FR2892830A1 - Procede de detection radar notamment d'helicoptere en vol quasi-stationnaire - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de détection radar permettant de détecter la présence d'un hélicoptère quasi stationnaire.Cette détection se fait à l'aide d'un système radar à impulsions par détection de la rotation des pales du rotor principal de sustension en émettant des rafales d'impulsions dont les espaces entre impulsions (tau) sont inférieurs à la durée et la fréquence des éclairs émis par les pales du rotor de l'hélicoptère.

Description

PROCEDE DE DETECTION RADAR NOTAMMENT D'HELICOPTERE EN VOL

QUASI-STATIONNAIRE

La présente invention concerne un procédé de détection radar permet-tant notamment la détection des hélicoptères en vol stationnaire à basse altitude et compatible avec la détection d'autres objectifs. Un tel procédé utilise des systèmes radars à impulsions et plus précisément des systèmes radar Doppler à impulsions cohérentes. Ces types de systèmes sont largement exposés dans la littérature technique. Sur ce sujet, on pourra consulter l'ouvrage de M. H. SKOLNIK "Radar1970, édité par Mc Graw Hill. Les systèmes radar Doppler à impulsions cohérentes, ou radar VCM (Visualisation des Cibles Mobiles) permettent de séparer les signaux échos des cibles mobiles des signaux échos des objets fixes, ou animés d'une faible vitesse de déplacement. Ces systèmes radar mettent en oeuvre des techniques parfaitement connues, et d'une manière générale, ils exploitent le glissement de fréquence Doppler introduit par le déplacement des cibles mobiles. Dans de tels systèmes radar, la phase de l'onde porteuse des impulsions émises est retenue et comparée à la phase des signaux échos captés par l'antenne, afin de mesurer la phase relative de ces signaux. Cette phase relative est constante d'une période de récurrence à la suivante dans le cas des signaux radar réfléchis par un objet fixe, tandis qu'elle varie au cours du temps dans le cas des signaux radar réfléchis par une cible mobile ayant une composante de vitesse radiale Vr, non nulle, par rapport à l'antenne radar. L'opération de comparaison de la phase des signaux émis et des signaux reçus est effectuée par un détecteur cohérent, généralement du type complexe, c'est-à-dire qui détecte les deux composantes orthogonales I et Q des signaux échos. Il en résulte que le détecteur cohérent fournit des composantes dont l'amplitude est constante dans le cas d'objets fixes, et des composantes modulées sinusoîdalement en amplitude dans le cas de cibles mobiles. On sait, par ailleurs, que la détection, par un radar, de cibles, principalement de cibles volant bas, est gênée par des conditions extérieures au radar consistant en des objets fixes ou se déplaçant à faible vitesse ou .5 10 15 20 25 30 encore d'échos dits de sol ou de mer dus à la réflexion de l'énergie rayonnée par le radar, sur le sol ou la crête des vagues. Ces conditions créent des entraves à la détection par le radar des cibles intéressantes qui sont noyées dans ces échos particuliers indésirables. Ces échos particuliers, gênants pour une bonne exploitation du radar sont connus sous le nom anglo-saxon de "clutter". Des dispositifs sont connus qui tentent de remédier aux inconvénients qui ont été signalés. Ces dispositifs, connus sous le nom anglo-saxon de "Moving Target Indicator" (MTI), sont appelés dispositifs d'élimination d'échos fixes et de visualisation des cibles mobiles. Cependant les systèmes connus ne permettent pas de détecter un hélicoptère en vol stationnaire, c'est-à-dire d'un hélicoptère qui se maintient immobile dans l'air et est de ce fait immobile pour les systèmes de détection radar. L'invention se propose de résoudre ce problème et a pour objet un procédé permettant à un système radar de détecter un hélicoptère en vol stationnaire tout en étant utilisable à d'autres fins dans ces conditions normales d'utilisation. L'invention concerne donc un procédé de détection radar utilisant un système radar à impulsions et permettant de détecter la présence d'un hélicoptère en vol stationnaire, caractérisé en ce qu'il comporte pour chaque direction à surveiller une phase de détection de durée au, moins égale au temps séparant deux éclairs successifs produits par la rotation des pales du rotor principal de sustentation augmenté de la durée d'un éclair et que ladite phase de détection comporte l'émission d'impulsions de détection dans chaque direction considérée telles que le temps séparant deux impulsions consécutives est inférieur à la durée d'un éclair. De plus, selon le procédé de l'invention, la phase de détection permet, par balayage en azimut, la surveillance de chaque direction pendant un temps supérieur à la période d'apparition de chaque éclair renvoyé par le rotor de l'hélicoptère. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description qui va suivre et des figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 représente un diagramme d'impulsions selon le procédé de 10 15 20 25 30 l'invention ; - la figure 2, représente un ensemble de lobes des faisceaux de détection émis par une antenne selon le procédé de l'invention ; - la figure 3, représente une variante du diagramme d'impulsions selon le procédé de l'invention. La figure 4, représente un exemple de circuits permettant de mettre en oeuvre le procédé de l'invention. Le pilote d'un hélicoptère met généralement son appareil en attitude de vol stationnaire ou quasi-stationnaire soit pour des opérations héliportées de déchargement à terre ou de chargement, soit des opérations de tir en position de dissimulation ou de masquage très court. L'hélicoptère est donc dans ces cas-là à très basse altitude. Un système ayant pour objet de détecter un tel hélicoptère doit donc être muni d'un dispositif éliminant les échos de sol pour différencier l'hélicoptère de ces échos. Ce dispositif est appelé VCM (visualisation des cibles mobiles) en langue française ou MTI (moving target indicator) en anglo-saxon. Dans ces conditions, pour un hélicoptère en vol quasi-stationnaire, la plupart des parties de l'objectif ont une vitesse nulle ou très faible et ne sont pas détectées. Seuls les rotors peuvent permettre la détection de la cible. Il s'agit dans la plupart des cas du rotor principal de sustentation, car le rotor auxiliaire de stabilisation souvent caché lorsque l'hélicoptère est orienté vers le radar, donne un écho correspondant alors généralement faible. Par suite de la forme très allongée des pales, l'ensemble du rotor de sustentation, se comporte comme un réflecteur doué de propriétés parti-culières. Il donne un écho dirigé vers le radar seulement lorsque l'une des pales est pratiquement perpendiculaire à l'axe du faisceau rayonné par le radar. Au cours de la rotation du rotor de sustentation, l'écho de l'hélicoptère se présenterait, pour un radar continu, comme une suite d'éclairs ; la durée d'un éclair devrait être d'autant plus courte que le réflecteur formé par une pale est plus directif c'est-à-dire que la pale est plus longue et que la longueur d'onde du radar est plus courte. Si l'on assimilait une pale à un cylindre de section constante, la durée de l'écho a 3 décibels devrait être sensiblement T = 2 VV avec X = longueur d'onde du radar 10 15 20 25 30

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'et V = vitesse de l'extrémité de la pale. Ceci n'est vrai en toute rigueur que pour un hélicoptère à nombre impair de pales comme on le verra par la suite. Par exemple, pour Vif- 200 m/s on trouve en bande de fréquences L ( X= 20 cm environ) T = 0,5 milliseconde, et en bande de fréquences X (X = 3 cm) T = 75 microsecondes. En fait la durée des éclairs est nettement supérieure aux valeurs ci-dessus parce que la section de la pale n'est pas constante, depuis l'axe de rotation jusqu'à l'extrémité ; le diagramme de réflexion de chaque pale est donc plus large que celui qui correspond à l'hypothèse simplificatrice faite ; l'augmentation relative de la durée des éclairs est notablement plus grande pour les longueurs d'ondes faibles parce que les écarts relatifs de la pale par rapport à la forme simplifiée sont plus grands lorsqu'ils sont mesurés en longueurs d'ondes. On peut ainsi estimer une durée d'éclair de 400 microsecondes en bande X, 700 microsecondes en bande C, et 1 milliseconde en bande S. Un éclair se produit chaque fois qu'une pale est perpendiculaire au rayon radar. Une pale déterminée avance vers le radar lors d'un demi-tour du rotor et recule par rapport au radar lors du demi-tour suivant. Pour un hélicoptère à nombre impair de pales ni, la fréquence des éclairs est

F=2n. N 1 i 60 ou N est la vitesse de rotation du rotor en tours par minute. Par exemple, pour un hélicoptère dont le rotor principal de sustention possède un nombre de pales ni = 3 et tourne à une vitesse de 375 tours par minute, la fréquence des éclairs est :

F=2x3 360 37,5 Hz TEE = F , son ordre de grandeur numérique est donc connu. Pour un hélicoptère qui a un nombre pair de pales, la fréquence est deux fois plus faible. En effet, l'éclair dû à une pale qui avance vers le radar se superpose à l'éclair d0 à la pale symétrique qui recule par rapport au radar. Les profils présentés au radar par une pale et par l'autre sont très Le temps TEE séparant deux éclairs successifs émis par un rotor étant 1 10 15 20 25 30 surfaces équivalentes réfléchissantes sont très différentes. La durée d'un tel éclair résultant de la superposition des deux éclairs de deux pales symétriques est sensiblement égale à la durée d'un éclair fournit par une pale d'un rotor à nombre impair de pales, mais la fréquence d'apparition des éclairs est deux fois plus faible. Il convient également de remarquer que, pour tous les hélicoptères actuellement commercialisés, la vitesse de l'extrémité des pales du rotor principal de sustentation est sensiblement la même pour tous les hélicoptères (190 à 220 mètres par seconde) compte-tenu du diamètre des rotors et des vitesses de rotation. Ce qui veut dire que, quelque soit l'hélicoptère, une impulsion radar reçue par une pale sera sensiblement réfléchie et déformée de la même manière et fournira des éclairs sensiblement de même durée. Le système de l'invention tire profit des diverses observations qui précèdent pour fournir un procédé permettant de détecter un hélicoptère en vol stationnaire. Dans ce qui va suivre, on désignera par T la durée d'un éclair d'une pale (ou écho radar réfléchi par une pale) tel que défini précédemment, et par TEE le temps séparant deux éclairs consécutifs émis par les pales du rotor. Le procédé de l'invention utilise de préférence un système radar à impulsions fonctionnant de préférence par rafales d'impulsions de fréquences différentes. Si pour une suite d'impulsions ou une rafale donnée émise par le radar vers le rotor de l'hélicoptère, celui-ci réfléchit une seule impulsion, le récepteur VCM donne un écho puisque par principe l'annulation des échos fixes nécessite que 2 impulsions successives ou plus soient réfléchies pour effectuer une (ou des) comparaison(s) de phase. Si le nombre des impulsions réfléchies par le rotor est supérieur ou égal à celui qu'un obstacle fixe doit réfléchir pour être éliminé, le récepteur VCM fournit encore un écho à cause de la modulation en amplitude ou en phase due à la rotation du rotor qui affecte différemment les impulsions d'une même rafale. On voit qu'en sortie du récepteur VCM l'hélicoptère en vol stationnaire donne un écho si pendant la durée T d'un éclair du rotor définie ci-dessus le radar émet dans la direction de l'hélicoptère une rafale d'impulsions telle que l'intervalle de temps T séparant 2 impulsions successives soit inférieur à T. L'instant d'apparition d'un éclair n'est pas connu, par contre l'intervalle de temps TEE séparant 2 éclairs est limité comme cela a été exposé. En conséquence si le radar émet dans la direction de l'hélicoptère pendant un intervalle de temps TEE + T une suite de rafales ou d'impulsions telles que d'une part l'intervalle de temps T séparant deux impulsions successives d'une même rafale soit inférieur au temps T, d'autre part le temps t séparant la dernière impulsion d'une rafale de la première impulsion de la rafale suivante destinée à la même direction soit également inférieur au temps T, l'hélicoptère est alors détecté. Sur la figure 1, on a représenté 4 rafales de trois impulsions chacune. Les impulsions d'une même rafale sont d'une même fréquence. De plus, les impulsions des différentes rafales sont imbriquées. C'est ainsi que, selon l'exemple de la figure 1, la première rafale est constituée des impulsions 11, 12 et 13 d'une même fréquence fi. La deuxième rafale est constituée des impulsions 21, 22, 23 d'une fréquence f2. Et ainsi de suite, la quatrième rafale étant constituée des impulsions 41, 42, 43 d'une fré-20 quence f4. Selon l'invention, le temps séparant deux impulsions, 11 et 12 par exemple, d'une même rafale doit être inférieur à T. De même le temps t séparant la dernière impulsion 13 par exemple, d'une rafale, de la première impulsion de même fréquence, 11' par exemple, de la rafale suivante envoyée dans la même direction doit être également inférieur à T. Ce qui revient à dire que deux impulsions successives appartenant à une même rafale ou non mais destinées à une même direction doivent être séparées par un intervalle de temps inférieur à la durée T d'un éclair. Pour réaliser une détection d'hélicoptère en vol quasi-stationnaire, on utilisera un radar émettant dans toutes les directions, pendant un temps TEE + T, une suite de rafales espacées d'un temps t tel que t < T et constituée d'impulsions espacées d'un temps 'r < T. Ceci est obtenu de préférence au moyen de l'imbrication d'impulsions 10 15 25 30 5 15 20 25 30 émises à des fréquences différentes pour assurer très rapidement le balayage en gisement recherché. Dans le cas d'un fonctionnement du radar avec dispositif VCM l'émission est constituée de préférence par des rafales d'impulsions, les rafales étant imbriquées mais les impulsions d'une même rafale étant à la même fréquence et ayant des relations de phase connues entre elles ; la réception tient alors compte de ces relations de phase pour éliminer les échos fixes. Le procédé le plus simple consiste à utiliser un émetteur à amplification dont le pilote complexe fournit des impulsions telles qu'elles sont le résultat du découpage d'une sinusoïde à la fréquence d'émission déterminée pour chaque rafale. Le récepteur VCM fonctionne alors pour chacune des rafales d'une manière identique à celle d'un récepteur VCM classique bien connu de l'homme de l'art ; dans le cas où les impulsions d'une même rafale ne sont plus identiques à celles d'une sinusoïde unique découpée, mais où elles ont un écart de phase connu par rapport à ces dernières prises comme référence, le récepteur VCM, de préférence numérique, effectue sur chaque impulsion reçue le déphasage nécessaire pour rétablir la phase qui correspondrait à la référence définie plus haut. Pour simplifier l'exposé dans une première étape, supposons que l'antenne reste fixe pendant des intervalles de temps successifs (1/F) + T et qu'elle tourne instantanément d'un angle a, toujours dans le même sens, entre chacun des intervalles de temps (1/F) + T. Le radar est construit de telle manière que l'angle a soit couvert par un ensemble de faisceau émis (3 i. Dans le cas schématisé par la figure 1 où 4 rafales de 3 impulsions sont imbriquées, les directions (correspondant respectivement aux fréquences fi, f2,... f3, f4) on peut prendre :

t3.4 = 33 + A P.3 = ~2 +A 10 15 20 25 30 dans ce cas l'angle a couvert vaut 4 A; (A est pris avantageusement voisin de la largeur de lobe à demie puissance). La figure 2 montre la disposition relative des faisceaux radar. La couverture de l'angle a par les différents faisceaux Ri est obtenue, dans une variante préférée, par l'emploi d'une antenne à balayage en gisement par la fréquence, tel que celà est décrit dans l'ouvrage de M.H. SKOLNIK cité précédemment et plus particulièrement dans le chapitre intitulé "Frequency scan array". Ceci revient à dire que les fréquences correspondant aux différentes rafales sont choisies pour réaliser la couverture de l'angle a grâce aux propriétés dispersives de l'antenne. L'imbrication des rafales peut être réalisée de différentes façons. En effet, les impulsions de rafales différentes pouvant être groupées ou non dans une même impulsion-enveloppe. On peut imaginer sans peine des systèmes d'imbrications plus compliquées correspondant par exemple à la figure 3, ou à d'autres cas où les rafales ont au moins 2 impulsions et où il y a plus de 2 types de rafales imbriquées ou non. Si l'antenne du radar tourne à la vitesse w, l'azimut où se trouve l'hélicoptère est surveillé pendant le temps Tr tel que Tr = , a étant comme mentionné plus haut, la zone angulaire surveillée d'une manière quasi instantanée par le radar, grâce à la déflexion électronique du faisceau. Le fait d'avoir Tr > (1/F) + T assure qu'au cours de la rotation de l'antenne l'hélicoptère réfléchira au moins une impulsion radar, si les conditions T < T et t < T sont toujours réalisées. Le radar regardant constamment dans une même direction durant un intervalle de temps correspondant à l'intervalle entre deux éclairs augmenté de la durée d'un éclair, il doit alors surveiller, de façon quasi continue, un angle ayant pour valeur : a= 360 N (TEE + T) 60 N étant la vitesse de rotation du radar en tours par minute. Si la largeur d'un lobe d'ouverture d'émission de l'antenne a pour valeur 0 à 3db, le nombre de fréquences nécessaire pour couvrir l'an- gle devra donc être p = 6 10 15 20 25 30 Le radar utilisé peut donc être, comme mentionné précédemment, un radar à balayage en azimut par variations de fréquences, mais il peut aussi être un radar à balayage électronique par déphaseurs commandés alimentant chacun une source élémentaire d'émission et de réception (voir l'ouvrage de M.H. SKOLNICK dans le chapitre intitulé "Phased Array Antennas"). Il peut être également un radar dont le balayage en azimut résulte de la combinaison de ces deux propriétés. On aura intérêt à diminuer le nombre de fréquences de façon à diminuer le nombre de récepteurs et donc le volume de matériel. A titre d'exemple, ce nombre de fréquences pourra être raisonnablement de 6. Un avantage du procédé de l'invention est qu'il laisse disponible du temps libre entre les rafales d'impulsions à l'intérieur des impulsions enveloppe d'émission. Ce temps libre peut être utilisé pour la réalisation d'autres travaux. C'est ainsi que sur la figure 3, par exemple l'impulsion enveloppe 10 comporte en pointillé du temps disponible. Il en est de même éventuellement des autres impulsions enveloppes bien que celà ne soit pas représenté sur la figure 3. La figure 4 fournit un exemple de réalisation de circuits permettant de mettre en oeuvre le procédé de l'invention dans le cas où le nombre de fréquences p = = 3. Des oscillateurs multifréquences 11 à 13 fournissent des fréquences f1 à f3 vers des mélangeurs 21 à 23. Un oscillateur stable 6 délivre une fréquence F0 vers les mêmes mélangeurs. Un circuit de commutation 8 connecte sélectivement les mélangeurs 21 à 23 à l'amplificateur de puissance 4 commandé par un modulateur d'impulsion 3. L'amplificateur de puissance 4 délivre des impulsions de fréquences à un circuit duplexeur 2 vers l'antenne radar 1. Celle-ci reçoit en retour les signaux d'échos qui sont transmis par le circuit duplexeur 2 à un circuit de mixage 5. La fréquence F0 de l'oscillateur 6 est également transmise au circuit de mixage 5. Le résultat du mixage est transmis à un amplificateur à large bande 7 où il est amplifié, puis à des filtres 31 à 33 dont les fréquences de filtrage correspondent sensiblement aux fréquences f1 à f3• Les signaux filtres sont ensuite transmis aux détecteurs de phases 41 à 43 qui reçoivent, par ailleurs, les signaux de fréquences f 1 à f3 des oscillateurs 11 à 13. Les résultats des détecteurs de phases 41 à 43 sont transmis à des convertisseurs continus 51 à 53 fournissant les composantes I et Q des signaux échos, précédemment définies, puis à des dispositifs de traitement VCM 61 à 63 bien connus de l'homme de l'art. De plus, pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention, il est prévu un circuit logique de commande 8 délivrant des signaux Cl pour commander le commutateur 8. La durée des signaux Cl et les intervalles de temps entres signaux sont déterminés par le circuit 8 de façon à respecter les temps T et t décrits précédemment et représentés sur la figure 1. 5 10 20 25

Claims (6)

REVENDICATIONS

1/ Procédé de détection radar utilisant un système radar à impulsions et permettant de détecter le présence d'un hélicoptère en vol quasi-stationnaire caractérisé en ce qu'il comporte pour chaque direction à surveiller une phase de détection de durée au moins égale au temps séparant deux éclairs successifs produits par la rotation des pales du rotor principal de sustentation augmenté de la durée d'un éclair et que ladite phase de détection comporte l'émission de rafales d'impulsions de détection d'une même fréquence à l'intérieur d'une rafale telles que le temps (T) séparant deux impulsions consécutives d'une rafale est inférieur à la durée d'un éclair (T).

2/ Procédé de détection radar selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'intervalle de temps (t) séparant la dernière impulsion d'une rafale de la première impulsion de la rafale suivante est inférieur à la durée d'un éclair (T).

3/ Procédé de détection radar selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les impulsions de différentes rafales sont imbriquées.

4/ Procédé de détection radar selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'intervalle de temps (t) séparant la dernière impulsion d'une rafale de la première impulsion de même fréquence d'une rafale suivante est inférieur à la durée d'un éclair (T).

5/ Procédé de détection radar selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase détection permet, par balayage en azimut, la surveillance de chaque direction de telle façon que chaque portion à surveiller est vue par le système radar durant un temps correspondant à la durée de phase de détection.

6/ Procédé de détection selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'un temps disponible est laissé entre chaque impulsion et chaque rafale d'impulsion de détection et permet au système d'accomplir d'autres travaux.