of considerations relating to the operating frequency band, the spacing between the sensors, as well as the desired directivity performance and gain.
  • the multi-sensor antenna can be used as a directive array antenna scanning the vertical plane, adjusting the phase and amplitude of the signals received from each of the sensors and recombining them to orient the antenna beam. Also, the signals received from at least two sensors can be exploited by an interferometry process or by high resolution processing.
  • the detection can be carried out first in a first plane, for example in the horizontal plane to determine the azimuth of the object, then in a second plane, for example the vertical plane to determine the elevation considering the azimuth determined in the foreground. Detection can also be carried out simultaneously in both planes, which allows to benefit from a gain in processing to improve the precision of the measurement.
  • the receiving device is deployed over a length
  • the receiving antenna can then easily be positioned at very high heights using a reasonably sized balloon 221, a crane, or any other device allowing the receiving antenna to be hooked to a high point, and transporting large numbers of people. of sensors.
  • the large height of the device allows to reduce so
  • the interference fringes and losses for low altitude targets are considerable compared to transmitting / receiving equipment positioned at ground level or on top of a telescopic mast.
  • the weight of the cable 220 becoming dimensioned as the height of the device increases, it can be
  • the use of a large number of sensors in the reception device makes it possible to increase the gain of the equivalent antenna and to obtain a very high angular resolution in the vertical plane.
  • FIG. 3 represents a second embodiment of a system for detecting the presence of objects and for estimating their direction and distance in three dimensions according to the invention.
  • the antenna formed by the reception sensors is not arranged in the vertical plane but in the horizontal plane.
  • the emission device 301 is arranged at the top of a telescopic mast
  • the transmitting device comprises several radiating elements, and is configured to emit a signal in a colored manner in the vertical plane. This can be done from a directional antenna emitting a colored signal, the direction and color of which vary over time, or from an array antenna comprising several radiating elements each emitting a signal.
  • the antenna beam can be directional or omnidirectional, in the horizontal plane and / or in the vertical plane. It is connected to a radar processing device 330.
  • the receiving device comprises several sensors 31 1 to be separated from the
  • the transmitting device arranged in line and horizontally, which makes the array antenna formed by the array of sensors omnidirectional in elevation and directional in azimuth when the sensors used are omnidirectional in the vertical plane.
  • the sensors of the receiving device are connected by a cable which holds them in position.
  • the cable is stretched between at least two pylons 321 and 322, so that the sensors are placed at a height h 3 , but the latter could equally be each placed at the top of a pylon or a mast.
  • the sensors of the reception device are connected to the radar processing device 330 by a cable 320 which ensures the transport of signals and power supplies. This cable can be the same as that ensuring the maintenance of the sensors, or be an independent cable.
  • each sensor can be connected independently to the device 330. Due to the low weight of the sensors, the height h 3 at which the latter are placed can be greater than the height h 1 of the emission device 301.
  • An aim of the invention being to position the sensors as high as possible in order to increase direct visibility and reduce the interference fringes due to reflections on the ground, this goal is therefore achieved thanks to the differentiated treatment of the emission device and of the receiving device.
  • the sensors 31 1 to 315 of the receiving device comprise omnidirectional radiating elements in the vertical plane, such as for example dipole antennas mounted horizontally. The sensors can also be directional if the purpose of the antenna is not to provide 360 ° surveillance in the vertical plane.
  • each sensor further comprises a low noise amplifier making it possible to raise the level of the signal before its transmission to the radar processing device 330.
  • the transmission device 301 When the cable providing the connection between the transmission device 301 and the radar processing device carries a digital signal, the transmission device 301 comprises a digital to analog converter. Likewise, when the cable 320 providing the link between the sensors 31 1 to 315 of the receiving device and the radar processing device 330 carries a digital signal, the sensors each include an analog to digital converter.
  • the radar processing device comprises the reverse converters.
  • the link connecting the sensors of the reception device to the radar processing device is an optical link.
  • the use of optical fiber makes it possible to reduce the section and the mass of the cable 320.
  • This solution is preferable to the use of a copper cable because it still makes it possible to lighten the device, and to position the sensors of the cable. receiving antenna as high as possible. It also makes it possible to facilitate the deployment / folding of the receiving device.
  • the sensors of the receiving device each have converters of the received signals, analog or digital, to optical signals, to transmit the signals acquired by the radiating elements to the radar processing device, as well as, when they include a low noise amplifier, a converter of optical energy supplied by the radar processing device 330 to electric energy to supply it.
  • the radar processing device 330 comprises the
  • the detection of objects and the estimation of their azimuth are produced by the radar processing device 330 from the signals received from all of the sensors or a selection of at least two sensors, using the directivity properties of the array antenna thus formed.
  • the choice of the number of sensors used may depend on the frequency band of the signal, the spacing between the sensors, as well as the desired directivity and gain performance.
  • the multi-sensor antenna can be used as a directive array antenna scanning the horizontal plane, adjusting the phase and amplitude of the signals received from each of the sensors and recombining them to orient the antenna beam.
  • the signals received from at least two sensors can be used by an interferometry method or by high resolution processing.
  • the receiving device is deployed over a length
  • the determination of their direction and distance in a vertical plane are carried out using the coloring properties of the signals emitted.
  • This determination can be made from the signal received from only one of the sensors of the receiving device according to methods known to those skilled in the art, which has the advantage of being relatively inexpensive and inexpensive in terms of computing resources.
  • the determination in the vertical plane can be made from the coloring properties of the signals received by a plurality of sensors, to benefit from a processing gain allowing to improve the performance of the detection.
  • the detection can be carried out sequentially or
  • the embodiment of FIG. 3 makes it possible to position the sensors of the receiving antenna higher than if the whole of the radar were to be raised.
  • it has the defect of presenting an ambiguity concerning the front / rear position of the objects detected in the horizontal plane when the radiating elements of the sensors of the receiving antenna are omnidirectional in this plane, that is to say that the position is determined within plus or minus p because the antenna pattern is symmetrical with respect to the axis of the receiving antenna.
  • This defect does not appear in the first embodiment where the azimuth of the targets is identified by virtue of the coloring properties of the signal and not by using the directivity properties of the reception antenna formed by the various reception sensors.
  • means making it possible to make the antenna beam directional can be deployed, such as for example a reflective plane or a dielectric insulator arranged in 'one side of the antenna to block and reflect or attenuate the beam in one half of the horizontal plane.
  • a reflective plane or a dielectric insulator arranged in 'one side of the antenna to block and reflect or attenuate the beam in one half of the horizontal plane.
  • Figure 4 shows a third embodiment of a system
  • the sensors 41 1 to 416 of the receiving device are no longer arranged in line but are arranged so as to form a triangle or any other geometric shape making it possible to lift the ambiguity on the direction of arrival forward / backward in the horizontal plane.
  • one possible implementation consists in estimating the direction of arrival in the horizontal plane from the following triplets of sensors: (41 1, 412, 413), (413, 414, 415), and (415, 416, 411), then using the ambiguous position information detected by each triplet to resolve the ambiguity on the arrival position in the vertical plane.
  • this determination entails a loss in the gain of the antenna compared to the embodiment of FIG. 3.
  • the operation of the third embodiment resumes that of the second mode of operation:
  • the emission device 301 emits signals in a colored manner in the vertical plane
  • the azimuth of the detected objects is determined by independently considering each of the branches of the triangle formed by the sensors, then by comparing the results to resolve the ambiguity on the direction of the detected objects,
  • the elevation of the detected objects is determined from the signals received from one or more sensors by considering the color of the signals emitted by the transmitting device. This measurement can be confirmed, if necessary, from signals received from one or more other sensors.
  • the treatments in the horizontal plane and the vertical plane can be carried out sequentially or simultaneously, so as to benefit from a gain in processing.
  • optical fiber for the transmission of signals acquired by
  • various sensors further lighten the receiving device.
  • the use of a method of coloring the radar signals emitted in the vertical plane makes it possible to determine the direction of the objects detected in this plane from the signals received from the same sensors as in the horizontal plane, and therefore of dramatically decrease the number of sensors required to provide three-dimensional detection.
  • the cost of the antenna and its deployment complexity are reduced, and the sensors can be installed at great heights, thus improving the reception conditions.
  • the various embodiments of a detection system according to the invention are particularly suitable for the three-dimensional monitoring of theaters of operation.
  • the operating frequency of the detection system can be adapted very simply, by selecting a set of sensors among the sensors of the receiving antenna according to their distances and the desired wavelength. Since the radar processing device is able to select the sensors from which the detection processing operations are carried out, the reception antenna can comprise heterogeneous sensors adapted to operate at different frequencies, which confers a multi-frequency capacity which reinforces the multi-role aspect of the device.
  • the radar processing device according to the invention is multi-role
  • a reception antenna comprising a plurality of sensors arranged in a plane perpendicular to the foreground, each sensor comprising a radiating element omnidirectional or not in the foreground,
  • Figures 5a and 5b show the losses associated with the interference fringes, for equipment located at ground level ( Figure 5a) and for equipment placed at a height of 50 meters ( Figure 5b).
  • the different fill textures designate the loss levels associated with the interference fringes, depending on the altitude and distance from the target.
  • the interference fringes are linked to the multiple reflections of the signals during its propagation, and to the way in which these paths recombine.
  • the system according to the invention in which the device for receiving the radar signals can be raised at a lower cost, indeed has the effect of significantly reducing the interference fringes undergone by the signals, and therefore of '' improve the performance of the device.
  • the invention also relates to a method of implementing a
  • the method comprises a step 601 of transmitting a signal according to a method of transmitting colored in a first plane, such as for example the horizontal plane for an implementation in a case of figure corresponding to figure 2, or the vertical plane for figures 3 and 4.
  • the method comprises a step 602 of receiving signals from at
  • sensors arranged in a second plane, perpendicular to the foreground.
  • These sensors can include omnidirectional radiating elements in the foreground, for 360 ° coverage in that plane, or radiating elements covering only part of the foreground.
  • the method comprises a step 603 of determining the presence of objects and estimating their direction and distance. This determination is carried out in the foreground by exploiting the coloring properties of the signal received by at least one of the sensors. It is carried out in the second plane by exploiting the signals received from at least two of the sensors of the receiving device, but the gain of the antenna will be all the greater as the number of sensors considered is large.
  • the exploitation of the received signals can be done by implementing an interferometry method or high-resolution processing on the received signals.
  • a directive array antenna can be formed from the various sensors. By varying the direction of the beam from this array antenna, it is possible to scan the space to locate the object in the second plane.

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Abstract

L'invention décrit un système de détection d'objets en trois dimensions comprenant : - un dispositif d'émission (201), configuré pour émettre des signaux selon un procédé d'émission colorée dans un premier plan, - un dispositif de réception comprenant au moins deux capteurs (211, 212) disposés dans un deuxième plan perpendiculaire au premier plan, et - des moyens de traitements (230) des signaux émis et reçus, dans lequel le dispositif de réception est surélevé par rapport au dispositif d'émission, et dans lequel les moyens de traitements sont configuré pour détecter la présence d'objets: - dans le premier plan à partir des signaux reçus d'au moins un des capteurs en utilisant la coloration du signal émis, - dans le deuxième plan à partir des signaux reçus d'au moins deux des capteurs. L'invention décrit également le procédé de détermination de la présence d'objets et d'estimation leur direction et distance associé.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Système de détection d’objets longue portée
Domaine technique :
[0001 ] La présente invention se situe dans le domaine des systèmes de détection d’objets, ou radars. Elle concerne en particulier les systèmes de détection utilisés pour la localisation à trois dimensions (3D).
Technique antérieure :
[0002] Les forces armées déployées sur les théâtres d'opérations sont confrontées à des menaces à courte portée de plus en plus diversifiées (roquettes, mortiers, missiles, drones, petits avions, véhicules, fantassins...). Les moyens de surveillance actuellement disponibles sont généralement adaptés à la détection et localisation d’un type de menace particulier, notamment en terme de capacité de distance de détection.
[0003] Quand les menaces sont diverses, il est souvent nécessaire de déployer
plusieurs types de systèmes hétérogènes en parallèle pour les traiter, ce qui multiplie l'empreinte logistique et humaine lors de la mise en oeuvre.
[0004] Ces systèmes sont souvent des radars courte portée (à deux ou trois
dimensions) dont l'aérien est à quelques mètres au-dessus du sol. Il n'existe pas à ce jour de solutions radar unique prenant en compte la diversité de menaces.
[0005] Si les menaces évoluent dans le temps, par exemple, en étant de plus en plus petites (SER réduite) ou en devant être détecté plus loin (augmentation de portée) pour améliorer le préavis de détection, il est alors nécessaire de faire évoluer/changer les systèmes mis en place.
[0006] Les solutions permettant d’améliorer la performance en portée d’un radar sont peu nombreuses. Elles consistent à :
- soit augmenter la puissance d’émission et la taille de l’antenne du radar. Ces solutions conduisent rapidement à des systèmes complexes qui ont un impact direct sur le coût de l’équipement et son empreinte logistique. A titre d’exemple, doubler la surface d’antenne ou la puissance d’émission (+3dB) ne fait gagner que 20% sur la portée du système radar face à une cible de référence, la portée d’un radar évoluant suivant la distance avec une loi en d4, avec d la distance ;
- soit augmenter la visibilité radar, en installant le radar :
o sur un point haut, comme par exemple un point géographique, mais un tel point n’est pas nécessairement disponible,
o en haut d’un mât de grande hauteur ou d’un pylône, cependant, le poids du système radar fait porter des contraintes importantes sur la structure d’un tel mât, son déploiement et sa hauteur maximale, o sous un dispositif aéroporté tel qu’un ballon rempli d’un gaz léger
comme l’hélium. Dans ce cas, le dimensionnement du ballon est directement lié à la charge utile à emporter. A titre d’exemple, une charge de 35kg nécessite un ballon de quelques mètres de longueur, tandis qu’une charge de 200kg nécessite un ballon de grande dimension (supérieure à 25 mètres). La mise en oeuvre est donc complexe dès lors que la masse du radar est supérieure à quelques centaines de kilogrammes, un ballon de grande dimension présentant des coûts d’acquisition et de déploiement importants. En outre, la consommation énergétique et le refroidissement de ces dispositifs nécessitent des lignes d’alimentation à forte section, dont le poids peut conduire au dépassement de la charge admissible. Il en est de même lorsque le dispositif aéroporté est de nature différente, comme par exemple un drone.
[0007] Un but de l’invention est donc de proposer un dispositif de détection ayant une portée étendue sur les roquettes, ou autre type de missiles, mais également une capacité simultanée de détection et de localisation 3D sur les menaces aériennes telles que les drones, hélicoptères et ULM, et /ou les véhicules et/ou les humains en déplacement, tout en veillant à ce que le coût du dispositif, son poids, sa complexité d’implémentation et sa complexité de déploiement soient plus faibles que pour les solutions connues.
[0008] La figure 1 représente très sommairement les différents composants d’un dispositif de détection. Celui-ci comprend un dispositif de traitements radar 101 , en charge d’une part de générer ou de jouer un signal radar, et d’autre part de recevoir un ou plusieurs signaux échos, et de mettre en oeuvre des algorithmes de traitement du signal afin de localiser les objets dans un environnement à 2 dimensions (2D) ou à trois dimensions (3D).
[0009] Le dispositif de traitements radar est relié à un dispositif d’émission 102
configuré pour recevoir du dispositif de traitements radar un signal à émettre, et pour l’émettre selon une configuration donnée, comprenant une puissance d’émission, des instants d’émission, une fréquence d’émission et/ou une direction d’émission. Le dispositif d’émission 102 comprend donc un convertisseur numérique vers analogique (CNA) afin de convertir les signaux qui lui sont transmis par le dispositif de traitements radar lorsque ceux-ci sont numériques, une chaîne radiofréquence d’amplification et de transposition du signal sur fréquence porteuse lorsque celui-ci est reçu en bande de base ou sur une fréquence intermédiaire, ainsi qu’une ou plusieurs antennes d’émission, comme par exemple une antenne omnidirectionnelle telle qu’un dipôle ou d’une antenne directionnelle telle qu’une antenne patch ou une antenne réseau.
[0010] Le dispositif de traitements radar 101 reçoit des signaux depuis un dispositif de réception de signaux 103. Celui-ci est configuré pour recevoir des signaux en écho des signaux émis sur un ou plusieurs capteurs. Chaque capteur comprend au moins un élément rayonnant, omnidirectionnel dans un plan ou directionnel selon la configuration. Ces capteurs peuvent être mis en réseau pour former une antenne directive. Le dispositif de réception de signaux 103 est configuré pour faire l’acquisition des signaux reçus depuis un ou plusieurs capteurs selon des paramètres de configuration donnés, comme par exemple des instants de réception, une fréquence de réception et/ou une direction de réception, et pour les transmettre au dispositif de traitements radars à des fins d’analyse. Chaque capteur est relié à une chaîne radiofréquence configurée pour filtrer et amplifier le signal reçu, et pour le transposer en bande de base ou en fréquence
intermédiaire lorsque c’est nécessaire. Si le signal transmis au dispositif de traitements radar est un signal numérique, chaque capteur est également relié à un convertisseur de signal analogique vers numérique (CAN). Alternativement, la chaîne radiofréquence et/ou le convertisseur analogique vers numérique peuvent être intégrés au capteur. [0011 ] Les différents éléments du système de détection peuvent être co-localisés ou regroupés en un seul équipement : on parle alors de radar monostatique. Ils peuvent être également éclatés en plusieurs équipements distincts : on parle alors de radar bistatique lorsque l’émission et la réception sont séparées. Les radars co-localisés utilisent généralement les mêmes antennes pour émettre et recevoir les signaux, afin de diminuer la taille, le poids et le coût de l’équipement.
[0012] Le dispositif de traitements radar 101 est un dispositif de calculs, de
préférence numérique, se présentant généralement sous la forme d’un logiciel embarqué sur un composant tel qu’un processeur, un processeur de signal numérique (plus connu sous le sigle anglais de DSP pour « Digital Signal
Processor »), ou un circuit spécialisé tel qu’un ASIC (acronyme anglais pour « Application Spécifie Integrated Circuit ») ou un FPGA (sigle anglais pour « Field-Programmable Gâte Array »).
[0013] A partir des signaux émis par le dispositif d’émission et des signaux reçus du dispositif de réception, le dispositif de traitements radar détecte et suit des cibles présentes dans l’espace à surveiller. Celles-ci sont caractérisées par une distance, un azimut et une élévation, et éventuellement par d’autres paramètres comme par exemple leur vitesse Doppler. Pour cela, de nombreuses méthodes sont connues de l’état de la technique. Parmi elles existent les traitements d’interférométries de phase ou d’amplitude, comme par exemple les réseaux de Adcock, les techniques de formation de faisceaux, ou les traitements dits de haute résolution, tel que par exemple l’algorithme MUSIC (acronyme anglais pour MUItiple Signal Classification).
[0014] Ces différentes méthodes font peser des contraintes particulières sur le
nombre d’éléments rayonnants des antennes d’émission 102 et de réception 103, et sur leurs dispositions : par exemple, un réseau de Adcock requiert plusieurs antennes espacées d’un écart proportionnel à la longueur d’onde des signaux, une antenne réseau comprend une pluralité d’éléments rayonnants espacés d’une distance proportionnelle à la longueur d’onde. Le dimensionnement des systèmes radar est donc lié de près à la fréquence des signaux utilisés. En particulier, les radars basse fréquence nécessitent des antennes d’émission et de réception de grande tailles et très espacées, tandis que les radars haute fréquence sont plus compacts. [0015] En outre, la détection en trois dimensions nécessite la mise en oeuvre d’une antenne directive mécaniquement mobile selon deux axes ou d’éléments rayonnants répartis dans deux plans perpendiculaires.
Résumé de l’invention :
[0016] Afin de répondre aux problèmes de l’art antérieur, l’invention décrit un
système de détection de la présence d’objets et d’estimation de leur direction et distance selon trois dimensions comprenant :
- un dispositif d’émission configuré pour émettre des signaux selon un procédé d’émission colorée dans un premier plan,
- un dispositif de réception comprenant au moins deux capteurs disposés dans un deuxième plan perpendiculaire au premier plan, et
- des moyens de traitements (230, 330) des signaux émis et reçus.
[0017] Les moyens de traitements sont configurés pour détecter la présence d’objets et estimer leur direction et distance :
- dans le premier plan à partir des signaux reçus d’au moins un des capteurs du dispositif de réception en utilisant la coloration du signal émis,
- dans le deuxième plan à partir des signaux reçus d’au moins deux des capteurs du dispositif de réception.
[0018] Le dispositif d’émission et le dispositif de réception sont séparés, le dispositif de réception étant surélevé par rapport au dispositif d’émission.
[0019] Avantageusement, et de manière à permettre une détection sur l’ensemble du premier plan, chaque capteur comprend un élément rayonnant omnidirectionnel dans le premier plan.
[0020] Selon un mode de réalisation, le premier plan est un plan horizontal, dans lequel les capteurs du dispositif de réception sont disposés dans un plan vertical. Avantageusement, les capteurs du dispositif de réception sont alors reliés par un câble et suspendus sous un dispositif aéroporté permettant de les surélever, tel qu’un ballon gonflable ou un drone. Avantageusement, un seul capteur est utilisé pour détecter la présence d’objets et estimer leur direction et distance dans le premier plan, de préférence le capteur le plus élevé.
[0021 ] Selon un autre mode de réalisation, le premier plan est un plan vertical et les capteurs du dispositif de réception sont disposés dans un plan horizontal.
[0022] Les capteurs du dispositif de réception peuvent alors être disposés en ligne, le système disposant en outre de moyens de suppression d’ambigüités de la position des objets par rapport aux capteurs dans le plan horizontal.
[0023] Les capteurs du dispositif de réception peuvent également être disposés de manière à former un triangle, la détection de la présence d’objets et l’estimation de leur direction et distance dans le plan horizontal étant réalisées pour chaque branche du triangle respectivement, puis combinées de manière à supprimer des ambiguïté sur la position des objets par rapport aux capteurs dans le plan horizontal.
[0024] Avantageusement, les capteurs du dispositif de réception sont reliés aux
moyens de traitements par une liaison en fibre optique, les capteurs comprenant en outre de moyens de conversion des signaux reçus vers des signaux optiques. L’utilisation d’une liaison en fibre optique permet de diminuer la masse du câble permettant de transmettre les signaux acquis par les capteurs de l’équipement de réception, et donc la masse de l’ensemble de l’équipement de réception.
[0025] La détection de la présence d’objets et l’estimation de leur direction et
distance dans le deuxième plan peuvent être réalisées par mise en oeuvre d’un procédé d’interférométrie ou d’un traitement haute résolution sur les signaux reçus des au moins deux capteurs de l’antenne de réception. De manière alternative, elle peut être mise en oeuvre par l’exploitation de la directivité d’une antenne réseau formée par les au moins deux capteurs de l’antenne de réception.
[0026] L’invention décrit également un procédé de mise en oeuvre d’une détection de présence d’objets et d’estimation de leur direction et distance selon trois dimensions dans un système de détection comprenant : un dispositif d’émission configuré pour émettre des signaux selon un procédé d’émission colorée dans un premier plan,
un dispositif de réception comprenant au moins deux capteurs disposés dans un deuxième plan perpendiculaire au premier plan, et
des moyens de traitements des signaux émis et reçus.
[0027] Le procédé comprend les étapes de :
- émission d’un signal selon un procédé d’émission coloré dans un premier plan,
- réception de signaux depuis au moins deux capteurs disposés dans un deuxième plan perpendiculaire au premier plan, et
- mise en oeuvre d’un procédé de détermination de la présence d’objets et d’estimation leur direction et distance dans le premier plan par exploitation des propriétés de coloration du signal reçu par au moins un des capteurs, et dans le deuxième plan à partir des signaux reçus d’au moins deux des capteurs.
Brève description des figures :
[0028] L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, donnée à titre non limitatif, et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :
- la figure 1 représente un système de détection de la présence d’objets et d’estimation de leur direction et distance, ou radar, tel que connu de l’état de la technique ;
- la figure 2 représente un premier mode de réalisation d’un système de
détection de la présence d’objets et d’estimation de leur direction et distance selon l’invention ;
- la figure 3 représente un deuxième mode de réalisation d’un système de
détection de la présence d’objets et d’estimation de leur direction et distance selon l’invention ;
- la figure 4 représente un troisième mode de réalisation d’un système de
détection de la présence d’objets et d’estimation de leur direction et distance selon l’invention ; - la figure 5a représente les pertes liées aux franges d’interférences, pour un équipement situé au niveau du sol ;
- la figure 5b représente les pertes liées aux franges d’interférences, pour un équipement situé à 50 mètres de hauteur ;
- la figure 6 représente les étapes d’un mode de réalisation d’un procédé de mise en oeuvre d’une détection d’objets en trois dimensions selon l’invention
[0029] Par la suite, lorsque des mêmes références sont utilisées dans des figures différentes, elles désignent les mêmes éléments.
Description détaillée :
[0030] Afin de répondre aux problèmes posés par les dispositifs de l’art antérieur, l’invention fait le constat que le dispositif d’émission a un poids beaucoup plus important que le dispositif de réception. Ceci est dû en particulier à la présence obligatoire d’amplificateurs de forte puissance, d’éléments d’électronique de puissance tels que des condensateurs à forte capacité, d’éléments nécessaires pour assurer le refroidissement des amplificateurs, ainsi que de lignes
d’alimentation à forte section nécessaires pour alimenter l’ensemble. L’invention propose de séparer la partie émission de la partie réception, à la manière d’un radar bistatique, et de surélever en priorité le dispositif de réception. De cette manière, la masse de la charge à surélever est réduite dans des proportions importantes, ce qui simplifie la mise en oeuvre du système, et permet d’améliorer les conditions de propagation pour la partie réception à moindre coût. En outre, surélever l’antenne de réception permet de limiter significativement les franges d’interférence et les pertes pour les cibles à basse altitude.
[0031 ] Pour permettre la localisation en trois dimensions d’objets tout en réduisant la complexité d’implémentation, l’invention propose de s’appuyer sur un procédé d’émission colorée des signaux, aussi connue sous le nom d’émission multiple simultanée. Ce procédé, cité par exemple dans l’article « Emission colorée pour antenne active radar », François Le Chevalier, Laurent Savy, REE N°03, Revue de l'Electricité et de /'Electronique, mars 2005, pages 48-52, consiste à découper l’espace dans lequel émet l’antenne d’émission en sous-réseaux en utilisant des procédés de traitements MIMO (acronyme anglais pour « Multiple Input Multiple Output ») ou MISO (acronyme anglais pour « Multiple Input Single Output »). En mettant en forme le signal transmis depuis les différents éléments rayonnants de l’antenne d’émission, des signaux différents sont envoyés sur chacun des sous- réseaux, réalisant ainsi un codage spatio-temporel de l’espace. Les signaux se combinent alors dans l’espace selon des jeux de phase ou des retards qui dépendent de la direction visée. Il en résulte un signal global qui diffère d’une direction à l’autre. A la réception, pour détecter un signal issu d’une direction donnée, le traitement effectue un filtrage adapté au signal associé à cette direction. Ce filtre n’est pas adapté aux signaux issus des autres directions puisque le signal n’est plus le même dans ces autres directions.
[0032] La demande de brevet Européen EP 2 296 007 A1 décrit un radar à agilité de faisceau dans lequel la détection est réalisée dans un plan à partir de la coloration des signaux, et dans le plan orthogonal par formation de faisceaux.
[0033] La figure 2 représente un premier mode de réalisation d’un système de
détection de la présence d’objets et d’estimation de leur direction et distance en 3D selon l’invention. De manière évidente à l’homme du métier, le système de détection selon l’invention permet également de détecter d’autres
caractéristiques des objets, tels que par exemple leur vitesse. Dans ce mode de réalisation, le dispositif d’émission 201 est disposé en haut d’un mat télescopique autoporté par un véhicule, mais il pourrait être également être directement installé au sol. La hauteur h1 du mat télescopique est contrainte par le poids important du dispositif d’émission.
[0034] Le dispositif d’émission est configuré de manière à émettre un signal de
manière colorée dans le plan horizontal. Ceci peut être réalisé à partir d’une antenne directive émettant un signal coloré dont la direction et la couleur varient dans le temps, ou à partir d’une antenne réseau comprenant plusieurs éléments rayonnants émettant chacun un signal. Les émissions peuvent être directives ou omnidirectionnelles, dans le plan horizontal et/ou dans le plan vertical. Le dispositif d’émission est relié à un dispositif de traitements radar 230, qui dans l’exemple est embarqué sur le véhicule porteur, mais dont la disposition importe peu. [0035] Le dispositif de réception comprend plusieurs capteurs 21 1 à 215 séparés du dispositif d’émission, disposés en ligne et verticalement, composant ainsi ensemble une antenne réseau de réception. Les capteurs sont reliés par un câble à un point haut tel qu’un ballon gonflable 221 ou à tout autre élément permettant de suspendre le dispositif de réception (drone, grue, pylône, etc...), de manière à ce qu’ils soient disposés entre le sol et le point haut. Les capteurs du dispositif de réception sont en outre reliés à un dispositif de traitements radar 230 par un câble 220 qui assure le transport des signaux et des alimentations.
Ce câble peut être le même que celui assurant le maintien des capteurs, et/ou celui assurant le maintien en position du ballon 221. La solution dans laquelle le câble utilisé pour la transmission des signaux est différent du câble maintenant le ballon 221 est cependant préférable afin de faciliter le déploiement et le repliement du dispositif. De par le faible poids des capteurs, la hauteur h2 du capteur le plus haut peut être supérieure ou très supérieure à la hauteur h1 à laquelle est fixé le dispositif d’émission 201. Un but de l’invention étant de positionner les capteurs du dispositif de réception le plus haut possible afin d’augmenter la visibilité directe et de diminuer les franges d’interférences dues aux réflexions sur le sol, ce but est donc atteint grâce à la distinction entre dispositif d’émission et dispositif de réception.
[0036] Les capteurs du dispositif de réception 21 1 à 215 comprennent des éléments rayonnants omnidirectionnels dans le plan horizontal, comme par exemple des antennes dipôles montées verticalement, ce qui rend l’antenne équivalente formée par le réseau de capteurs omnidirectionnelle en azimut et directive en élévation. Les capteurs peuvent également être directionnels si le but de l’antenne n’est pas d’assurer une surveillance à 360° dans le plan horizontal. Avantageusement, chaque capteur comprend en outre un amplificateur faible bruit permettant de remonter le niveau du signal avant sa transmission au dispositif de traitements radar 230.
[0037] Lorsque le câble assurant la liaison entre le dispositif d’émission 201 et le dispositif de traitements radar 230 transporte un signal numérique, le dispositif d’émission 201 comprend d’un convertisseur numérique vers analogique. De même, lorsque le câble 220 assurant la liaison entre les capteurs du dispositif de réception 21 1 à 215 et le dispositif de traitements radar 230 transporte un signal numérique, les capteurs du dispositif de réception comprennent chacun d’un convertisseur analogique vers numérique. Le dispositif de traitements radar comprend les convertisseurs inverses.
[0038] Avantageusement, la liaison reliant les capteurs du dispositif de réception au dispositif de traitements radar est une liaison optique. L’utilisation de fibre optique permet de diminuer la section et la masse du câble 220. Cette solution est préférable à l’utilisation d’un câble en cuivre car elle permet encore d’alléger le dispositif, et de positionner les capteurs de l’antenne de réception le plus haut possible. Elle permet également de faciliter le déploiement/repliement du dispositif de réception. Dans ce cas, les capteurs disposent également chacun de convertisseurs des signaux reçus, analogiques ou numériques, vers des signaux optiques, pour transmettre les signaux acquis par les éléments rayonnants au dispositif de traitements radar, ainsi que, lorsqu’ils comprennent un amplificateur faible bruit, un convertisseur d’énergie optique vers électrique pour l’alimenter. Le dispositif de traitements radar comprend les convertisseurs inverses.
[0039] Les avantages du mode de réalisation décrit par rapport à l’état de l’art
proviennent de la séparation des éléments d’émission et des éléments de réception. La masse du dispositif de réception étant faible comparée à celle du dispositif d’émission, il peut être déployé en hauteur beaucoup plus facilement que s’il avait fallu surélever l’ensemble des équipements d’émission/réception.
[0040] Dans ce mode de réalisation, la détection des objets et l’estimation de leur azimut, c’est-à-dire la détermination de leur direction et distance dans un plan horizontal, sont réalisées en utilisant les propriétés de coloration des signaux émis. Cette détermination se fait à partir du signal reçu depuis l’un des capteurs du dispositif de réception selon des procédés connus de l’homme du métier. Avantageusement, le capteur sélectionné à cet effet est le capteur le plus élevé, car c’est celui pour lequel les franges d’interférences sont les plus réduites.
Avantageusement encore, de manière à apporter du gain à la détection dans le plan horizontal, cette opération est réalisée sur les signaux reçus de plusieurs capteurs du dispositif de réception. [0041 ] Estimer l’azimut des objets détectés en utilisant les propriétés de coloration permet d’éviter d’avoir à disposer plusieurs séries de capteurs en parallèles pour créer une antenne réseau directive dans le plan horizontal. De cette manière, l’antenne réseau unidimensionnelle constituée par les capteurs permet de mettre en oeuvre des procédés de localisation 3D qui ne sont habituellement possibles qu’en utilisant des antennes réseau bidimentionnelles. Le passage de deux à une dimension permet donc de réduire l’encombrement, le coût et la complexité de déploiement/repliement du dispositif. Cela permet également d’avoir une antenne plus grande verticalement que les dispositifs connus à poids constant.
[0042] La détection des objets et l’estimation de leur élévation, c’est-à-dire la
détermination de leur direction et distance dans le plan vertical des capteurs 21 1 à 215 du dispositif de réception, sont réalisées par le dispositif de traitements radar 230 à partir des signaux reçus de l’ensemble des capteurs ou d’une sélection d’au moins deux capteurs, en utilisant les propriétés de directivité de l’antenne réseau ainsi constituée. La sélection de capteurs utilisés peut être faite à partir de considérations portant sur la bande de fréquence de fonctionnement, l’écartement entre les capteurs, ainsi que les performances en directivité et le gain recherchés. Pour déterminer la position des cibles dans le plan vertical, l’antenne multi-capteurs peut être utilisée comme une antenne réseau directive balayant le plan vertical, en ajustant la phase et l’amplitude des signaux reçus de chacun des capteurs et en les recombinant pour orienter le faisceau de l’antenne. Egalement, les signaux reçus d’au moins deux capteurs peuvent être exploités par un procédé d’interférométrie ou par un traitement haute résolution.
[0043] En pratique, la détection peut être réalisée d’abord dans un premier plan, par exemple dans le plan horizontal pour déterminer l’azimut de l’objet, puis dans un deuxième plan, par exemple le plan vertical pour déterminer l’élévation en considérant l’azimut déterminé dans le premier plan. La détection peut également être réalisée simultanément dans les deux plans, ce qui permet de bénéficier d’un gain de traitement permettant d’améliorer la précision de la mesure.
[0044] Idéalement, le dispositif de réception est déployé sur une longueur
correspondant à plusieurs fois la demi-longueur d’onde à la fréquence maximum envisagée, voire plusieurs dizaines ou centaines de fois, et comprend un grand nombre de capteurs. Ceci est possible car les capteurs utilisés par l’antenne de réception ne comprennent pas d’électronique de puissance et sont donc de dimension et de poids très réduits. L’antenne de réception peut alors facilement être positionnée à des hauteurs très élevées en utilisant un ballon 221 de taille raisonnable, une grue, ou tout autre dispositif permettant d’accrocher l’antenne de réception à un point haut, et transporter un grand nombre de capteurs.
[0045] La hauteur importante du dispositif permet de réduire de manière
considérable les franges d’interférences et les pertes pour les cibles à basse altitude par rapport à un équipement d’émission/réception positionné au niveau du sol ou en haut d’un mat télescopique. Le poids du câble 220 devenant dimensionnant lorsque la hauteur du dispositif augmente, il peut
avantageusement être réduit en étant réalisé en fibre optique.
[0046] L’utilisation d’un grand nombre de capteurs dans le dispositif de réception permet d’augmenter le gain de l’antenne équivalente et d’obtenir une très grande résolution angulaire dans le plan vertical.
[0047] A titre d’exemple, le tableau suivant donne la longueur de l’antenne en
fonction de la fréquence et du nombre de capteurs de réception :
[0048] La mise en oeuvre d’un dispositif de détection fonctionnant pour une
fréquence de 100 MHz et disposant de 64 capteurs requiert donc des capteurs de réception disposés verticalement sur une hauteur de 95 m, ce qui est contraignant lorsque réalisé à partir de dispositifs conventionnels tel que des mâts, mais que l’invention, qui dissocie émission et réception et utilise la coloration des signaux pour limiter le nombre de capteurs, permet de réaliser à faible coût en utilisant un dispositif aéroporté.
[0049] La figure 3 représente un deuxième mode de réalisation d’un système de détection de la présence d’objets et d’estimation de leur direction et distance en trois dimensions selon l’invention. Contrairement au premier mode de réalisation, l’antenne formée par les capteurs de réception n’est pas disposée dans le plan vertical mais dans le plan horizontal.
[0050] Le dispositif d’émission 301 est disposé en haut d’un mat télescopique
autoporté par un véhicule, mais pourrait être directement installé au sol. La hauteur h1 du mat télescopique est contrainte par le poids important du dispositif d’émission. Le dispositif d’émission comprend plusieurs éléments rayonnants, et est configuré de manière à émettre un signal de manière colorée dans le plan vertical. Ceci peut être réalisé à partir d’une antenne directive émettant un signal coloré dont la direction et la couleur varient dans le temps, ou à partir d’une antenne réseau comprenant plusieurs éléments rayonnants émettant chacun un signal. Le faisceau de l’antenne peut être directif ou omnidirectionnel, dans le plan horizontal et/ou dans le plan vertical. Il est relié à un dispositif de traitements radar 330.
[0051 ] Le dispositif de réception comprend plusieurs capteurs 31 1 à séparés du
dispositif d’émission, disposés en ligne et horizontalement, ce qui rend l’antenne réseau formée par le réseau de capteurs omnidirectionnelle en élévation et directive en azimut lorsque les capteurs utilisés sont omnidirectionnels dans le plan vertical. Les capteurs du dispositif de réception sont reliés par un câble qui les maintient en position. Dans ce mode de réalisation, le câble est tendu entre au moins deux pylônes 321 et 322, de manière à ce que les capteurs soient placés à une hauteur h3, mais ces derniers pourraient de manière équivalente être chacun disposés en haut d’un pylône ou d’un mât. Les capteurs du dispositif de réception sont reliés au dispositif de traitements radar 330 par un câble 320 qui assure le transport des signaux et des alimentations. Ce câble peut être le même que celui assurant le maintien des capteurs, ou être un câble indépendant. De manière alternative, chaque capteur peut être relié indépendamment au dispositif 330. De par le faible poids des capteurs, la hauteur h3 à laquelle ces derniers sont disposés peut être supérieure à la hauteur h1 du dispositif d’émission 301. Un but de l’invention étant de positionner les capteurs le plus haut possible afin d’augmenter la visibilité directe et de diminuer les franges d’interférences dues aux réflexions sur le sol, ce but est donc atteint grâce au traitement différentié du dispositif d’émission et du dispositif de réception. [0052] Les capteurs 31 1 à 315 du dispositif de réception comprennent des éléments rayonnants omnidirectionnels dans le plan vertical, comme par exemple des antennes dipôles montées horizontalement. Les capteurs peuvent également être directionnels si le but de l’antenne n’est pas d’assurer une surveillance à 360° dans le plan vertical. Avantageusement, chaque capteur comprend en outre un amplificateur faible bruit permettant de remonter le niveau du signal avant sa transmission au dispositif de traitements radar 330.
[0053] Lorsque le câble assurant la liaison entre le dispositif d’émission 301 et le dispositif de traitements radar transporte un signal numérique, le dispositif d’émission 301 comprend d’un convertisseur numérique vers analogique. De même, lorsque le câble 320 assurant la liaison entre les capteurs 31 1 à 315 du dispositif de réception et le dispositif de traitements radar 330 transporte un signal numérique, les capteurs comprennent chacun d’un convertisseur analogique vers numérique. Le dispositif de traitements radar comprend les convertisseurs inverses.
[0054] Avantageusement, la liaison reliant les capteurs du dispositif de réception au dispositif de traitements radar est une liaison optique. L’utilisation de fibre optique permet de diminuer la section et la masse du câble 320. Cette solution est préférable à l’utilisation d’un câble en cuivre car elle permet encore d’alléger le dispositif, et de positionner les capteurs de l’antenne de réception le plus haut possible. Elle permet également de faciliter le déploiement/repliement du dispositif de réception. Dans ce cas, les capteurs du dispositif de réception disposent chacun de convertisseurs des signaux reçus, analogiques ou numériques, vers des signaux optiques, pour transmettre les signaux acquis par les éléments rayonnants au dispositif de traitements radar, ainsi que, lorsqu’ils comprennent un amplificateur faible bruit, un convertisseur d’une énergie optique fournie par le dispositif de traitements radars 330 vers une énergie électrique pour l’alimenter. Le dispositif 330 de traitements radar comprend les
convertisseurs inverses.
[0055] Dans ce mode de réalisation, la détection des objets et l’estimation de leur azimut, c’est-à-dire la détermination de leur direction et distance dans le plan horizontal des capteurs 31 1 à 315 du dispositif de réception, sont réalisées par le dispositif de traitements radar 330 à partir des signaux reçus de l’ensemble des capteurs ou d’une sélection d’au moins deux capteurs, en utilisant les propriétés de directivité de l’antenne réseau ainsi constituée. Le choix du nombre de capteurs utilisés peut dépendre de la bande de fréquence du signal, de l’écartement entre les capteurs, ainsi que des performances en directivité et gain recherchés. Pour déterminer la position des cibles dans le plan horizontal, l’antenne multi-capteurs peut être utilisée comme une antenne réseau directive balayant le plan horizontal, en ajustant la phase et l’amplitude des signaux reçus de chacun des capteurs et en les recombinant pour orienter le faisceau de l’antenne. Egalement, les signaux reçus d’au moins deux capteurs peuvent être exploités par un procédé d’interférométrie ou par un traitement haute résolution.
[0056] Idéalement, le dispositif de réception est déployé sur une longueur
correspondant à plusieurs fois la demi-longueur d’onde à la fréquence maximum envisagée, voire plusieurs dizaines de fois, et comprend un grand nombre de capteurs, afin d’augmenter le gain de l’antenne et d’obtenir une très grande résolution angulaire dans le plan horizontal.
[0057] La détection des objets et l’estimation de leur élévation, c’est-à-dire la
détermination de leur direction et distance dans un plan vertical, sont réalisées en utilisant les propriétés de coloration des signaux émis. Cette détermination peut être faite à partir du signal reçu depuis un seul des capteurs du dispositif de réception selon des procédés connus de l’homme du métier, ce qui présente l’avantage d’être peu complexe et peu coûteux en ressources de calcul. De manière alternative, la détermination dans le plan vertical peut être réalisée à partir des propriétés de coloration des signaux reçus par une pluralité de capteurs, pour bénéficier d’un gain de traitement permettant d’améliorer la performance de la détection.
[0058] En pratique, la détection peut être réalisée séquentiellement ou
simultanément dans les deux plans.
[0059] Tout comme le premier mode de réalisation, le mode de réalisation de la figure 3 permet de positionner les capteurs de l’antenne de réception plus hauts que si l’ensemble du radar devait être surélevé. Cependant, il a le défaut de présenter une ambiguïté concernant la position avant/arrière des objets détecté dans le plan horizontal lorsque les éléments rayonnants des capteurs de l’antenne de réception sont omnidirectionnels dans ce plan, c’est-à-dire que la position est déterminée à plus ou moins p près car le diagramme d’antenne est symétrique par rapport à l’axe de l’antenne de réception. Ce défaut n’apparait pas dans le premier mode de réalisation où l’azimut des cibles est identifié grâce aux propriétés de coloration du signal et non en utilisant les propriétés de directivité de l’antenne de réception formée par les différents capteurs de réception. Avantageusement, afin de lever l’incertitude sur la direction des objets dans le plan horizontal du deuxième mode de réalisation, des moyens permettant de rendre le faisceau d’antenne directif peuvent être déployés, comme par exemple un plan réflecteur ou un isolant diélectrique disposé d’un côté de l’antenne pour bloquer et réfléchir ou atténuer le faisceau dans une moitié du plan horizontal. De manière alternative, il est possible d’utiliser des éléments rayonnants directifs pour ne surveiller le plan horizontal que sur un horizon inférieur à TT.
[0060] La figure 4 représente un troisième mode de réalisation d’un système de
détection de la présence d’objets et d’estimation de leur direction et distance en trois dimensions selon l’invention. Celui-ci diffère de celui décrit à la figure 3 qu’en ce que les capteurs 41 1 à 416 du dispositif de réception ne sont plus disposés en ligne mais sont disposés de manière à former un triangle ou tout autre forme géométrique permettant de lever l’ambigüité sur la direction d’arrivée avant/arrière dans le plan horizontal.
[0061 ] En estimant la direction d’arrivée dans le plan horizontal à partir des capteurs de chacune des branches du triangle indépendamment, puis en utilisant conjointement les trois résultats, il est possible de lever l’ambiguïté existant dans le dispositif de la figure 3. Dans l’exemple de la figure 4, où le dispositif de réception comprend six capteurs, une mise en oeuvre possible consiste à estimer la direction d’arrivée dans le plan horizontal à partir des triplets de capteurs suivants : (41 1 , 412, 413), (413, 414, 415), et (415, 416, 411 ), puis à utiliser l’information de position ambiguë détectée par chaque triplet pour lever l’ambiguïté sur la position d’arrivée dans le plan vertical. Pour un nombre de capteurs donnés, cette détermination entraîne cependant une perte sur le gain de l’antenne par rapport au mode de réalisation de la figure 3. [0062] Pour le reste, le fonctionnement du troisième mode de réalisation reprend celui du deuxième mode de fonctionnement:
- le dispositif d’émission 301 émet des signaux de manière colorée dans le plan vertical,
- l'azimut des objets détectés est déterminé en considérant indépendamment chacune des branches du triangle formé par les capteurs, puis en comparant les résultats pour lever l’ambiguïté sur la direction des objets détectés,
- l’élévation des objets détectés est déterminée à partir des signaux reçus d’un ou plusieurs capteurs en considérant la couleur des signaux émis par le dispositif d’émission. Cette mesure peut le cas échéant être confirmée à partir des signaux reçus d’un ou plusieurs autres capteurs.
[0063] Les traitements dans le plan horizontal et le plan vertical peuvent être réalisés séquentiellement ou simultanément, de manière à bénéficier d’un gain de traitement.
[0064] Les avantages des deuxième et troisième modes de réalisation décrits aux figures 3 et 4 par rapport à l’état de l’art proviennent de la séparation des éléments d’émission et des éléments de réception. La masse du dispositif de réception étant faible comparée à celle du dispositif d’émission, il peut être déployé en hauteur beaucoup plus facilement que s’il avait fallu surélever l’ensemble des équipements d’émission/réception. En outre, les différents capteurs qui composent le dispositif de réception peuvent être surélevés indépendamment les uns des autres.
[0065] L’emploi de fibre optique pour la transmission des signaux acquis par les
différents capteurs permet d’alléger encore le dispositif de réception.
[0066] Enfin, l’utilisation d’un procédé de coloration des signaux radars émis dans le plan vertical permet de déterminer la direction des objets détectés dans ce plan à partir des signaux reçus des mêmes capteurs que dans le plan horizontal, et donc de diminuer de manière considérable le nombre de capteurs requis pour assurer une détection en trois dimensions. De ce fait, le coût de l’antenne et sa complexité de déploiement sont réduites, et les capteurs peuvent être installés à des hauteurs importantes, améliorant ainsi les conditions de réception. [0067] Ainsi, les différents modes de réalisation d’un système de détection selon l’invention sont particulièrement adaptés pour la surveillance en trois dimensions des théâtres d’opération. La souplesse et légèreté du dispositif de réception, la simplicité de déploiement du radar et la possibilité d’ajouter facilement des capteurs au dispositif de réception et de sélectionner les capteurs utilisés pour adapter le gain de l’antenne de réception et sa directivité lui permettent d’avoir une capacité multi rôles que n’offrent pas les dispositifs selon l’état de l’art.
[0068] En outre, la fréquence de fonctionnement du système de détection peut être adaptée très simplement, en sélectionnant un ensemble de capteurs parmi les capteurs de l’antenne de réception en fonction de leurs écartements et de la longueur d’onde souhaitée. Le dispositif de traitements radar étant en mesure de sélectionner les capteurs à partir desquels les traitements de détection sont réalisés, l’antenne de réception peut comprendre des capteurs hétérogènes adaptés pour fonctionner à des fréquences différentes, ce qui confère une capacité multifréquence venant renforcer l’aspect multi-rôle du dispositif.
[0069] Enfin, le dispositif de traitements radar selon l’invention est multi-rôles
puisqu’il permet, à partir des signaux reçus des différents capteurs, de paralléliser la mise en oeuvre d’algorithmes de détection différents dont les paramètres, comme par exemple la zone de recherche, le temps d’intégration des données ou la fréquence de fonctionnement, sont adaptés à un type précis de cible.
[0070] Les différents modes de réalisation décrits aux figures 2 à 4 sont donnés ici à titre d’illustration de certains des modes de réalisation de l’invention. Ils ne limitent en aucune manière la portée de l’invention, qui est définie par les revendications, et de nombreux ajustements évidents à l’homme du métier pourraient être apportés à la disposition relative des différents éléments, sous réserve que soient respectés les principes suivants :
- Dissociation des équipements d’émission et de réception,
- Emission de manière colorée dans un plan, dit premier plan,
- Mise en oeuvre de la réception par une antenne de réception comprenant une pluralité de capteurs disposés dans un plan perpendiculaire au premier plan, chaque capteur comprenant un élément rayonnant omnidirectionnel ou non dans le premier plan,
- Détermination de la direction d’arrivée dans le premier plan en utilisant les propriétés de colorations des signaux reçus d’un ou plusieurs capteurs de l’antenne de réception,
- Détermination de la direction d’arrivée dans un plan perpendiculaire au premier plan en utilisant les propriétés de directivité de l’antenne de réception multi-capteurs.
[0071 ] Les figures 5a et 5b représentent les pertes liées aux franges d’interférences, pour un équipement situé au niveau du sol (figure 5a) et pour un équipement placé à 50 mètres de hauteur (figure 5b). Les différentes textures de remplissage désignent les niveaux de pertes liés aux franges d’interférences, en fonction de l’altitude et de la distance de la cible.
[0072] Les franges d’interférences sont liées aux réflexions multiples des signaux au cours de sa propagation, et à la manière dont ces trajets se recombinent.
[0073] On observe sur la figure 5a que les pertes à basse altitude pour un
équipement positionné au niveau du sol varient entre -8 dB et -14dB (zone 501 ). On observe sur la figure 5b que ces pertes sont très réduites dès lors que l’équipement est surélevé (zone 502). Ce phénomène s’explique notamment en ce que le trajet direct est nécessairement plus marqué lorsque l’équipement est haut.
[0074] Ainsi, le système selon l’invention, dans lequel le dispositif de réception des signaux radar peut être surélevé à moindre coût, a bien pour effet de réduire de manière conséquente les franges d’interférences subies par les signaux, et donc d’améliorer les performances du dispositif.
[0075] L’invention porte également sur un procédé de mise en oeuvre d’une
détection d’objets en trois dimensions. Le procédé comprend une étape 601 d’émission d’un signal selon un procédé d’émission coloré dans un premier plan, comme par exemple le plan horizontal pour une mise en oeuvre dans un cas de figure correspondant à la figure 2, ou le plan vertical pour les figures 3 et 4.
[0076] Le procédé comprend une étape 602 de réception de signaux depuis au
moins deux capteurs disposés dans un deuxième plan, perpendiculaire au premier plan. Ces capteurs peuvent comprendre des éléments rayonnants omnidirectionnels dans le premier plan, pour une couverture à 360° dans ce plan, ou des éléments rayonnants couvrant une partie seulement du premier plan.
[0077] Enfin, le procédé comprend une étape 603 de détermination de la présence d’objets et d’estimation de leur direction et distance. Cette détermination est réalisée dans le premier plan en en exploitant les propriétés de coloration du signal reçu par au moins un des capteurs. Elle est réalisée dans le deuxième plan en exploitant les signaux reçus d’au moins deux des capteurs du dispositif de réception, mais le gain de l’antenne sera d’autant plus important que le nombre de capteurs considérés est grand. L’exploitation des signaux reçus peut se faire par mise en oeuvre d’un procédé d’interférométrie ou d’un traitement haute résolution sur les signaux reçus. De manière alternative, une antenne réseau directive peut être constituée à partir des différents capteurs. En faisant varier la direction du faisceau de cette antenne réseau, il est possible de balayer l’espace pour localiser l’objet dans le deuxième plan.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de détection de la présence d’objets et d’estimation de leur direction et distance selon trois dimensions comprenant :
- un dispositif d’émission (201 , 301 ) configuré pour émettre des signaux selon un procédé d’émission colorée dans un premier plan,
- un dispositif de réception comprenant au moins deux capteurs (21 1 , 212, 31 1 , 312, 41 1 , 412) disposés dans un deuxième plan perpendiculaire au premier plan, et
- des moyens de traitements (230, 330) des signaux émis et reçus, le système de détection étant caractérisé en ce que les moyens de traitements sont configurés pour détecter la présence d’objets et estimer leur direction et distance :
- dans le premier plan à partir des signaux reçus d’au moins un des capteurs du dispositif de réception en utilisant la coloration du signal émis,
- dans le deuxième plan à partir des signaux reçus d’au moins deux des capteurs du dispositif de réception,
et en ce que le dispositif d’émission et le dispositif de réception sont séparés, le dispositif de réception étant surélevé par rapport au dispositif d’émission.
2. Système de détection d’objets en trois dimensions selon la revendication 1 , dans lequel chaque capteur comprend un élément rayonnant omnidirectionnel dans le premier plan.
3. Système de détection d’objets en trois dimensions selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel le premier plan est un plan horizontal, et dans lequel les capteurs (21 1 , 212, 213, 214, 215) sont disposés dans un plan vertical.
4. Système de détection d’objets en trois dimensions selon la revendication 3 dans lequel les capteurs du dispositif de réception sont reliés par un câble et suspendu sous un dispositif aéroporté (221 ).
5. Système de détection d’objets en trois dimensions selon l’une des revendications 3 et 4, dans lequel un seul capteur est utilisé pour détecter la présence d’objets et estimer leur direction et distance dans le premier plan.
6. Système de détection d’objets en trois dimensions selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel le premier plan est un plan vertical, et dans lequel les capteurs (31 1 , 41 1 ) sont disposés dans un plan horizontal.
7. Système de détection d’objets en trois dimensions selon la revendication 6, dans lequel les capteurs (31 1 , 312, 313, 314, 315) sont disposés en ligne, le système disposant en outre de moyens de suppression d’ambigüités de la position des objets par rapport aux capteurs dans le plan horizontal.
8. Système de détection d’objets en trois dimensions selon la revendication 6, dans lequel les capteurs (41 1 , 412, 413, 414, 415, 416) sont disposés de manière à former un triangle, la détection de la présence d’objets et l’estimation de leur direction et distance dans le plan horizontal étant réalisées pour chaque branche du triangle respectivement, puis combinées de manière à supprimer des ambiguïtés sur la position des objets par rapport aux capteurs dans le plan horizontal.
9. Système de détection d’objets en trois dimensions selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les capteurs du dispositif de réception sont reliés aux moyens de traitements par une liaison (220, 320) en fibre optique, les capteurs comprenant en outre de moyens de conversion des signaux reçus vers des signaux optiques.
10. Système de détection d’objets en trois dimensions selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la détection de la présence d’objets et l’estimation de leur direction et distance dans le deuxième plan comprend la mise en oeuvre d’un procédé d’interférométrie ou un traitement haute résolution sur les signaux reçus des au moins deux capteurs de l’antenne de réception, ou par exploitation de la directivité d’une antenne réseau formée par les au moins deux capteurs de l’antenne de réception.
1 1. Procédé de mise en œuvre d’une détection de la présence d’objets et d’estimation de leur direction et distance selon trois dimensions dans un système de détection comprenant :
un dispositif d’émission (201 , 301 ) configuré pour émettre des signaux selon un procédé d’émission colorée dans un premier plan,
un dispositif de réception comprenant au moins deux capteurs (21 1 , 212, 31 1 , 312, 41 1 , 412) disposés dans un deuxième plan perpendiculaire au premier plan, et
des moyens de traitements (230, 330) des signaux émis et reçus, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend le positionnement séparé du dispositif d’émission et du dispositif de réception de manière à ce que le dispositif de réception soit surélevé par rapport au dispositif d’émission, et en ce qu’il comprend les étapes de :
émission (601 ) d’un signal selon un procédé d’émission coloré dans un premier plan,
réception (602) de signaux depuis au moins deux capteurs disposés dans un deuxième plan perpendiculaire au premier plan, et
détermination de la présence d’objets et estimation leur direction et distance (603) dans le premier plan par exploitation des propriétés de coloration du signal reçu par au moins un des capteurs, et dans le deuxième plan à partir des signaux reçus d’au moins deux des capteurs.
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