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CA 02324490 2000-10-26
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Dispositif de commande pour la formation de plusieurs faisceaux
simultanés de réception radar à antenne à balayage électronique
La présente invention concerne un dispositif de commande pour la
formation de plusieurs faisceaux simultanés de réception radar à antenne à
balayage électronique. Elle s'applique notamment pour le contrôle du
diagramme de rayonnement d'une antenne à balayage électronique en vue
de reconfigurer les faisceaux de réception avec une grande souplesse, et
~ o cela quelle que soit la bande passante du radar.
Une antenne à balayage électronique comporte une pluralité
d'éléments rayonnants qui assurent à la fois l'émission et la réception d'un
signal hyperfréquence. Un faisceau d'émission ou de réception, est formé
par l'ensemble des signaux émis ou reçus par chaque élément. Pour orienter
un faisceau dans une direction donnée 8, il est nécessaire de créer des
retards temporels entre signaux émis ou reçus par les différents éléments
rayonnants. Pour obtenir un effet analogue, il était connu de créer un retard
de phase entre ces signaux. Le déphasage ~~-~2 entre les signaux émis ou
2o reçus par deux éléments rayonnants est donné par la relation suivante
~1 - ~2 - d sin9 X 2~f (1 )
c
où d, f et c représentent respectivement la distance entre les deux
éléments rayonnants, f la fréquence des signaux et c la vitesse de la lumière,
le retard temporel créé étant T~-TZ = d sinA , pe son côté, le déphasage ~~-~2
c
est égal à 2~f(T~-T2).
A la solution précédemment décrite qui fait appel à des circuits de
commande hyperfréquence peut être préférée une solution utilisant des
so circuits de commande optiques, notamment pour des problèmes de bande
passante. La relation (1 ) précédente met en effet en évidence un
inconvénient, dans le fait que le déphasage dépend de la fréquence. En
conséquence, si la fréquence varie, l'angle de pointée varie aussi. Cette
méthode d'orientation d'un faisceau n'est donc pas adaptée pour un radar à
s5 large bande. Cependant, les techniques hyperfréquence ne permettent pas
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de créer un retard temporel entre les signaux autrement que par la création
du déphasage précédent, sauf à mettre en oeuvre un dispositif prohibitif du
point de vue de l'encombrement et du coût.
L'utilisation des techniques optiques permet de s'affranchir de
l'inconvénient précité, en commandant les éléments rayonnants directement
par des retards temporels, sans passer par l'artifice de déphasages, ces
retards étant créés dans le domaine optique. A cet effet, des solutions de
commande optique d'antennes à balayage électronique ont déjà été mises
en oeuvre. En ce qui concerne l'émission, de nombreuses architectures de
commandes optiques ont donc déjà été proposées afin de contrôler le
diagramme de rayonnement à l'émission.
En ce qui concerne la réception des signaux par l'antenne, la
formation de faisceau nécessite une dynamique très importante encore
inaccessible aux composants optiques. La dynamique au sens radar est
caractérisée par le rapport signal à bruit, en incluant dans le terme « bruit
les phénomènes d'intermodulation qui émanent des non-linéarités de la
chaîne généralement dénommées dans la littérature anglo-saxonne SFDR
selon l'expression "Spurious Free Dynamic Range".
La vitesse de commutation du faisceau dans une direction donnée
2o à partir d'une commande est une autre difficulté, du second ordre par
rapport
à la dynamique.
Afin de pallier ce problème de dynamique, une architecture de
commande optique basée sur la corrélation a été présentée dans la
demande de brevet français n° 94 11498 puis complétée par une
25 architecture présentée dans la demande de brevet français n° 98
07240.
Cette architecture optique à corrélation permet pour la réception comme pour
l'émission, une commande en retards temporels suivant les deux plans en
site et en gisement. Cependant, cette architecture ne permet la formation
que d'un faisceau unique, elle ne permet pas une réception multifaisceaux,
so c'est-à-dire à plusieurs faisceaux simultanés. Or, pour de nombreuses
applications radar, il est nécessaire de former dans au moins un des plans
du radar, site ou gisement, plusieurs faisceaux à la réception, par exemple
des ensembles de faisceaux sommes et différences.
Si la bande passante n'est pas essentielle pour certaines
s5 applications radar qui peuvent accepter des largeurs de bande moyenne, la
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réception multifaisceaux est alors possible dans les techniques de
commande à base de circuits hyperfréquence seuls. A la réception, l'écho
radar est détecté sur une antenne à réseaux par une matrice n lignes par m
colonnes de détecteurs hyperfréquence qui constituent la dalle de l'antenne.
s Ces signaux élémentaires sont individuellement pondérés en amplitude et en
phase puis sommés pour former un faisceau de réception. Ce dernier est
caractérisé par sa direction angulaire par rapport à la normale de l'antenne
et
par son diagramme de rayonnement. Afin de former simultanément plusieurs
faisceaux de réception, il est nécessaire de diviser les signaux élémentaires
pour les diriger vers différentes matrices de pondération et différents
sommateurs. Réalisées en technologie hyperfréquence, ces pondérations et
ses sommations sont immuables. La reconfiguration des faisceaux de
réception est néanmoins possible en utilisant des architectures à formation
de faisceaux par le calcul, dites FFC. Ces dernières se traduisent néanmoins
15 par une complexité accrue au niveau du traitement radar. II s'agit en effet
de
traitements temps réels qui imposent d'utiliser de nombreux processeurs
numériques complexes et coûteux. En d'autres termes, la complexité du
traitement limite le nombre de récepteurs dans les architectures à FFC.
Ainsi, une mise en oeuvre simple d'une réception radar
2o multifaisceaux à grande dynamique n'est possible ni par l'utilisation d'une
commande hyperfréquence, qui ne permet pas une allocation dynamique des
faisceaux formés, ni dans le domaine numérique qui impose une limitation
sur le nombre de voies (sous-réseaux) échantillonnées.
Un but de l'invention est notamment de permettre un mode de
25 réalisation simple d'une réception multifaisceaux avec une grande
dynamique.
A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de commande pour
la formation de faisceaux de réception radar d'une antenne à balayage
électronique comportant un réseau de détecteurs de signaux hyperfréquence
so disposés en n sous-réseaux de détecteurs, caractérisé en ce qu'il comporte
- des moyens pour réaliser, dans le domaine hyperfréquence, une
première combinaison partielle des signaux reçus, cette combinaison étant
réalisée selon chaque sous-réseau ;
- des moyens optiques pour réaliser une seconde combinaison
35 partielle dans le domaine optique, les moyens optiques comportant au moins
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n sources optiques produisant chacune un signal optique modulé à la
fréquence des signaux hyperfréquence de réception f par un signal de
combinaison hyperfréquence associé, des moyens de division de ce signal
optique en r signaux optiques, des moyens de déphasages optiques de
chacun des nxr signaux optiques obtenus, r moyens de combinaison de
chaque groupe de n signaux optiques et r moyens de détection du signal de
modulation f affecté à chaque groupe de n signaux optiques pour former r
faisceaux de réception hyperfréquence
L'invention a par ailleurs pour principaux avantages qu'elle permet
de réduire la complexité de traitement numérique relatif à la formation des
faisceaux radar, par FFC qu'elle apporte une immunité contre les
perturbations électromagnétiques, qu'elle permet un gain de poids et un gain
d'encombrement, et qu'elle s'applique à toutes les bandes de fréquences
radar.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront
à l'aide de la description qui suit faite en regard de l'unique figure qui
représente, par un synoptique, un mode de réalisation possible d'un dispositif
de commande selon l'invention.
2o La figure annexée présente donc un exemple de réalisation
possible d'un dispositif de commande selon l'invention. Ce dispositif
commande la formation de plusieurs faisceaux de réception R~,...R~ d'une
antenne radar à balayage électronique. II réalise une sommation
hyperfréquence partielle des signaux reçus par les détecteurs élémentaires
2s d'antenne, suivie d'une sommation incohérente en optique.
Une antenne de réception à balayage électronique comporte n
sous-réseaux détecteurs de signaux hyperfréquence 1. Pour faciliter la
description de l'invention on considère que les sous-réseaux sont des
colonnes, cependant ceux-ci pourraient étre quelconque. Chaque colonne
so comporte par exemple m détecteurs 1. Chaque détecteur est suivi d'un
déphaseur 2. Pour des facilités de représentation, seuls les détecteurs et les
déphaseurs de la première colonne sont représentés. Les déphaseurs 2 sont
commandés par des moyens classiques en fonction de la direction souhaitée
selon la composante parallèle à la colonne, par exemple verticale si celle-ci
35 est verticale. Pour chaque colonne, les signaux issus des déphaseurs sont
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sommés par un combineur hyperfréquence 3. Le dispositif de commande
selon l'invention comporte donc des moyens pour réaliser une sommation
partielle hyperfréquence des signaux reçus selon chaque colonne. Ces
moyens comportent notamment les déphaseurs 2 et leurs commandes ainsi
5 que les combineurs hyperfréquence 3. Cette sommation partielle est réalisée
classiquement par des moyens connus. Chacune des n colonnes fournit
donc un signal sommé selon une dimension de l'espace, par exemple la
dimension verticale.
Les signaux issus des n colonnes, en sortie des combineurs 3,
io modulent chacun une source optique L~,....L" à la fréquence de réception f
des signaux reçus. Les sources optiques L~,....L~ sont par exemple des
lasers. Chaque source optique est par exemple suivie de moyens 4 de
génération d'une onde optique bi-fréquence en polarisation croisée, une
fréquence étant à w/2~ + f et une fréquence à c~/2~. La fréquence f est celle
du signal reçu. La fréquence ~/2~ est la fréquence de l'onde optique produite
par la source lumineuse L~, ...L". Une fréquence w/2n + f est transmise selon
une première polarisation, par exemple verticale Ev. L'autre fréquence ~/2~
est transmise sur une polarisation perpendiculaire, par exemple horizontale
EH, les deux polarisations étant perpendiculaires à la direction de
2o transmission de l'onde optique. Le signal optique, de fréquence w/2~, est
donc transmis selon une polarisation alors que le signal optique modulé par
la fréquence f du signal hyperfréquence de réception, de fréquence w/2~ + f,
est transmis selon la polarisation perpendiculaire. Le signal optique modulé
peut étre obtenu par un translateur de fréquence qui est par exemple une
cellule de Bragg acousto-optique.
Les n signaux optiques bi-fréquence en polarisation croisée sont
envoyés vers des moyens de déphasages optiques 5. Avant d'entrer dans
ces moyens de déphasage optique, chaque signal entre dans un coupleur
optique 1/r 6 qui divise ce signal en r signal optique, r étant le nombre de
so faisceaux de réception du radar à former. Les n canaux optiques 7 issus des
moyens 4 de génération d'onde bi-fréquence sont donc divisés chacun en r
canaux optiques 8 au moyen de ces coupleurs optiques 1/r, un canal optique
étant une voie selon laquelle se propage un signal optique. L'exemple de
réalisation présenté par la figure illustre un mode de transmission des
signaux optiques en espace libre. Un dispositif selon l'invention peut
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cependant comporter des canaux optiques 7, 8 qui sont des guides optiques
ou des fibres optiques.
En sortie des coupleurs 6, les nxr canaux optiques sont dirigés
vers les moyens de déphases optiques 5. Ces derniers sont par exemple une
s matrice à cristaux liquides qui comporte nxr pixels. Cette matrice de phase
imprime par pixel à l'une des polarisations, selon un régime anisotropique,
une phase optique commandée par une tension électrique. La fréquence
w/2~ + f devient par exemple w/2~ + f + cp~,~ pour le signal optique qui
rencontre le pixel i, j de ligne i et de colonne j sur la matrice de phase 5.
Le
dispositif selon l'invention dispose des moyens, non représentés,
d'application de tensions aux pixels. Ces moyens appliquent à chaque
pixel i, j une tension V;,~.
Les moyens de déphasages optiques 5 sont par exemple suivis
par des moyens 9 de pondération d'amplitudes. Ces moyens agissent sur les
15 deux polarisations E", EH en modifiant l'amplitude des deux ondes optiques
de chacun des canaux 8. Ces moyens de pondération d'amplitude sont par
exemple une matrice de cristaux liquides comportant nxr pixels. La
pondération d'amplitude, comme le déphasage, est pilotée pixel par pixel par
des moyens de commande en tension non représentés. Une pondération
2o d'amplitude est appliquée à chacun des nxr signaux optiques 8.
Pour former r faisceaux de réception hyperfréquence R~, ...R~, le
dispositif selon l'invention comporte r moyens de détection du signal
hyperfréquence affecté à chaque groupe de n signaux optiques. Ce signal
est en fait le signal de modulation à la fréquence de réception f ayant subit
25 les déphasages cp;,~. Ainsi, les n canaux optiques 7, divisés selon les
colonnes (par exemple verticalement) en r canaux avant les matrices sont
après ces dernières regroupés en lignes (par exemple horizontalement) pour
former r faisceaux optiques à n composantes déphasées et éventuellement
pondérées en amplitude. Le regroupement des canaux se fait au moyen de
3o combineurs optiques 1/n 10. Les n canaux de chaque ligne sont combinés
par un combineur 10.
Chaque combineur 10 est suivi d'un polariseur 45° 11 qui a pour
fonction de recombiner les deux polarisations selon une même direction. Les
deux ondes cohérentes interfèrent alors en sortie de chaque polariseur 11.
35 Ce dernier est suivi d'un photodétecteur 12. Un photodétecteur 12 détecte
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ainsi un signal proportionnel aux phases et amplitudes imprimées sur les
canaux optiques élémentaires 8 par les moyens 5 de déphasages optiques
et les moyens 9 de pondération d'amplitude. Les deux ondes interfèrent donc
à l'entrée de ce dernier. Leurs raies spectrales à w/2~ + f et à ~/2~ battent
donc et la différence entre les deux raies donne alors la fréquence de
réception f.
Le dispositif selon l'invention permet alors d'obtenir en sortie des r
photodétecteurs 12 r faisceaux radar R~, ...R~ formés de manière fixe dans
une dimension où les combinaisons sont effectuées en hyperfréquence et
reconfigurables dans l'autre dimension où les combinaisons sont effectuées
en optique. Cette dernière configuration des faisceaux est réalisée au niveau
des moyens de déphasages optiques 5. Les lois de phase à appliquer sont
par exemple programmées dans des moyens de commande des tensions de
pixels d'une matrice à cristaux liquides 5. En plus de lois de phases, des
lois
de pondérations d'amplitudes peuvent étre par exemple appliquées aux
canaux élémentaires 8 par les moyens de pondération d'amplitude 9. La
puissance P~ dans chacun des r faisceaux de sortie est alors donnée par la
relation suivante
n
2o P~ _ ~P;~ coscp;~ , j variant de 1 à r (2)
Les phases cp;~ sont imprimées par les moyens de déphasages
optiques 5, et les puissances P;~ sont par exemple pondérées par les moyens
de pondération 9.
25 Une matrice à cristaux liquides à nxr pixels commandables en
tension a été présentée à titre d'exemple de réalisation des moyens de
déphasages optiques. Ce mode de réalisation a notamment comme
avantage le fait d'être simple à mettre en oeuvre. Ces moyens peuvent bien
sûr être réalisés autrement.
3o Ces moyens de déphasage peuvent aussi être remplacés par des
moyens de création de retards temporels sur les n x r signaux élémentaires
8. Ces moyens peuvent par exemple être un dispositif de trajets optiques
commutable tel que décrit dans la demande de brevet français n° 90
03386.
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ô
Les retards temporels permettent alors de traiter des signaux dans une très
large bande instantanée.
L'invention peut s'appliquer avec une technologie optique en
propagation libre utilisant des matrices à cristaux liquides 5, 9 pour exercer
les pondérations en phase et en amplitude. Ces pondérations peuvent
également étre obtenues en optique guidée en réalisant sur semi-
conducteurs, par exemple InP, des guides optiques, des coupleurs et des
modulateurs de phase et d'amplitude. Dans ce cas, la présence de
polariseurs 11 n'est plus nécessaire.
Un dispositif selon l'invention présente notamment l'avantage de
permettre la reconfiguration des faisceaux de réception radar en jouant
simplement sur les tensions de commande des matrices optiques de phase 5
et d'amplitude 9, ou tous autres moyens de déphasages optiques, de
création de retards temporels ou de pondérations d'amplitudes. Cette
possibilité n'est pas offerte aux combineurs hyperfréquence. De ce fait,
l'invention propose notamment une alternative avantageuse aux
architectures radar à formation de faisceaux par le calcul. Comparée à une
solution numérique, une formation de faisceaux analogiques par l'optique
permet de minimiser le nombre de récepteurs et simplifie considérablement
la complexité de traitement. Par ailleurs, la combinaison partielle en
hyperfréquence ainsi que la sommation optique de différents faisceaux
permettent notamment d'alléger les contraintes de dynamique qui pèsent sur
les architectures optiques pour la réception, puisqu'une partie de
l'orientation
des faisceaux de réception est traitée par les techniques hyperfréquences.
Comme autres avantages, l'invention apporte encore une
immunité contre les perturbations électromagnétiques, un gain de poids et un
gain d'encombrement, grâce aux technologies optiques. Enfin, l'invention
s'applique pour toutes les bandes de fréquence radar.
L'invention a été décrite dans le cas où les signaux de réception
3o hyperfréquence sont sommés par colonnes, verticalement. II est bien sûr
possible de sommer les signaux de réception hyperfréquence par lignes,
horizontalement ou par tous réseaux de forme géométrique donnée.
Toutefois, une sommation hyperfréquence selon des colonnes verticales
permet, par exemple, de diminuer les effets des fouillis, encore appelés
clutters, de sol ou de mer. En effet, chaque élément rayonnant 1 émet ou
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reçoit selon une très grande ouverture, mais en sommant selon une colonne
ou une ligne, une direction fine est privilégiée selon cette colonne ou cette
ligne. Selon une direction verticale le clutter de sol ou de mer s'ajoute de
façon incohérente d'une colonne à l'autre et le rapport signal à bruit
augmente alors. II n'en serait pas de méme selon une direction horizontale
où le clutter de sol ou de mer s'ajouterait de manière plus cohérente.
