FR3070768A1 - Procede de classification automatique d'un navire cible et systeme radar associe - Google Patents
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Abstract
Ce procédé de classification automatique d'un navire cible (2) est caractérisé en ce qu'il est fondé sur une séquence de profils énergétiques (Pi) délivrés par un système radar (8) porté par un aéronef observant ledit navire cible (2), la séquence comportant au moins un profil énergétique (Pi) indiquant, pour une direction d'observation (Z) du système radar (8), une énergie rétrodiffusée en fonction d'une distance au système radar, et en ce qu'il consiste à associer au navire cible (2) une classe (Cj) sélectionnée parmi un groupe de classes prédéfinies en fonction des valeurs (pki) d'une pluralité de paramètres morphologiques (pk) calculés sur chaque profil de la séquence.
Description
PROCEDE DE CLASSIFICATION AUTOMATIQUE D’UN NAVIRE CIBLE ET SYSTEME RADAR ASSOCIE
La présente invention se situe dans le domaine de la surveillance maritime. Elle est plus particulièrement relative à la classification des navires.
Les navires fournissent des informations auto-déclaratives qui donnent l’identification, la position, la route et les dimensions (longueur et largeur) du navire, selon un système d’identification automatique, connu sous l’acronyme AIS (« Automated Identification System »).
Il est utile d’être en mesure de vérifier les informations fournies par un navire, afin de détecter un navire suspect, dans un contexte civil ou militaire.
Il est connu d’utiliser les informations fournies par un radar afin de classifier un navire cible, c’est-à-dire de pouvoir associer ce navire cible à une classe de navire (telle que la classe pétrolier, vraquier, porte-conteneur, bateau de pêche, etc.), afin de vérifier la cohérence des informations qu’il fournit avec les informations correspondantes de la classe à laquelle il est associé.
Actuellement, la classification d’un navire cible est réalisée à partir d’images radar, par exemple SAR (« Synthetic Aperture Radar » en anglais) ou ISAR (« Inverse Synthetic Aperture Radar » en anglais), de ce navire cible.
Ces modes d’imagerie nécessitent une durée d’observation longue des cibles compte-tenu des périodes des mouvements propres (roulis, tangage et lacet) de ces dernières.
Il ne peut donc s’agir que d’une information haut niveau, obtenue après que l’opérateur a décidé de suivre un navire préalablement détecté présentant un intérêt. La classification est donc faite a posteriori.
Par ailleurs, un système radar est propre à fournir un profil énergétique (ou « Range Profile» en anglais), défini comme un graphe de la puissance réfléchie selon une direction d’observation en fonction de la distance au système radar selon la direction d’observation.
Cependant, jusqu’à présent, la classification de navire ne se fait pas à partir des profils énergétiques, car la nature de ces signaux, à la fois très fluctuant et très dépendant de l’environnement, n’y est pas favorable.
Cette grande variabilité du profil énergétique est due à la sensibilité à l’angle de prise de vue ; aux fluctuations de la puissance rétrodiffusée par une cible ; à l’environnement, notamment le fouillis de mer ; à des variabilités entre navires d’une même classe ou entre un même navire lorsqu’il embarque des chargements différents.
L’invention a donc pour but de pallier ce problème, notamment en fournissant une information de classification d’un navire cible sans avoir à utiliser une image radar et à réaliser des calculs complexes sur cette image.
L'invention a donc pour objet un procédé de classification automatique d’un navire cible, le procédé étant fondé sur une séquence de profils énergétiques délivrés par un système radar porté par un aéronef observant ledit navire cible, la séquence comportant au moins un profil énergétique indiquant, pour une direction d’observation du système radar, une énergie rétrodiffusée en fonction d’une distance au système radar, et en ce qu’il consiste à associer au navire cible une classe sélectionnée parmi un groupe de classes prédéfinies en fonction des valeurs d’une pluralité de paramètres morphologiques calculés sur chaque profil de la séquence.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le procédé comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le procédé comprend les étapes consistant à, pour chaque profil énergétique de la séquence, calculer la valeur de chacun des paramètres morphologiques d’un ensemble de paramètres morphologique prédéfinis ; pour chaque paramètre morphologique, déterminer une note indicative d’une corrélation entre la valeur calculée pour ledit paramètre et une valeur de référence dudit paramètre pour chaque classe du groupe de classes ; pour chaque classe du groupe de classes, agréger les notes déterminées pour chaque paramètre morphologique et pour chaque profil énergétique de la séquence dans une note globale ; et, associer à ladite séquence la classe pour laquelle la note globale est la plus élevée.
- la valeur de référence d’un paramètre pour une classe est choisie en fonction d’un angle de vue du navire cible par le système radar ;
- la classe pour laquelle la note globale est la plus élevée est associée audit navire cible uniquement lorsque ladite note globale est supérieure à un seuil de réjection ;
- un paramètre morphologique de la pluralité de paramètres morphologiques est choisi parmi : un paramètre correspondant à une surface équivalente radar ; un paramètre correspondant à une répartition de la surface équivalente radar le long de la zone du profil énergétique correspondant au navire cible ; un paramètre correspondant à une pente moyenne le long de la zone du profil énergétique correspondant au navire cible ; un paramètre correspondant à une proportion de la zone du profil énergétique correspondant au navire cible qui est plate ; et, un paramètre correspondant à une distance entre pics de la zone du profil énergétique correspondant au navire cible ;
- le procédé comprend une étape initiale consistant à rejeter un profil énergétique de la séquence lorsqu’une dimension du navire cible obtenue à partir dudit profil énergétique n’est pas cohérente avec les dimensions obtenues à partir des autres profils de la séquence ;
- un opérateur du système radar définit une classe d’intérêt et le procédé comporte une étape de génération d’une alerte lorsque le classe associée au navire cible correspond à la classe d’intérêt.
L’invention a également pour objet un système radar propre à mettre en œuvre un procédé de classification automatique d’un navire cible tel que défini ci-dessus.
L’invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui va suivre d’un mode de réalisation particulier, donné uniquement à titre d’exemple non limitatif, cette description étant faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique en vue de dessus d’un système radar porté par un aéronef lors de l’observation d’un navire cible ;
- la figure 2 est un profil énergétique délivré par le système radar de la figure 1 ;
- la figure 3 est une représentation sous forme d’un schéma blocs du procédé selon l’invention, mis en œuvre par le système radar de la figure 1 ; et,
- la figure 4 est un exemple de fonction utilisée dans le procédé de la figure 3.
La figure 1 représente schématiquement un système radar 8, porté par un aéronef de surveillance maritime (non représenté sur la figure 1), observant un navire cible 2, dont on cherche à évaluer l’appartenance à une classe parmi un groupe de classes préétabli.
On définit la longueur L et la largeur I du navire cible 2 par les dimensions correspondantes d’un rectangle à l’intérieur duquel est inscrit le navire cible 2.
Lorsque le navire cible 2 est en mouvement, ce mouvement est caractérisé par un vecteur vitesse V, qui est parallèle à l’axe longitudinal du navire.
Une antenne 4 d’émission/réception d’ondes radio électromagnétiques, faisant partie d’un système radar 8, est apte à émettre des ondes radio électromagnétiques en direction du navire cible 2 et à recevoir des ondes réfléchies par toute structure réfléchissante rencontrée le long de la direction Z de pointage de l’antenne 4.
La verticale géographique étant indiqué par la direction Y, la direction du vecteur vitesse V du navire cible 2 fait un angle Θ avec le plan vertical défini par les directions Z et Y.
L’antenne 4 est couplée à un dispositif radar 6, l’ensemble des éléments 4 et 6 formant le système radar 8.
De manière connue, le système radar 8 est propre à déterminer la valeur du vecteur vitesse V projeté sur la direction Z. Cela permet en particulier de déterminer si le navire cible est vu de dos ou de face.
De manière connue, le système radar 8 est propre à déterminer, par effet Doppler, l’angle de vue Θ sous lequel est observé le navire cible, c’est-à-dire l’angle entre la route du navire et la direction de pointage de l’antenne.
Le dispositif radar 6 comporte notamment des modules émetteur/récepteur 10, des modules 12 de modulation/démodulation des signaux, une unité 14 de calcul et de traitement comportant un processeur et apte à effectuer des calculs lorsque le dispositif radar 6 est mis sous tension, une ou plusieurs unités de mémoire 16 aptes à stocker des données et des instructions de code de programmes d’ordinateur.
Optionnellement, le dispositif radar 6 comporte également ou est connecté à une interface homme-machine 18, comportant un écran de visualisation et des moyens d’interaction avec un opérateur.
Dans une variante de réalisation, une partie des modules du dispositif 6 est implémentée indépendamment, par exemple l’interface homme-machine 18, les unités de mémoire 16 et l’unité de calcul 14 sont externes au dispositif 6 et font partie d’un dispositif programmable dédié, par exemple un ordinateur au sol.
Le système radar 8 est propre à acquérir un profil énergétique, ou profil de puissance, qui est un signal numérique qui représente la puissance du signal réfléchi en réponse à un signal radio électromagnétique émis, en fonction de la distance par rapport à un point de référence de l’antenne 4. Ce signal est échantillonnée par pas de distance, aussi dénommé case distance.
La figure 2 montre un exemple de signal numérique de profil énergétique acquis S1t représentatif de la puissance normalisée (axe des ordonnées) du signal reçu par l’antenne 4 en fonction de la distance radiale (axe des abscisses), entre un point de référence de l’antenne 4 et un point spatial de réflexion situé dans le plan vertical défini par les directions Z et Y.
Le signal numérique Si comporte des zones dans lesquelles l’amplitude est faible (correspondant à du bruit ou du fouillis de mer) et des zones dans lesquelles l’amplitude est élevée (correspondant à des obstacles réfléchissants sur le trajet des ondes électromagnétiques émises). Les zones de puissance élevée correspondent à des éléments de structure du navire cible 2. Par exemple, des éléments de structure métalliques réfléchissant à la proue et à la poupe d’un navire, permettant d’indiquer les extrémités du navire selon l’axe Z d’observation et d’en déduire la dimension du navire cible 2 selon cette direction.
La figure 3 est un synoptique des principales étapes d’un procédé de classification automatique d’un navire cible selon un mode de réalisation préféré de l’invention.
Ce procédé 100 est par exemple mis en œuvre par un logiciel apte à être exécuté par un processeur de l’unité de calcul 14 du système radar 8.
A l’étape 105, une séquence de profils énergétiques est acquise.
Les profils sont obtenus successivement, pour une position relative entre le système radar 8 et le navire cible 2 essentiellement identique.
La séquence comporte Np profils Pi, avec i entier entre 1 et Np.
Une séquence peut contenir entre une et plusieurs dizaines de profils.
La mise en œuvre du procédé sur une séquence de plusieurs profils permet une robustesse plus importante qu’une mise en œuvre sur un unique profil, présentant par nature une variabilité importante.
Avantageusement, une opération de filtrage est appliquée sur le signal numérique de chaque profil Pi acquis pour obtenir un signal numérique filtré.
A l’étape 110, chaque profil Pi est traité pour déterminer une dimension Li du navire cible 2. Cette dimension Li correspond à la longueur L du navire cible lorsque la direction Z d’observation correspond à l’axe longitudinal du navire et à la largeur I du navire cible lorsque la direction Z correspond à l’axe transversal du navire cible.
La dimension Li est par exemple obtenue en ne retenant que les cases distance du profil Pi pour lesquelles l’énergie réfléchie est supérieure à un seuil en énergie prédéterminé, puis en déterminant la plus grande des distances entre paires de cases distance retenues.
Un histogramme est alors construit à partir des dimensions Li déduit du profil Pi de la séquence.
Cet histogramme est analysé statistiquement afin de s’assurer que tous les profils de la séquence ont des dimensions proches. Si la dimension Lm déduite du profil Pm diffère trop des autres dimensions, le profil Pm est éliminé de la séquence.
Par cette analyse, on valide la possibilité d’une exploitation conjointe des profils contenus dans la séquence.
L’étape 120 consiste ensuite à calculer, pour chaque profil Pi, les valeurs d’une pluralité de paramètres morphologiques discriminants.
De préférence, la pluralité de paramètres comporte sept paramètres pk, avec k entier entre 1 et 7.
Sont ainsi calculées les valeurs pki de sept paramètres pour chaque profil Pi: cinq paramètres de base et deux paramètres spécifiques.
Le premier paramètre de base p1 est la surface équivalente radar (SER) du navire cible 2. Ce paramètre est une donnée délivrée par le dispositif radar 6. On obtient pour chaque profil Pi, une valeur pli.
Le second paramètre de base p2 est la longueur vraie du navire cible, calculée à partir de la dimension Li et de l’angle de prise de vue selon la relation :
p2i = Li/|cos(0)| ;
Les troisième et quatrième paramètres de base, p3 et p4 respectivement, sont des paramètres qui indiquent la répartition de la surface équivalente radar le long du profil Pi étudié.
Pour ce calcul, le profil énergétique Pi est transformé en décibel (dB), c’est-à-dire exprimé en puissance relative. Un profil normalisé PnOrmi est ainsi obtenu.
Le profil normalisé est ensuite réduit, sur la dimension Li, à seize cases distance de taille identique (chaque case comprenant 1/16eme du profil). On obtient un profil réduit P rediOn applique ensuite des fenêtres d’analyse qui surpondèrent soit le début du profil normalisé pour p3 (fenêtre WinDeb) soit la partie centrale du profil normalisé pour p4 (fenêtre WinCen).
Les formules de calcul de ces deux paramètres sont ainsi :
p3i =
100 x
Σ?=1 Predi(l) X WinDeb (I)
Z&PrediQ) A. _____ Zi^iPredKOxWinCena) p4‘=100x---ς&ρ^κο--Où Predi(0 est l’échantillon I du profil réduit Pred· et WinDeb(l) et WinCen(l) sont les échantillons I des fenêtres d’analyse associées respectivement à p3 et p4.
Le cinquième paramètre de base, p5, est un paramètre de pente moyenne du profil étudié.
On calcule d’abord la grandeur intermédiaire Pentei à partir de la relation :
Pentei(l) = |PnormîQ Ί Step) PnormKOI
Où PnormKO est l’échantillon I du profil normalisé Pnormi et Step est un entier correspondant à l’écart choisi entre les deux échantillons comparés. Par exemple Step est pris égal à 10.
Le paramètre p5 est alors défini pour le profil Pi par :
P5i = £ x ΣΓ=ι min(2, Pentei(l)) p6i = plus grande valeur de T telle que : f
Le premier paramètre spécifique p6 est basé sur la pente et traduit la proportion du profil qui est plat. Il permet par exemple de déterminer la longueur du pont du navire cible 2.
Ce paramètre est déterminé par :
I=to+T Pentei(l) < PENTECUM t=to où tO parcourt l’ensemble des indices des échantillons du profil et PENTECUM est un seuil prédéfini sur la pente cumulée.
Le second paramètre spécifique p7 est un paramètre qui traduit la distance entre le premier pic et le maximum des pics suivants le long du profil Pi considéré. Ce paramètre s’appuie sur un algorithme d'extraction de pics significatifs connu de l’homme du métier. Ce paramètre permet par exemple de discriminer les classes vraquier et porteconteneur, qui sont les plus proches.
L’étape 130 suivante est une étape de classification proprement dite.
A la sous-étape 132, pour chaque profil Pi de la séquence, une note nkij est calculée pour quantifier l’adéquation de la valeur pki du paramètre pk calculée à l’étape 120 par rapport à une valeur de référence pkj de ce même paramètre pk pour une classe Cj.
Une classe Cj fait partie d’un groupe de classes prédéfinies dont les caractéristiques sont mémorisées dans la mémoire du système radar 8. Si Ne est le nombre de classe du groupe, j est un entier qui varie entre 1 et Ne.
L’adéquation est de préférence évaluée selon la fonction d’adéquation fkj représentée à la figure 4. Avec une telle fonction, la valeur de pki permet d’obtenir directement la valeur de nkij.
Avantageusement, pour chaque classe Cj, les variables caractéristiques Min, Max, σ, nO de la fonction d’adéquation fkj dépendent de l’angle de vue Θ. Par exemple, deux fonctions d’adéquation sont définies pour chaque classe selon que le navire est vu de dos ou de face.
De manière générale, la fonction d’adéquation est déterminée par apprentissage. L’analyse des profils de navires dont on sait qu’ils appartiennent à une classe particulière permet de positionner les valeurs des paramètres caractéristiques de la ou de chaque fonction d’adéquation de cette classe. Ce sont ces fonctions d’adéquation qui sont ensuite utilisés opérationnellement.
La sous-étape 132 est itérée sur l’entier k pour chacun des sept paramètres.
La sous-étape 134 consiste ensuite à calculer une métrique Mij de distance entre le profil Pi et la classe Cj, en déterminant le produit des notes nkij obtenues pour les k paramètres du profil Pi vis-à-vis de la classe Cj. Cette métrique est indicative de la corrélation du profil étudié avec la classe considérée. Par exemple Mij résulte du produit des sept notes nkij, pour k entre 1 et 7.
A la sous-étape 136, une note globale Nj est calculée. Cette sous-étape vise à déterminer une note globale traduisant la corrélation de la séquence de profils avec chaque classe Cj du groupe de classes pour permettre une prise de décision au niveau de la séquence.
Pour cela, on dispose de la table suivante qui contient les métriques de tous les profils de la séquence pour chacune des classes du groupe de classe.
| Classe 1 | Classe 2 | Classe 3 | Classe j | Classe Ne | |||
| Profil 1 | Mu | ||||||
| Profil 2 | |||||||
| Profil 3 | |||||||
| Profil i | Mij | ||||||
| Profil Np | M|\|pNc |
Le calcul de la note global Nj est par exemple obtenu avec l’opérateur suivant : ΠΝρ M Ni =______________
Où j est l’indice de la classe, i est l’indice du profil et Np est le nombre de profils de la séquence.
Avec cet opérateur, on constate qu’il peut être nécessaire de recentrer les valeurs de Mij entre 0,2 et 0,8 afin de limiter la sensibilité de la note globale aux valeurs de Mij extrêmes.
A la sous-étape 138, la classe Cj retenue pour le navire cible 2 est celle qui présente la note globale Nj la plus élevée.
Avantageusement, si cette note globale Nj la plus élevée reste inférieure à un seuil de réjection, la classe Cj n’est pas associée au navire cible 2, et aucune classification n’est retenue.
A l’étape 140, la classification retenue pour la séquence de profils est affichée sur l’écran de l’opérateur, par exemple en surimpression sur l’image radar par ailleurs obtenue et affichée sur l’écran.
Avantageusement, l'opérateur défini à l’avance une ou plusieurs classes d’intérêt parmi le groupe de classes. A l’étape 140, si la classe associée au navire cible 2 appartient à l’une ou l’autre de ces classes d’intérêt, une alarme est générée.
En variante, une alarme est émise lorsque la classe associée au navire cible 2 ne correspond pas aux données d’identification fournies par le navire cible 2 lui-même.
La classification par analyse d’un profil énergétique telle qu’obtenue par le mise en œuvre du procédé présenté ci-dessus, est une information bas niveau qui est beaucoup plus rapide à déterminer et peut être appliquée, à un instant donné, sur l’ensemble des pistes radar de manière à fournir à l’opérateur un premier niveau de classification.
Cela permet d’effectuer la classification sur tous les objets détectés immédiatement après leur détection et permet de ne remonter des alertes que sur des critères demandés par l’opérateur.
Ainsi, malgré la variabilité des signaux radar, les profils énergétiques contiennent des informations discriminantes qui permettent d’inférer la classe à laquelle appartient un navire cible.
Les paramètres morphologiques identifiés ci-dessus ont la propriété d’être peu sensibles à la forte variabilité des profils. L’homme du métier peut élaborer d’autres paramètres morphologiques à partir des notions présentées ci-dessus.
Le procédé selon l’invention permet l’exploitation de profil énergétique de préférence obtenus en mode « Static Range Profile », c’est-à-dire que l’angle de vue est connu.
Il a été constaté que le procédé venant d’être présenté permet une classification optimale pour les angles de vue par rapport à l’axe longitudinale du navire entre 7 et 45° ; -7° et -45° ; 135° et 173° et -135° et -173°.
Le procédé permet par ailleurs une classification optimale des navires ayant une longueur supérieure à 100 m.
Claims (8)
1. - Procédé (100) de classification automatique d’un navire cible (2), caractérisé en ce qu’il est fondé sur une séquence de profils énergétiques (Pi) délivrés par un système radar (8) porté par un aéronef observant ledit navire cible (2), la séquence comportant au moins un profil énergétique (Pi) indiquant, pour une direction d’observation (Z) du système radar (8), une énergie rétrodiffusée en fonction d’une distance au système radar, et en ce qu’il consiste à associer au navire cible (2) une classe (Cj) sélectionnée parmi un groupe de classes prédéfinies en fonction des valeurs (pki) d’une pluralité de paramètres morphologiques (pk) calculés sur chaque profil de la séquence.
2. - Procédé selon la revendication 1, comportant les étapes consistant à :
- pour chaque profil énergétique (Pi) de la séquence, calculer (120) la valeur (pki) de chacun des paramètres morphologiques (pk) d’un ensemble de paramètres morphologique prédéfinis ;
- pour chaque paramètre morphologique, déterminer (132) une note (nkij) indicative d’une corrélation entre la valeur (pki) calculée pour ledit paramètre (pk) et une valeur de référence dudit paramètre (pk) pour chaque classe (Cj) du groupe de classes ;
- pour chaque classe (Cj) du groupe de classes, agréger (134, 136) les notes (nkij) déterminées pour chaque paramètre morphologique et pour chaque profil énergétique (Pi) de la séquence dans une note globale (Nj); et,
- associer (138) à ladite séquence la classe pour laquelle la note globale (Nj) est la plus élevée.
3. - Procédé selon la revendication 2, dans lequel la valeur de référence d’un paramètre (pk) pour une classe (Cj) est choisie en fonction d’un angle de vue du navire (2) cible par le système radar (8).
4. - Procédé selon la revendication 2 ou la revendication 3, dans lequel la classe (Cj) pour laquelle la note globale (Nj) est la plus élevée est associée audit navire cible (2) uniquement lorsque ladite note globale est supérieure à un seuil de réjection.
5. - Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un paramètre morphologique (pk) de la pluralité de paramètres morphologiques est choisi parmi :
- un paramètre correspondant à une surface équivalente radar ;
- un paramètre correspondant à une répartition de la surface équivalente radar le long de la zone du profil énergétique correspondant au navire cible ;
- un paramètre correspondant à une pente moyenne le long de la zone du profil énergétique correspondant au navire cible ;
- un paramètre correspondant à une proportion de la zone du profil énergétique correspondant au navire cible qui est plate ; et,
- un paramètre correspondant à une distance entre pics de la zone du profil énergétique correspondant au navire cible.
6. - Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant une étape initiale (110) consistant à rejeter un profil énergétique de la séquence lorsqu’une dimension du navire cible obtenue à partir dudit profil énergétique n’est pas cohérente avec les dimensions obtenues à partir des autres profils de la séquence.
7. - Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un opérateur du système radar définit une classe d’intérêt et le procédé comporte une étape (140) de génération d’une alerte lorsque le classe associée au navire cible correspond à la classe d’intérêt.
8. - Système radar (8), caractérisé en ce qu’il est propre à mettre en œuvre un procédé de classification automatique d’un navire cible (2) conforme à l’une quelconque des revendications 1 à 7.
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