(19)
(11)EP 4 050 376 A1

(12)DEMANDE DE BREVET EUROPEEN

(43)Date de publication:
31.08.2022  Bulletin  2022/35

(21)Numéro de dépôt: 22156161.6

(22)Date de dépôt:  10.02.2022
(51)Int. Cl.: 
G01S 13/935(2020.01)
G01S 13/34(2006.01)
G01S 13/42(2006.01)
G01S 13/02(2006.01)
(52)Classification Coopérative des Brevets (CPC) :
G01S 13/935; G01S 2013/0245; G01S 13/42; G01S 13/34
(84)Etats contractants désignés:
AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR
Etats d'extension désignés:
BA ME
Etats de validation désignés:
KH MA MD TN

(30)Priorité: 25.02.2021 FR 2101811

(71)Demandeur: THALES
92400 Courbevoie (FR)

(72)Inventeurs:
  • VEYRAC, Yoan
    33701 MERIGNAC CEDEX (FR)
  • COTTRON, Rodolphe
    33701 MERIGNAC CEDEX (FR)
  • KEMKEMIAN, Stéphane
    33701 MERIGNAC CEDEX (FR)

(74)Mandataire: Marks & Clerk France 
Immeuble "Visium" 22, avenue Aristide Briand
94117 Arcueil Cedex
94117 Arcueil Cedex (FR)

  


(54)SYSTEME RADAR D'IMAGERIE DE PROXIMITE A ANTENNE MULTIVOIES


(57) Système radar d'imagerie (100,500) comprenant un système antennaire (ANT) comportant une pluralité de secteurs (TX,RX1,RX2,RX3,RX4) composés chacun d'une pluralité d'éléments rayonnants activables, le système radar comprenant au moins une voie d'émission et au moins une voie de réception apte à commander chacun un secteur, chaque voie d'émission étant configurée pour commander un secteur (TX) au moyen d'une rafale de signaux ayant une fréquence de récurrence prédéterminée et dont la phase à l'origine à chaque récurrence suit une Ioi de codage en phase prédéfinie, chaque voie de réception étant configurée pour appliquer ladite Ioi de codage en phase aux éléments rayonnants actifs (ET1_RX1,ET2_RX1) d'un secteur (RX1), les lois de codage en phase appliquées aux différents éléments rayonnants actifs (ET1_TX,ET2_TX,ET1_RX1,ET2_RX1) d'un ensemble composé d'un secteur commandé par une voie d'émission et d'un secteur commandé par une voie de réception, étant orthogonales entre elles.




Description


[0001] L'invention concerne le domaine des systèmes radar, notamment les systèmes radar destinés à être embarqués dans un porteur mobile, par exemple un aéronef à voilure tournante tel qu'un hélicoptère.

[0002] L'invention concerne plus précisément les systèmes radar de proximité et d'anticollision permettant d'assurer une sécurité de navigation à bord d'un aéronef à voilure tournante.

[0003] Dans le domaine de la sécurité de navigation d'hélicoptères, un problème général concerne les accidents liés à des collisions en phases de décollage, d'atterrissage ou lors de déplacements à proximité d'obstacles comme des falaises ou des immeubles. Le risque de collision est d'autant plus important lorsque les conditions environnementales sont dégradées et que la visibilité du pilote est réduite (brouillard, nuage de poussière, nuit).

[0004] Dans ce domaine, il existe un besoin d'équipement radar permettant de fournir à l'équipage une vision de proximité panoramique, quelles que soient les conditions de visibilité optique, afin d'être alerté suffisamment tôt d'un danger de collision.

[0005] Cet équipement doit être compatible avec les contraintes exigeantes relatives à son installation sur un hélicoptère, ce qui inclut des considérations de masse, de consommation, d'encombrement, de positionnement et de coût.

[0006] En outre, la fonction réalisée par l'équipement radar doit disposer d'un angle de couverture très important avec un temps de rafraichissement suffisamment court pour permettre d'anticiper au mieux les dangers de collision possibles, en particulier lors des manœuvres à proximité directe d'obstacles.

[0007] Par ailleurs, certaines flottes d'hélicoptères peuvent déjà être équipées de radar de surveillance, et peuvent difficilement embarquer une charge utile radar supplémentaire. De même, certains hélicoptères sont équipés de radar météorologique, avec des contraintes similaires sur les capacités d'emport.

[0008] Un problème général à résoudre consiste ainsi à concevoir un système radar de proximité qui peut être basé sur une architecture de radar de surveillance ou de radar météorologique afin de réutiliser une partie de ces équipements existants et limiter l'encombrement à bord du porteur.

[0009] Différentes solutions de l'état de l'art ont été envisagées pour répondre au problème de détection d'obstacles de proximité pour des porteurs mobiles.

[0010] Une première solution connue repose sur l'utilisation de systèmes de radionavigation par satellites, par exemple des systèmes GPS, pour localiser le porteur, associé à une carte numérique de terrain qui localise les obstacles potentiels. Cette solution présente l'avantage de n'utiliser qu'un récepteur GPS, généralement disponible par ailleurs. Néanmoins, les inconvénients majeurs de cette solution sont la résolution trop grossière et le temps de rafraichissement trop élevé du système GPS. Cela peut cependant être amélioré par des données provenant de la centrale de navigation. Un autre désavantage réside dans la faible robustesse du système GPS, qui peut être brouillé ou indisponible dans certaines zones. Par ailleurs, ce système repose sur des modèles de terrain qui ne sont pas nécessairement à jour, ou qui peuvent manquer de précision. En particulier, les véhicules ou les installations temporaires n'y sont pas référencées, ce qui pose un problème de fiabilité du système à l'encontre de ces obstacles non répertoriés.

[0011] Une deuxième solution connue consiste à mettre en œuvre des capteurs laser pour réaliser une cartographie optique des abords de l'hélicoptère. Cette solution présente l'inconvénient de ne pas fonctionner par conditions de visibilité réduite (par exemple brouillard), ou bien dans la direction du soleil.

[0012] Une autre grande famille de solutions est à base de capteurs radars, qui permettent d'obtenir une cartographie même lorsque la visibilité optique est faible.

[0013] Les systèmes basés sur des radars à balayage mécanique ne permettent pas de respecter le compromis temps de rafraîchissement court sur un domaine de balayage étendu.

[0014] Dans les solutions à base de radars statiques, on distingue les installations mettant en œuvre des radars à balayage électronique, et des solutions reposant sur l'utilisation d'un grand nombre de senseurs statiques.

[0015] Les radars à balayage électronique réalisent une cartographie en balayant l'espace périphérique de l'hélicoptère. L'application d'anticollision visée nécessite une couverture angulaire très importante. La figure de balayage réalisée présente donc un temps de rafraichissement long, ou bien un temps d'illumination court dans chaque direction de l'espace. Ce compromis n'est pas favorable pour l'application qui nécessite à la fois un temps de rafraichissement court, et un temps d'illumination le plus long possible pour bénéficier d'une mesure précise de la vitesse Doppler. En effet, la mesure de la vitesse Doppler permet d'obtenir une meilleure cartographie de l'environnement et de mieux identifier et anticiper les dangers potentiels.

[0016] La deuxième solution, basée sur la mise en place d'un nombre important de capteurs statiques permet d'obtenir une couverture permanente de l'espace. Néanmoins, l'obtention d'une résolution angulaire fine implique l'utilisation d'un grand nombre de capteurs. La pluralité des capteurs impacte le prix et la facilité d'installation sur le porteur. Une alternative consiste à utiliser des antennes à formation de faisceaux par le calcul. Ces antennes possèdent plusieurs voies de réception distinctes. Il est alors possible d'émettre et de recevoir dans une grande portion de l'espace. La numérisation de chacune des voies de réception individuelle permet de former des faisceaux simultanément, a posteriori, par traitement numérique. Le compromis entre la taille du domaine de couverture et la résolution angulaire du système se traduit par le nombre de voies distinctes à numériser et à traiter, ce qui impacte la complexité et le coût de la solution au premier chef.

[0017] Une variante de cette solution consiste à utiliser plusieurs voies d'émission codées de manière orthogonale et plusieurs voies de réception numérisées indépendamment (technique connue sous le nom de MIMO, pour Multiple Input, Multiple Output). Il est alors possible d'extraire les signaux provenant de chaque émetteur au niveau de chaque récepteur, de façon à reconstituer un nombre de voies virtuelles correspondant au produit du nombre de voies d'émission par le nombre de voies de réception. La complexité de ces systèmes et le débit des données à transmettre et à traiter croit avec le nombre de voies de réception.

[0018] L'invention propose un système de radar de proximité pour hélicoptère, ou plus généralement pour aéronef à voilure tournante, basé sur une antenne à balayage électronique 2D multivoies en émission et/ou en réception, dont les antennes élémentaires peuvent être modulées en phase.

[0019] Avantageusement, ce système radar peut être le même qui réalise des fonctions de surveillance et/ou la fonction radar météorologique, dont les architectures actuelles mettent largement en œuvre des radars à antenne active constitués de modules actifs individuellement couplés à des antennes élémentaires.

[0020] Le principe de l'invention repose sur la modulation en phase d'une ou plusieurs antennes élémentaires en émission, et la modulation en phase d'une ou plusieurs antennes élémentaires en réception, au sein de chaque voie de réception numérisée.

[0021] Un avantage de l'invention est qu'elle permet d'adapter le nombre d'éléments rayonnants actifs en fonction de la vitesse de déplacement du porteur.

[0022] L'invention a pour objet un système radar d'imagerie comprenant un système antennaire comportant une pluralité de secteurs composés chacun d'une pluralité d'éléments rayonnants activables, le système radar comprenant au moins une voie d'émission et au moins une voie de réception apte à commander chacun un secteur, chaque voie d'émission étant configurée pour commander un secteur au moyen d'une rafale de signaux ayant une fréquence de récurrence prédéterminée et dont la phase à l'origine à chaque récurrence suit une loi de codage en phase prédéfinie, chaque voie de réception étant configurée pour appliquer ladite loi de codage en phase aux éléments rayonnants actifs d'un secteur, les lois de codage en phase appliquées aux différents éléments rayonnants actifs d'un ensemble composé d'un secteur commandé par une voie d'émission et d'un secteur commandé par une voie de réception, étant orthogonales entre elles, le système comprenant en outre un calculateur comprenant un module d'identification de voies virtuelles configuré pour filtrer en réception chaque voie virtuelle correspondant à la combinaison d'un élément rayonnant d'un secteur commandé par une voie d'émission et d'un élément rayonnant d'un secteur commandé par une voie de réception.

[0023] Selon un aspect particulier de l'invention, chaque loi de codage en phase est définie par une fréquence Doppler différente pour chaque élément rayonnant, chaque voie virtuelle étant définie par une fréquence Doppler égale à la somme de la fréquence Doppler associée à un élément rayonnant en émission et de la fréquence Doppler associée à un élément rayonnant en réception, les valeurs des fréquences Doppler des éléments rayonnants étant choisies de manière à ce que l'ensemble des fréquences Doppler des voies virtuelles soient équiréparties dans une bande de fréquence [-Fr/2 ; Fr/2] avec Fr la fréquence de récurrence.

[0024] Selon un aspect particulier de l'invention, le système radar est destiné à être embarqué sur un porteur mobile ayant une vitesse de déplacement donnée et le calculateur comprend en outre un module d'activation des éléments rayonnants et un module d'estimation d'encombrement spectral configurés pour déterminer un nombre d'éléments rayonnants actifs par secteur maximal respectant une contrainte d'encombrement spectral des voies virtuelles fonction de la vitesse de déplacement du porteur et de la fréquence de récurrence des signaux de sorte à éviter un repliement de spectre.

[0025] Selon un aspect particulier de l'invention, le nombre d'éléments rayonnants actifs M par secteur commandé par une voie d'émission et le nombre d'éléments rayonnants actifs N par secteur commandé par une voie de réception respectent la contrainte suivante : M.N < (ÀFr/2Vp) où λ est la longueur d'onde des signaux, Fr est la fréquence de récurrence et Vp est la vitesse de déplacement du porteur.

[0026] Selon un aspect particulier de l'invention, la loi de codage en phase des éléments rayonnants suit une modulation de type « Doppler Division Multiple Access » DDMA.

[0027] Selon un aspect particulier de l'invention, chaque voie de réception comprend un sommateur pour sommer les signaux reçus par les éléments rayonnants actifs d'un même secteur.

[0028] Selon un aspect particulier de l'invention, chaque voie d'émission comporte un modulateur configuré pour moduler les signaux radar en fréquence sur chaque récurrence.

[0029] Selon un aspect particulier de l'invention, chaque voie d'émission comporte un générateur d'impulsions radar configuré pour générer une rafale d'impulsions radar à la fréquence de récurrence prédéterminée.

[0030] Selon un aspect particulier de l'invention, chaque élément rayonnant actif est composé d'une pluralité de sous-éléments rayonnants actifs, chaque voie d'émission et chaque voie de réception étant configurée pour appliquer une commande de dépointage prédéfinie aux sous-éléments rayonnants actifs d'un même élément rayonnant actif.

[0031] Selon un aspect particulier de l'invention, le calculateur est configuré pour réaliser, pour chaque voie de réception, un traitement de filtrage distance sur les signaux à chaque récurrence et un traitement de filtrage Doppler de récurrence à récurrence.

[0032] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit en relation aux dessins annexés suivants.

[Fig. 1] représente un schéma fonctionnel d'un système radar selon un premier mode de réalisation de l'invention,

[Fig. 2] représente un exemple de forme d'onde utilisée par le système radar de la figure 1,

[Fig. 3] représente un diagramme d'identification de voies virtuelles d'émission-réception dans l'espace Doppler, selon un aspect particulier de l'invention,

[Fig. 4] représente un diagramme illustrant l'encombrement spectral des voies virtuelles identifiées à la figure 3 en fonction de la vitesse de déplacement du porteur,

[Fig. 5] représente un schéma fonctionnel d'un système radar selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.



[0033] La figure 1 représente un schéma d'un système radar 100 selon un premier mode de réalisation de l'invention.

[0034] La figure 1 présente une architecture d'un exemple de système radar multivoies comprenant une voie d'émission et quatre voies de réception. Sans sortir du cadre de l'invention, le nombre de voies d'émission peut être supérieur à une voie et le nombre de voies de réception peut être un nombre quelconque strictement supérieur à 1.

[0035] Le système radar 100 comprend un système antennaire ANT, un système de conversion analogique numérique SYSCAN, un calculateur numérique CAL et un dispositif d'affichage AFF.

[0036] Sur l'exemple de la figure 1, le système antennaire ANT est composé de plusieurs secteurs comportant chacun le même nombre d'éléments antennaires. Pour cet exemple particulier, le système antennaire ANT comprend un secteur en émission TX et quatre secteurs en réception RX1,RX2,RX3,RX4. Chaque secteur comporte un nombre identique d'éléments rayonnants (9 éléments sur l'exemple de la figure 1). Chaque élément rayonnant est activable ou désactivable individuellement. L'invention permet un fonctionnement avec un nombre réduit d'éléments rayonnants activés par secteur. Sur l'exemple de la figure 1, deux éléments rayonnants ET1-TX,ET2-TX sont activés en émission et deux éléments rayonnants ET1-RX1 ,ET2-RX1 sont activés pour chaque secteur de réception.

[0037] Chaque élément rayonnant est modulé en phase de manière indépendante au moyen d'une commande d'activation CMD générée par un codeur COD.

[0038] Le secteur d'émission TX est commandé par une voie d'émission et les quatre secteurs de réception RX1,RX2,RX3,RX4 sont commandés chacun par une voie de réception dédiée.

[0039] Le système antennaire ANT comporte en outre un sommateur S1,S2,S3,S4 pour chaque secteur de réception. Un sommateur est configuré pour sommer les signaux reçus par les éléments antennaires actifs d'un même secteur de réception RX.

[0040] La voie d'émission comporte un générateur de signaux radars numériques (faisant partie du calculateur CALC mais non représenté), un convertisseur numérique analogique CNA et un modulateur sur porteuse MOD.

[0041] Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les signaux radars sont générés sous forme d'une rafale de signaux ayant une fréquence de récurrence prédéterminée Fr. A chaque récurrence, le signal est modulé par une rampe de fréquence. La forme d'onde utilisée pour moduler la rafale de signaux est, par exemple, de type modulation continue en fréquence ou FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave). Un avantage à l'utilisation de ce type de forme d'onde est qu'elle permet d'obtenir une couverture à courte distance sans zone aveugle. Sans sortir du cadre de l'invention, d'autres formes d'ondes peuvent être envisagées comme cela sera explicité par la suite.

[0042] Les phases des éléments rayonnants actifs du secteur d'émissionTX sont codées avec une loi de codage orthogonale. Autrement dit, les différents éléments rayonnants actifs d'un même secteur de réception ont des phases à l'origine différentes et suivent une loi d'évolution orthogonale par rapport aux phases des autres éléments rayonnants actifs du même secteur.

[0043] Par exemple, la loi de codage de phase suit une modulation de type DDMA (Doppler Division Multiple Access), c'est-à-dire une évolution linéaire de la phase à l'origine avec un coefficient directeur différent pour chaque élément rayonnant d'un même secteur d'émission. La référence [1] décrit le principe d'une modulation DDMA. L'évolution de ces phases φ1,k et φ2,k correspondent à des fréquences Doppler notées Fd_tx1 et Fd_tx2 par la suite.

[0044] La figure 2 représente, sur deux diagrammes temps-fréquence, l'évolution de la fréquence du signal radar au cours du temps pour le premier élément antennaire actif ET1_TX (figure du haut) et pour le second élément antennaire actif ET2_TX (figure du bas).

[0045] A chaque récurrence (période de temps de durée Tr égale à l'inverse de la fréquence de récurrence Fr), la fréquence évolue linéairement (du fait de la modulation en fréquence FMCW) selon une rampe de fréquence. La phase à l'origine à chaque récurrence est différente et évolue selon une loi de codage orthogonale.

[0046] Ainsi, on note φ1,k avec k variant de 1 à N les phases à l'origine de l'élément rayonnant actif ET1_TX pour chaque récurrence d'indice k et φ2,k avec k variant de 1 à N les phases à l'origine de l'élément rayonnant actif ET2_TX pour chaque récurrence d'indice k.

[0047] Sans sortir du cadre de l'invention, les signaux modulés en fréquence peuvent être remplacés par des signaux impulsionnels à fréquence constante ou modulés en fréquence via une technique de compression d'impulsions.

[0048] La durée d'une impulsion peut être égale à la durée d'une récurrence Tr ou à une proportion de cette durée (par exemple 10% ou 20%). Dans ce dernier cas, on utilise un pourcentage de la durée de la récurrence pour émettre des signaux radars et le restant de la récurrence pour recevoir les échos de ces signaux. Dans ce cas, les mêmes éléments antennaires peuvent être utilisés en émission et en réception (puisque l'émission et la réception des signaux ne sont pas réalisées simultanément).

[0049] En réception, les signaux radar sont reçus sur les éléments rayonnants actifs de chaque secteur de réception. Les phases de ces éléments rayonnants sont codées via la même loi de codage que pour le secteur en émission.

[0050] Autrement dit, les lois de codage des éléments rayonnants des secteurs en réception sont orthogonales entre elles et à celles des éléments rayonnants des secteurs en émission. On note Fd_rx1 et Fd_rx2 les fréquences Doppler associées aux lois de codage des phases des éléments antennaires ET1_RX1 et ET2_RX1 d'un secteur en réception RX1.

[0051] Les signaux reçus sur un même secteur de réception RX1 sont sommés analogiquement au moyen du sommateur S1 après leur codage en phase individuel.

[0052] Pour chaque secteur de réception, le signal de sortie du sommateur est démodulé en fréquence via un démodulateur DEM1 puis converti numériquement via un convertisseur analogique numérique CAN1.

[0053] Dans le cas d'une modulation par rampe de fréquence, chaque démodulateur DEM1,DEM2,DEM3,DEM4 met en œuvre une technique de démodulation connue sous le nom de « deramping ». Cette étape de démodulation en fréquence peut être réalisée soit en analogique au sein du système de conversion SYSCAN soit en numérique dans le calculateur CALC.

[0054] Le système radar selon l'invention comporte un calculateur CALC qui est configuré pour réaliser des traitements numériques de signaux radars.

[0055] Pour chaque voie de réception, un traitement de filtrage distance DIST est réalisé sur les signaux à chaque récurrence puis un traitement Doppler DOP est réalisé le long de la rafale, de récurrence à récurrence. Ces traitements sont, par exemple décrits dans la référence [2].

[0056] Un traitement d'identification de voies virtuelles ID est ensuite appliqué afin de séparer les différentes voies virtuelles correspondants aux différents éléments rayonnants en émission combinés avec les différents éléments rayonnants en réception.

[0057] Dans l'exemple de la figure 2, on obtient quatre voies virtuelles par secteur de réception qui correspondent à quatre fréquences Doppler différentes en sortie du traitement Doppler DOP.

[0058] La figure 3 représente, sur un diagramme fréquentiel, les quatre fréquences Doppler Fd_rx1+Fd_tx1, Fd_rx1+Fd_tx2, Fd_rx2+Fd_tx1,Fd_rx2+Fd_tx2 correspondant aux quatre combinaisons possibles obtenues à partir des deux éléments antennaires actifs en émission et des deux éléments antennaires actifs en réception. De façon générale, le nombre de voies virtuelles pour un secteur de réception est égal au nombre d'éléments antennaires actifs en émission multiplié par le nombre d'éléments antennaires actifs en réception.

[0059] Les quatre fréquences Doppler obtenues en sortie du traitement Doppler correspondent aux différentes combinaisons des fréquences Doppler de modulation de la loi de codage en phase des deux éléments rayonnants actifs en émission et des deux éléments rayonnants actifs en réception.

[0060] Avantageusement, les fréquences Doppler de modulation sont choisies de sorte à pouvoir distinguer les différentes combinaisons dans l'espace Doppler. Par exemple, elles sont choisies de sorte que les différentes combinaisons de fréquence sont équiréparties dans la bande de fréquences [-Fr/2 ; Fr/2] .

[0061] Après identification des voies virtuelles, un traitement de formation de faisceaux par le calcul FFC est appliqué à l'ensemble des voies de réception en combinant les différentes voies virtuelles identifiées avec des déphasages choisis de sorte à réaliser un filtrage spatial dans des directions choisies.

[0062] Un module TRI de traitement de l'information et mise en forme des données est ensuite appliqué aux faisceaux formés numériquement afin de recomposer une cartographie de l'environnement du porteur avec des informations angulaires et de distance. Ces informations sont ensuite fournies à un afficheur AFF.

[0063] Par ailleurs, le traitement Doppler DOP réalisé permet en outre d'estimer la vitesse de déplacement du porteur dans son environnement, et ainsi de détecter et alerter sur un risque de collision avec des obstacles éventuels.

[0064] Les différents traitements réalisés par les modules DIST,DOP,FFC,TRI ne sont pas décrits en détails car ils correspondent à des traitements bien connus du domaine des radars de proximité. L'Homme du métier pourra se référer notamment au document [2] pour réaliser ces traitements.

[0065] La description précédente a été réalisée en prenant comme hypothèse que le porteur du radar est immobile, ce qui n'est généralement pas le cas en contexte opérationnel.

[0066] Lorsque la vitesse du porteur est non nulle, les fréquences illustrées à la figure 3 et obtenues en sortie du traitement Doppler ne sont pas des porteuses pures correspondant aux fréquences Doppler associées aux lois de codage DDMA. En effet, ces fréquences portent également les informations de fréquence Doppler liées au déplacement du porteur dans son environnement.

[0067] On considère par la suite que l'environnement du porteur est fixe et que le porteur est en mouvement à une vitesse Vp. Dans ce cas, en fonction des angles couverts par le panneau radar, les vitesses Doppler observées autour de chaque raie spectrale (illustrée à la figure 3) peuvent s'étendre au maximum de -Vp à +Vp, soit une largeur de 2Vρ/λ en fréquence Doppler, avec λ la longueur d'onde de la fréquence porteuse.

[0068] La figure 4 illustre ce phénomène et représente l'allure du spectre des signaux en sortie de traitement Doppler DOP.

[0069] Pour pouvoir correctement identifier les différentes voies virtuelles, il faut que leurs spectres soient séparés dans l'espace Doppler, autrement dit, qu'il n'y ait pas de repliement des fréquences les unes sur les autres. Cette condition est respectée si ces spectres sont séparés de 2Vp/λ au minimum.

[0070] La fréquence de récurrence Fr est choisie de manière à obtenir un domaine distance non ambigu Da compatible avec la situation de proximité, typiquement quelques centaines de mètres ou quelques kilomètres.

[0071] Le domaine vitesse non ambigu Va disponible est alors donné par la longueur d'onde utilisée, selon la formule :




[0072] Cela correspond à une fréquence Doppler Fa=2.Va/λ.

[0073] Autrement dit, la fréquence de récurrence Fr est choisie égale à la fréquence Fa=2.Va/λ, de sorte à respecter le domaine distance non ambigu choisi, c'est-à-dire la distance maximale à laquelle on souhaite détecter des obstacles.

[0074] Si l'on réalise une répartition uniforme des voies virtuelles dans le spectre Doppler, leur espacement correspond à la fréquence de récurrence Fr divisée par le nombre de voies virtuelles, que l'on notera M.N (M le nombre de voies codées en phase à l'émission et N le nombre de voies codées en phase dans chaque secteur de réception).

[0075] Afin d'éviter un chevauchement des spectres, le nombre de voies virtuelles doit donc respecter la condition suivante :




[0076] Ainsi, on en déduit que le nombre d'éléments rayonnants actifs doit respecter la condition suivante: M.N <(Fr. λ)/ 2Vp.

[0077] La fréquence de récurrence Fr et la longueur d'onde λ des signaux étant des paramètres fixés en fonction de l'application visée, on en déduit que le nombre d'éléments rayonnants actifs est limité par la vitesse de déplacement du porteur. Plus la vitesse Vp est importante, plus le nombre d'éléments rayonnants actifs doit être choisi faible. Autrement dit, le nombre de voies virtuelles exploitables sans repliement est inversement proportionnel à la vitesse du porteur.

[0078] L'encombrement en fréquence Doppler illustré à la figure 4 est un pire cas correspondant à une couverture angulaire très large qui génèrerait des échos dans des directions correspondant à la direction de déplacement du porteur, dans le sens de déplacement (échos en rapprochement à Vp), dans le sens opposé (échos en éloignement, à -Vp), ainsi que dans des directions intermédiaires. En fonction des cas d'usage (altitude du porteur, couverture angulaire), l'encombrement effectif sera une fraction de cet encombrement spectral.

[0079] L'étalement ou encombrement Doppler de l'environnement lié à la vitesse du porteur peut être estimé par analyse de la sortie du traitement Doppler via le module EST (figure 1).

[0080] En fonction du résultat de cette estimation, on peut en déduire le nombre maximal de voies virtuelles codées possible sans avoir de repliement spectral. Ainsi, en fonction de cette estimation, on en déduit le nombre d'éléments rayonnants actifs par secteur. Ce nombre est déterminé par le module EST ou le module de codage COD et la commande d'activation des éléments rayonnants (et de leur phase) CMD est ensuite générée en fonction de ce résultat.

[0081] Autrement dit, l'architecture radar décrite en figure 1 met en jeu un module d'estimation de l'encombrement Doppler EST, qui permet ensuite d'ajuster le nombre de voies virtuelles utilisées en modifiant le nombre d'antennes élémentaires par secteur en émission et en réception via la commande CMD. Le module de codage COD permet également de calculer les lois de phase associées à ces antennes élémentaires et d'envoyer les commandes CMD de déphasage nécessaires à chaque antenne élémentaire.

[0082] Ainsi, lorsque le porteur est à vitesse élevée et avec un encombrement important du spectre Doppler, un nombre restreint de voies virtuelles obtenues par codage de phase des antennes élémentaires d'émission et de réception sera exploité. Cela résulte en une résolution angulaire assez grossière, ce qui n'est pas particulièrement gênant pour des obstacles potentiels à distance élevée.

[0083] Ainsi, l'invention présente l'avantage de permettre une adaptation du nombre d'éléments rayonnants actifs en fonction de la vitesse du porteur et plus généralement de l'encombrement du spectre Doppler de sorte à éviter un repliement de spectre.

[0084] La figure 5 schématise une variante de réalisation du système radar 100 de la figure 1.

[0085] Dans cette variante, les éléments rayonnants élémentaires sont regroupés par groupes d'éléments ayant le même nombre d'éléments et la même répartition spatiale pour chaque secteur.

[0086] Dans l'exemple de la figure 5, les éléments rayonnants actifs de chaque secteur sont regroupés par deux éléments selon l'axe vertical.

[0087] Dans cette variante, l'invention s'applique à l'identique en remplaçant les éléments rayonnants actifs élémentaires de la figure 1 par les groupes d'éléments actifs de la figure 5.

[0088] Sur l'exemple de la figure 5, on a deux groupes G1_TX,G2_TX dans le secteur d'émission, chaque groupe étant constitué de deux éléments rayonnants.

[0089] De même, dans chaque secteur de réception on a deux groupes G1_RX1,G2_RX1 chacun constitué de deux éléments rayonnants.

[0090] Cela permet d'améliorer le bilan de portée dans un secteur angulaire réduit, ce qui est intéressant pour des vitesses de déplacement élevées.

[0091] Par ailleurs, les éléments rayonnants élémentaires appartenant à un même groupe sont affectés d'un déphasage différentiel associé à une loi de dépointage électronique.

[0092] Les éléments d'un même groupe sont affectés de déphasages choisis pour effectuer un pointage électronique dans une direction donnée. Cela permet de combiner le balayage électronique avec la technique de codage de phase des antennes élémentaires d'émission et de réception afin d'obtenir une solution hybride adaptative. La figure 5 représente une configuration avec des groupements de deux antennes élémentaires soumises aux mêmes lois de codage de phase, avec un déphasage différentiel Δφp supplémentaire constant entre les deux éléments antennaires de chaque groupe (en émission comme en réception).

[0093] Pour obtenir un pointage électronique dans une direction angulaire θ selon l'axe des éléments d'un groupe, le déphasage différentiel à appliquer entre ces éléments vaut :




[0094] Avec a la distance entre les éléments rayonnants d'un groupe, de centre à centre.

[0095] Dans le cas d'un nombre plus important d'éléments dans un groupe, cette formule se généralise en un gradient de phase appliqué aux différents éléments rayonnants du groupe, selon la direction de pointage souhaitée.

[0096] Lorsque le porteur est à vitesse faible, l'encombrement Doppler lié à sa vitesse est réduit et il est possible d'exploiter un plus grand nombre de voies virtuelles afin d'obtenir une meilleure résolution angulaire. L'utilisation d'antennes élémentaires supplémentaires en émission et/ou en réception n'augmente pas le débit des données transmises au calculateur, puisqu'elles restent sur un nombre de secteurs de réception numérisés constant. Cela présente un avantage important par rapport à une solution où chaque antenne élémentaire supplémentaire de réception serait numérisée indépendamment, en générant pour chacune une voie numérique supplémentaire.

[0097] L'augmentation du nombre de voies virtuelles encodées va cependant augmenter le volume de calculs effectués pour la formation de faisceaux par le calcul. Si les capacités de calcul sont contraintes, il est possible de limiter le domaine distance traité afin de réduire le volume des données à traiter. Cette limitation de la portée est compatible avec une utilisation à faible vitesse.

[0098] L'invention nécessite au moins une antenne active avec la possibilité de modifier dynamiquement la configuration des éléments rayonnants qui sont activés et de leur affecter des codes de phase. Ce type d'antenne peut être employé pour des radars de surveillance, sur des hélicoptères notamment. Avantageusement, le radar de proximité proposé dans cette invention peut le cas échéant utiliser les capacités matérielles d'un tel radar pour réaliser ces fonctions. Le procédé proposé serait dans ce cas un mode de fonctionnement particulier du radar de surveillance, ce qui présenterait des avantages conséquents puisque ces fonctionnalités partageraient un unique matériel, ce qui est très favorable concernant la masse, la consommation, l'encombrement et le coût de l'équipement.

[0099] Le calculateur CALC du radar selon l'invention peut être réalisé, par exemple, sur un processeur embarqué. Le processeur peut être un processeur générique, un processeur spécifique, un circuit intégré propre à une application (connu aussi sous le nom anglais d'ASIC pour « Application-Specific Integrated Circuit ») ou un réseau de portes programmables in situ (connu aussi sous le nom anglais de FPGA pour « Field-Programmable Gate Array »). Le dispositif de calcul peut utiliser un ou plusieurs circuits électroniques dédiés ou un circuit à usage général. La technique de l'invention peut se réaliser sur une machine de calcul reprogrammable (un processeur ou un micro-contrôleur par exemple) exécutant un programme comprenant une séquence d'instructions, ou sur une machine de calcul dédiée (par exemple un ensemble de portes logiques comme un FPGA ou un ASIC, ou tout autre module matériel).

Références



[0100] 
  1. [1] Mathieu Cattenoz. MIMO Radar Processing Methods for Anticipating and Preventing Real World Imperfections. Signal and Image Processing. Université Paris Sud - Paris XI, 2015.
  2. [2] Goy Philippe. Détection d'obstacles et de cibles de collision par un radar FMCW aéroporté. PhD, Institut National Polytechnique de Toulouse, 2012



Revendications

1. Système radar d'imagerie (100,500) comprenant un système antennaire (ANT) comportant une pluralité de secteurs (TX,RX1,RX2,RX3,RX4) composés chacun d'une pluralité d'éléments rayonnants activables, le système radar comprenant au moins une voie d'émission et au moins une voie de réception apte à commander chacun un secteur, chaque voie d'émission étant configurée pour commander un secteur (TX) au moyen d'une rafale de signaux ayant une fréquence de récurrence prédéterminée et dont la phase à l'origine à chaque récurrence suit une loi de codage en phase prédéfinie, chaque voie de réception étant configurée pour appliquer ladite loi de codage en phase aux éléments rayonnants actifs (ET1_RX1,ET2_RX1) d'un secteur (RX1), les lois de codage en phase appliquées aux différents éléments rayonnants actifs (ET1_TX,ET2_TX,ET1_RX1,ET2_RX1) d'un ensemble composé d'un secteur commandé par une voie d'émission et d'un secteur commandé par une voie de réception, étant orthogonales entre elles, le système comprenant en outre un calculateur (CALC) comprenant un module d'identification (ID) de voies virtuelles configuré pour filtrer en réception chaque voie virtuelle correspondant à la combinaison d'un élément rayonnant (ET1_TX,ET2_TX) d'un secteur commandé par une voie d'émission et d'un élément rayonnant (ET1_RX1,ET2_RX1) d'un secteur commandé par une voie de réception.
 
2. Système radar d'imagerie selon la revendication 1 dans lequel chaque loi de codage en phase est définie par une fréquence Doppler différente pour chaque élément rayonnant (ET1_TX,ET2_TX,ET1_RX1,ET2_RX1), chaque voie virtuelle étant définie par une fréquence Doppler égale à la somme de la fréquence Doppler associée à un élément rayonnant en émission et de la fréquence Doppler associée à un élément rayonnant en réception, les valeurs des fréquences Doppler des éléments rayonnants étant choisies de manière à ce que l'ensemble des fréquences Doppler des voies virtuelles soient équiréparties dans une bande de fréquence [-Fr/2 ; Fr/2] avec Fr la fréquence de récurrence.
 
3. Système radar d'imagerie selon la revendication 2 dans lequel le système radar est destiné à être embarqué sur un porteur mobile ayant une vitesse de déplacement donnée et le calculateur (CALC) comprend en outre un module d'activation (COD) des éléments rayonnants et un module d'estimation d'encombrement spectral (EST) configurés pour déterminer un nombre d'éléments rayonnants actifs par secteur maximal respectant une contrainte d'encombrement spectral des voies virtuelles fonction de la vitesse de déplacement du porteur et de la fréquence de récurrence des signaux de sorte à éviter un repliement de spectre.
 
4. Système radar d'imagerie selon la revendication 3 dans lequel le nombre d'éléments rayonnants actifs M par secteur (TX) commandé par une voie d'émission et le nombre d'éléments rayonnants actifs N par secteur (RX1) commandé par une voie de réception respectent la contrainte suivante : M.N < (ÀFr/2Vp) où λ est la longueur d'onde des signaux, Fr est la fréquence de récurrence et Vp est la vitesse de déplacement du porteur.
 
5. Système radar d'imagerie selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la loi de codage en phase des éléments rayonnants suit une modulation de type « Doppler Division Multiple Access » DDMA.
 
6. Système radar d'imagerie selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel chaque voie de réception comprend un sommateur (S1,S2,S3,S4) pour sommer les signaux reçus par les éléments rayonnants actifs d'un même secteur.
 
7. Système radar d'imagerie selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel chaque voie d'émission comporte un modulateur (MOD) configuré pour moduler les signaux radar en fréquence sur chaque récurrence.
 
8. Système radar d'imagerie selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel chaque voie d'émission comporte un générateur d'impulsions radar configuré pour générer une rafale d'impulsions radar à la fréquence de récurrence prédéterminée.
 
9. Système radar d'imagerie selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel chaque élément rayonnant actif (G1_TX,G2_TX) est composé d'une pluralité de sous-éléments rayonnants actifs, chaque voie d'émission et chaque voie de réception étant configurée pour appliquer une commande de dépointage prédéfinie aux sous-éléments rayonnants actifs d'un même élément rayonnant actif.
 
10. Système radar d'imagerie selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le calculateur (CALC) est configuré pour réaliser, pour chaque voie de réception, un traitement de filtrage distance (DIST) sur les signaux à chaque récurrence et un traitement de filtrage Doppler (DOP) de récurrence à récurrence.
 




Dessins
















Rapport de recherche









Rapport de recherche




Références citées

RÉFÉRENCES CITÉES DANS LA DESCRIPTION



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Littérature non-brevet citée dans la description