FR2987901A1

FR2987901A1 - Procede et dispositif pour determiner la frequence doppler moyenne et la distance d'analyse moyenne de la fenetre d'analyse d'un radar a synthese d'ouverture

Info

Publication number: FR2987901A1
Application number: FR9507199A
Authority: FR
Inventors: Philippe Cotier; Patrick Herve
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1995-06-16
Filing date: 1995-06-16
Publication date: 2013-09-13

Abstract

- La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour estimer la fréquence Doppler moyenne (Fmoy) et la distance d'analyse moyenne (Dmoy) de la fenêtre d'analyse d'un radar à synthèse d'ouverture. - Selon l'invention : a) on détermine une fenêtre d'analyse nominale ; b) on forme une image de référence à partir d'un signal radar traité dans ladite fenêtre d'analyse nominale ; c) on détermine une tache d'illumination de l'antenne du radar ; et d) on effectue une corrélation entre ladite image de référence et ladite tache d'illumination, les résultats obtenus permettant de déterminer la fréquence Doppler moyenne (Fmoy) et la distance d'analyse moyenne (Dmoy).

Description

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour déterminer à la fois la fréquence Doppler moyenne et la distance d'analyse moyenne de la fenêtre d'analyse d'un radar à synthèse d'ouverture.

La connaissance de ces données permet de centrer la fenêtre d'analyse de manière à effectuer les analyses de façon optimale par rapport au lobe de l'antenne du radar, c'est-à-dire par rapport aux caractéristiques d'illumination de l'antenne. Un mauvais centrage de la fenêtre d'analyse entraîne une diminution de la qualité de l'image produite par le radar, due à une détérioration du rapport entre le signal et le bruit. De façon connue, les données précitées permettant de centrer la fenêtre d'analyse peuvent être estimées par un calcula-15 teur qui utilise à cet effet les attitudes moyennes du porteur du radar. Cette solution nécessite donc : - soit d'utiliser des capteurs spécifiques, par exemple du type inertiel, pour déterminer ces attitudes ; - soit d'imposer des attitudes déterminées audit porteur. 20 On notera de plus que la connaissance des attitudes moyennes du porteur est uniquement nécessaire pour le centrage de la fenêtre d'analyse et n'intervient pas dans le traitement du radar. Ainsi, même pour un traitement radar mettant en oeuvre une correction des mouvements de l'antenne, on 25 utilise uniquement les attitudes instantanées du porteur, et non les attitudes moyennes devant être déterminées pour le centrage exclusivement. Cette méthode n'est donc guère satisfaisante, surtout en raison des contraintes afférentes et du coût.

On connaît également une méthode permettant d'évaluer la fréquence Doppler moyenne, en effectuant des opérations de moyennage à partir du signal radar reçu avant son traitement et en déduisant la fréquence Doppler moyenne à partir du maximum de ce signal reçu. Toutefois, cette méthode présente de nombreux inconvénients, en particulier - elle permet uniquement de déterminer la fréquence Doppler moyenne et non la distance d'analyse moyenne ; et - elle effectue les traitements suivant une seule dimension, à savoir suivant la fréquence, alors que les données sont intrinsèquement bidimensionnelles puisque la fréquence Doppler moyenne dépend également du roulis du porteur, c'est-à-dire de la distance d'analyse de la fenêtre d'analyse. La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients. Elle concerne un procédé permettant d'estimer directement, de façon rapide et précise, à la fois la fréquence Doppler moyenne et la distance d'analyse moyenne de la fenêtre d'analyse d'un radar à synthèse d'ouverture, embarqué à bord d'un aéronef et observant un terrain survolé. A cette fin, ledit procédé est remarquable selon l'invention en ce que l'on effectue les opérations suivantes : a) on détermine de façon connue une fenêtre d'analyse nominale du radar dépendant de caractéristiques cinématiques dudit aéronef et de caractéristiques d'utilisation de l'antenne dudit radar ; b) on traite dans ladite fenêtre d'analyse nominale un signal radar reçu dudit terrain observé de manière à obtenir une image de référence dudit terrain dans un repère bidimensionnel de distance et de fréquence ; c) on détermine, dans ledit repère bidimensionnel de distance et de fréquence, une tache d'illumination de l'antenne du radar représentant l'atténuation aller-retour par rapport audit terrain observé de la puissance d'illumination de ladite antenne ; et d) on effectue une corrélation entre ladite image de référence et ladite tache d'illumination de sorte que les coordonnées, dans ledit repère bidimensionnel de distance et de fréquence, du centre du pic de corrélation qui est obtenu par cette corrélation, permettent de déterminer : - d'une part, ladite fréquence Doppler moyenne recherchée, à partir de la coordonnée en fréquence ; et - d'autre part, ladite distance d'analyse moyenne recherchée, à partir de la coordonnée en distance.

Ainsi, grâce à l'invention, on est en mesure d'estimer de façon rapide et précise, à partir de quelques étapes de traitement simples, à la fois la fréquence Doppler moyenne et la distance d'analyse moyenne de la fenêtre d'analyse d'un radar à synthèse d'ouverture.

De plus, la mise en oeuvre dudit procédé ne nécessite pas la connaissance des attitudes moyennes de l'aéronef porteur du radar, ce qui permet de remédier aux inconvénients cités précédemment. Avantageusement, entre les étapes b) et c), on effectue, pour l'image de référence qui est définie par une puissance P(i), P(i) étant la puissance d'illumination renvoyée par le terrain observé à une distance Di de la fenêtre d'analyse nominale, une correction de l'atténuation en distance existant sur les radars à synthèse d'ouverture de manière à obtenir une image de référence corrigée de puissance P'(i), telle que : Vi, P'(i) = P(i).[Di/Dmin]4 avec : - Di = i.Ld, Pd étant le pas d'échantillonnage en distance de l'image de référence ; et - Dmin étant la distance minimale de la fenêtre d'analyse nominale.

Par ailleurs, lors de la mise en oeuvre de l'invention, on détermine de préférence la tache d'illumination G de l'antenne du radar, dans ledit repère bidimensionnel de distance D et de fréquence F, à partir de la relation : G = exp[81n2((C-Ca).cosE/0a0) ].exp[81n2(E-Ea es0)2] C et E étant obtenus à partir des expressions À.F cosC = tg.tgE 2.V.cosE h sinE = D dans lesquelles - V, h et représentent respectivement la vitesse, l'alti- tude et l'assiette dudit aéronef ; - À représente la longueur d'onde de l'illumination du radar ; et - Ea, Ca, OaO et OsO représentent des paramètres caractéristiques de l'antenne du radar.

En outre, la présente invention comporte deux modes de réalisation préférentiels pour effectuer la corrélation précitée. Dans un premier mode de réalisation, la corrélation COR1(k,p) entre l'image de référence P(i,j) et la tache 25 d'illumination G(i,j) est définie avantageusement par la relation : j=M+p i=N+k COR1(k,p) = E . E P(i,j).G*(i-k,j-p) j=1+p i=1+k dans laquelle - M et N sont des entiers prédéfinis, - 1 i N et 1 j M, - -N 5_ k N et -M p M, et - G* représente le complexe conjugué de G. Dans un second mode de réalisation, ladite corrélation COR2(k,p) est définie de façon avantageuse par la relation : COR2(k,p) = H-1[H[P(i,j)].H*[G(i,j)]] dans laquelle, en plus des éléments précités : - H[X] est la transformée de Fourier de X, - H-1[X] est la transformée de Fourier inverse de X, et - H* est le complexe conjugué de H. La présente invention concerne également un dispositif pour 15 la mise en oeuvre du procédé précité. Selon l'invention, ledit dispositif est remarquable en ce qu'il comporte - des moyens permettant de déterminer ladite fenêtre d'analyse nominale et ladite image de référence ; 20 - des moyens permettant de déterminer ladite tache d'illumination de l'antenne du radar ; et - des moyens permettant d'effectuer la corrélation entre ladite image de référence et ladite tache d'illumination et de déduire la fréquence Doppler moyenne et la distance 25 d'analyse moyenne.

Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 montre, de façon superposée, la projection au sol de la fenêtre d'analyse d'un radar et l'empreinte au sol du lobe de l'antenne de ce radar. La figure 2 illustre la position du radar embarqué à bord d'un aéronef par rapport à un point du sol. La figure 3 est le schéma synoptique d'un dispositif con-10 forme à l'invention. La figure 4 illustre une image de référence traitée dans une fenêtre d'analyse nominale du radar et définie dans un repère bidimensionnel de distance et de fréquence. La figure 5 illustre la tache d'illumination de l'antenne du 15 radar, définie dans le repère bidimensionnel. La figure 6 montre le résultat de la corrélation entre l'image de référence de la figure 4 et la tache d'illumination de la figure 5. La figure 7 illustre la détermination de la fréquence 20 Doppler moyenne et de la distance d'analyse moyenne de la fenêtre d'analyse du radar. La présente invention est destinée à la détermination à la fois de la fréquence Doppler moyenne et de la distance d'analyse moyenne de la fenêtre d'analyse d'un radar à 25 synthèse d'ouverture. On rappellera que la fenêtre d'analyse d'un radar est définie : - dans le domaine des distances, par une distance minimale Dmin et une distance maximale Dmax d'analyse du signal ; et - dans le domaine des fréquences, par une fréquence minimale Fmin et une fréquence maximale Fmax de traitement du signal. Par conséquent, pour un radar embarqué sur un porteur, par exemple un aéronef, assimilé à un point A sur la figure 1 et se déplaçant à une vitesse V, la projection PF sur le sol de 10 la fenêtre d'analyse est limitée : - d'une part en distance, par deux courbes Cl et C2 corres- pondant respectivement auxdites distances minimale et maximale Dmin et Dmax à partir dudit point A ; et - d'autre part angulairement, par deux lignes Li et L2 15 définies de façon connue respectivement à partir desdites fréquences minimale et maximale Fmin et Fmax. Pour obtenir la meilleure détection possible et notamment pour obtenir le meilleur rapport entre le signal et le bruit, il est nécessaire de centrer cette projection PF de 20 la fenêtre d'analyse, correspondant à la zone imagée par le radar, sur l'empreinte L au sol du lobe de l'antenne du radar, correspondant à la zone illuminée par le radar. Pour effectuer un tel centrage, il est nécessaire de connaître la fréquence Doppler moyenne et la distance d'analyse 25 moyenne de la fenêtre d'analyse. Ces données permettent de plus de déterminer de façon connue respectivement les fréquences minimale et maximale et les distances minimale et maximale, citées précédemment. Des méthodes connues déterminent ces données, c'est-à-dire 30 la fréquence Doppler moyenne et la distance d'analyse moyenne, à partir des attitudes moyennes de l'aéronef A porteur du radar, se déplaçant à la vitesse V, tel que représenté schématiquement sur la figure 2 qui montre également un point P du sol devant être imagé par le radar. Pour déterminer les attitudes moyennes de l'aéronef A, il est nécessaire de prévoir des capteurs adaptés, par exemple du type inertiel, sur ledit aéronef A. De plus, les attitudes moyennes déterminées alors sont uniquement utilisées pour centrer la fenêtre d'analyse et ne sont pas utilisées dans les traitements ultérieurs du radar, c'est-à-dire en particulier les traitements de compression en azimut des informations reçues, ce qui rend de telles méthodes guère intéressantes d'un point de vue pratique, surtout en ce qui concerne le coût. La présente invention concerne un procédé mis en oeuvre par le dispositif 1 représenté schématiquement sur la figure 3 et permettant d'estimer directement, de façon rapide et précise, à la fois la fréquence Doppler moyenne et la distance d'analyse moyenne de la fenêtre d'analyse d'un radar à synthèse d'ouverture. Ledit dispositif 1 comporte à cet effet des moyens 2 rece- vant des informations par une liaison 3 et destinés à déterminer, de façon connue, à partir de caractéristiques cinématiques de l'aéronef et de caractéristiques d'utilisation de l'antenne du radar, une fenêtre d'analyse nominale, définie dans un repère bidimensionnel ODF de distance D et de fréquence F. Lesdits moyens 2 sont de plus destinés à déterminer une image de référence F0 (représentée sur la figure 4) dudit terrain observé, en traitant à cet effet un signal radar dudit terrain dans ladite fenêtre d'analyse nominale.

La représentation de la figure 4 est présentée en trois dimensions pour illustrer la puissance du signal obtenu en fonction de la distance D et de la fréquence F. Ladite image de référence FO est définie par une puissance P(i,j) (i et j étant des entiers) qui représente la puis- sance d'illumination renvoyée par le terrain observé à une distance Di et à une fréquence Doppler Fi, Di et Fi vérifiant les relations suivantes - Di = Pd étant le pas d'échantillonnage en distance de l'image de référence ; et - Fi = i.f, if étant le pas d'échantillonnage en fréquence Doppler. On effectue sur l'image de référence ainsi définie une correction de l'atténuation en distance existant sur les 15 radars à synthèse d'ouverture de manière à obtenir une puissance corrigée P'(i,j), telle que : Vi, P'(i,j) = P(i,j).[Di/Dmin14 Dmin étant la distance minimale de la fenêtre d'analyse nominale. 20 On utilise dans les traitements ultérieurs l'image de référence ainsi corrigée. Le dispositif 1 comporte en outre des moyens 4 recevant des informations par une liaison 5 et destinés à déterminer, dans ledit repère bidimensionnel ODF de distance D et de 25 fréquence F, la tache d'illumination G de l'antenne du radar, représentant l'atténuation aller-retour par rapport audit terrain observé de la puissance d'illumination de ladite antenne, tel que représenté sur la figure 5. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, on 30 détermine ladite tache d'illumination G à partir de mesures réelles de l'illumination, effectuées sur l'antenne du radar. Toutefois, de préférence, surtout lorsque de telles mesures ne sont pas disponibles ou possibles, on détermine la tache d'illumination G à partir d'un second mode de réalisation qui prévoit un modèle de lobe gaussien, dont l'atténuation aller-retour de la puissance d'illumination est définie par la relation suivante G = exp[81n2(0a/0a0) ].exp[81n2(0s/Os0)2] (1) 10 dans laquelle - ea° et OsO représentent des paramètres caractéristiques de l'antenne du radar ; et - Oa et Os représentent les angles en azimut et en site d'un point P au sol (représenté sur la figure 2), par rapport à 15 l'axe de l'antenne (non représenté). De façon connue, ces angles vérifient les relations suivan- tes Sa = (C - Ca).cosE Os = E - Ea 20 dans lesquelles - Ca représente l'angle de circulaire de l'axe de l'antenne défini dans un repère AXYZ lié à l'aéronef A porteur du radar ; - Ea représente l'angle d'élévation de l'axe de l'antenne 25 dans ledit repère AXYZ ; - C représente l'angle de circulaire de la droite AP (entre l'antenne et le point P considéré au sol) dans le repère AXYZ, tel que représenté sur la figure 2 ; et - E représente l'angle d'élévation de la droite AP dans le 30 repère AXYZ.

Par conséquent, l'expression (1) de la tache d'illumination G peut s'écrire sous la forme Ea' G = exp[81n2((C-Ca).cosE/0a0)2].exp[81n2,E- ` Os())21 J (2) De plus, les angles C et E peuvent être déterminés, en 5 fonction de la distance d'analyse D et de la fréquence Doppler F à partir des relations suivantes : Â.F cosC = tg.tgE 2.V.cosE sinE = D dans lesquelles, en plus des paramètres précités : 10 - X représente la longueur d'onde de l'illumination du radar ; - h l'altitude de l'aéronef A ; et - l'attitude dudit aéronef A, correspondant à l'angle entre le vecteur vitesse V de l'aéronef A et l'axe AX du 15 repère AXYZ, tel que représenté sur la figure 2. Le dispositif 1 comporte par ailleurs des moyens 6 reliés par l'intermédiaire de liaisons 7 et 8 respectivement aux moyens 2 et 4 et destinés à effectuer la corrélation, dans ledit repère bidimensionnel ODF, entre ladite image de 20 référence FO de puissance P(i,j) et ladite tache d'illumination G(i,j), explicitées précédemment. Dans un premier mode de réalisation, la corrélation COR1(k,p) ainsi effectuée est définie par la relation : j=M+p i=N+k COR1(k,p) = E . E P(i,j).G*(i-k,j-p) j=1+p i=1+k dans laquelle : - M et N sont des entiers prédéfinis, - 1 i N et 1 j 5 M, -N k N et -M p 5 M, et - G* représente le complexe conjugué de G. Toutefois, dans un second mode de réalisation, la corrélation COR2(k,p) peut être obtenue à partir de la relation : COR2(k,p) = H-1[H[P(i,j)].H*[G(i,j)]] dans laquelle - H[X] est la transformée de Fourier de X, - H-1[X] est la transformée de Fourier inverse de X, et - H* est le complexe conjugué de H. Le résultat de cette corrélation, représenté sur la figure 6, permet de mettre en évidence un pic de corrélation PC. Les coordonnées i\F et AD du centre I de ce pic de corrélation PC dans le repère bidimensionnel ODF permettent de déterminer les informations recherchées, à savoir le centre CO de la fenêtre d'analyse adaptée aux conditions de vol non nominales envisagées. A cet effet, on utilise les coordonnées connues Fi et Dl du centre Cl de la fenêtre d'analyse dans des conditions de vol nominales. Les coordonnées recherchées Fmoy et Dmoy dudit centre CO 25 sont alors calculées directement à l'aide des relations : Fmoy = Fl + p F Dmoy = Dl + A D. Les résultats ainsi obtenus peuvent être transmis par le calculateur 6 par l'intermédiaire d'une liaison 9 à un 5 dispositif utilisateur non représenté, en particulier pour recentrer le cas échéant la fenêtre d'analyse. Ainsi, grâce à l'invention, on est en mesure d'estimer directement, de façon rapide et précise, à la fois la fréquence Doppler moyenne Fmoy et la distance d'analyse 10 moyenne Dmoy, permettant d'effectuer un recentrage efficace de la fenêtre d'analyse du radar.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé pour estimer à la fois la fréquence Doppler moyenne (Fmoy) et la distance d'analyse moyenne (Dmoy) de la fenêtre d'analyse d'un radar à synthèse d'ouverture, embarqué à bord d'un aéronef (A) et observant un terrain survolé, caractérisé en ce que l'on effectue les opérations suivan- tes a) on détermine une fenêtre d'analyse nominale du radar dépendant de caractéristiques cinématiques dudit aéronef et de caractéristiques d'utilisation de l'antenne dudit radar ; b) on traite dans ladite fenêtre d'analyse nominale un signal radar reçu dudit terrain observé de manière à obtenir une image de référence (FO) dudit terrain dans un repère bidimensionnel de distance (D) et de fréquence (F) ; c) on détermine, dans ledit repère bidimensionnel de distance et de fréquence, une tache d'illumination (G) de l'antenne du radar représentant l'atténuation aller-retour par rapport audit terrain observé de la puissance d'illumination de ladite antenne ; et d) on effectue une corrélation entre ladite image de référence (FO) et ladite tache d'illumination (G) de sorte que les coordonnées, dans ledit repère bidimensionnel de distance et de fréquence, du centre (I) du pic de corré- lation (PC) qui est obtenu par cette corrélation, permet- tent de déterminer - d'une part, ladite fréquence Doppler moyenne recherchée (Fmoy), à partir de la coordonnée en fréquence ; et - d'autre part, ladite distance d'analyse moyenne recher- chée (Dmoy), à partir de la coordonnée en distance.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, entre les étapes b) et c), on effectue, pour l'image de référence (FO) qui est définie par unepuissance P(i), P(i) étant la puissance d'illumination renvoyée par le terrain observé à une distance Di de la fenêtre d'analyse nominale, une correction de l'atténuation en distance existant sur les radars à synthèse d'ouverture de manière à obtenir une image de référence corrigée de puissance P'(i), telle que Vi, P'(i) = P(i).[Di/Dmin]4 avec : - Di = i.dd, Ad étant le pas d'échantillonnage en distance de l'image de référence ; et - Dmin étant la distance minimale de la fenêtre d'analyse nominale.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on détermine la tache d'illumination G de l'antenne du radar, dans ledit repère bidimensionnel de distance D et de fréquence F, à partir de la relation : G = exp[81n2((C-Ca).cosE/0a0)2].exp[81n2(E es0)2] C et E étant obtenus à partir des expressions.: X.F cosC = tg.tgE 2.V.cosE sinE = h D dans lesquelles : - V, h et représentent respectivement la vitesse, l'alti- tude et l'assiette dudit aéronef (A) ; - a représente la longueur d'onde de l'illumination du radar ; et - Ea, Ca, Ga° et es° représentent des paramètres caractéristiques de l'antenne du radar.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la corrélation COR1(k,p) entre l'image de référence P(i,j) et la tache d'illumination G(i,j) est 5 définie par la relation j=M+p i=N+k COR1(k,p) = E . E P(i,j).G*(i-k,j-p) j=1+p i=1+k dans laquelle : - M et N sont des entiers prédéfinis, - 1 5 i 5 N et 1 5 j 5 M, 10 - -N 5 k 5 N et -M 5 p M, et - G* représente le complexe conjugué de G.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la corrélation COR2(k,p) entre l'image de référence P(i,j) et la tache d'illumination G(i,j) est 15 définie par la relation COR2(k,p) H-1 [H[P(i,j)].H*[G(i,j)]] dans laquelle : - 1 5 i 5 N et 1 5 j 5 M, M et N étant des entiers prédéfi- nis, 20 - -N 5 k 5 N et -M 5 p 5 M, - H[X] est la transformée de Fourier de X, - H-1 [X] est la transformée de Fourier inverse de X, et - H* est le complexe conjugué de H.
6. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé spécifié 25 sous l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte : - des moyens (2) permettant de déterminer ladite fenêtre d'analyse nominale et ladite image de référence (FO) ;- des moyens (4) permettant de déterminer ladite tache d'illumination (G) de l'antenne du radar ; et - des moyens (6) permettant d'effectuer la corrélation entre ladite image de référence (FO) et ladite tache d'illumination (G) et de déduire la fréquence Doppler moyenne (Fmoy) et la distance d'analyse moyenne (Dmoy).