Radars multistatiques et radars numériques

31/08/2017
Publication REE REE 2006-5
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2006-5:19721
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Radars multistatiques et radars numériques

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. Repères 1) NOUVELLES PROSPECTIVES DU RADAR ( ? "'partie) m Radars multistatiques 10, m et radars numériques Philippe LACOMME Thales Systèmes Aéroportés, Division Aéronautique, Direction Technique, mrervm Senseursdistribués, Radarsmultistatiques, Antennenumérique, Horloges très stables et générateursde signa 1. Introduction L'évolution des besoins opérationnels et les ruptures technologiques amèneront une évolution drastique de l'architecture des radars au cours de la prochaine décenie. Les opérations réseaux centrées (NCW) sur le champ de bataille exigeront des systèmes de détection et de pistage interconnectés, menant à la notion " de senseurs distri- bués" non localisés au même endroit. Le radar multistati- que est une technique émergente dont les principes géné- raux dans les situations coopératives ou non-coopératives sont présentés. Les problèmes techniques comme le trai- tement de signal, les contraintes de pureté spectrale, la synchronisation sont abordés. Les technologies permet- tant cette évolution sont la disponibilité de générateurs de signal pour radars de haute pureté spectrale d'une part, et l'existence d'horloges très stables distribuées sur le champ de bataille fournies par le signal GPS ou par les horloges des liaisons de données d'autre part. Pour bénéficier au maximum du fonctionnement mul- tistatique, les antennes radar devront explorer simultané- ment de nombreuses directions différentes et à des fré- quences RF différentes. Ces concepts seront rendus pos- sibles grâce à l'évolution des composants électroniques portée par les applications civiles comme les radiocom- munications qui permettent de développer des antennes " tout numérique " accessibles, où chaque module émis- sion-réception (TRM) est connecté au reste du radar par une liaison numérique. Même si la numérisation à l'émission présente un intérêt pour les développements à long terme, quelques contraintes de pureté spectrale et de linéarité rendent dif- ficile cette réalisation aujourd'hui et, comme la plupart des bénéfices se situent à la réception, nous nous concen- trerons seulement sur les antennes tout numérique en réception. 2. Concepts de Senseurs Distribués Aujourd'hui les systèmes de détection et de pistage ne sont plus autonomes. Ils sont interconnectés sur le champ de ESSENTIEL SYNOPSIS L : évolutiondes besoins opérationnels et les rupturestechno ! ogi- ques amèneront une évolution drastique de 'architecture des radarsau cours de la prochainedécennie. D'une part les opérationsréseaux centrées (NCW)sur le champ de bataille exigeront des systèmes de détection et de pistage interconnectés,menantà la notion "de senseursdistribués" non localisésau même endroit. Celasignifie que lesantennesde radar devront explorersimultanément de nombreusesdirections diffé- rentes et à des fréquencesRFdifférentes. D'autre part l'évolution de composants électroniques portée par les applicationsciviles comme les radiocommunications permet de développer des antennesréseaux"tout numérique" à un coût accessible,où cha- que Transmit/ReceiveModule (TRM) est connecté au radar par liaison numérique.Une autre technologie de ruptureest la dispo- nibilité de générateursde signal pour des radarsavec une haute pureté spectrale et des horloges très stables distribuées sur le champ de bataille.Ces techniques sont un pré-requisaux anten- nes à formation de faisceaupar calcul nécessairesdansde telles applications. On one handthe Net Work Centric operationon the battlefield will require interconnected detectionandtrackingsystems leadingto the notion of "Distributed Sensors"no longer localizedin a single place.That means that the radar antennas will have to look at many different directions and at different RFfrequenciessimulta- neously. On the other hand the evolution of electronic compo- nents boosted by civilian applications such as Wireless Com enables to develop affordable "all digital " arrays where each Transmit/Receive Module is digitallyinterconnectedto the radar. Another enabling technology is the availability of Signal Generatorsfor radarswith highspectral purityandvery highlysta- ble clocks distributed on the battlefield. These technologiesare a prerequisiteto fully Digital BeamFormingneededin suchapplica- tions. REE No 5 Mai2006 Radars multistatiques et radars numériques (D SURVEILLANCE RELAY Or C31 z-_ MDL'" D A - - £ HIGHRATEDATALINK(HDL) REACQLIISITIOle TARGETING FIRING Ym ti " 0 -az*1 RECONNAISSANCE 40 À rduwe, e'B- HDL MEDIUM RATE DATA LINK MDL .--?.. SAM' SAl C31 . RECONNAISSANCE IDENTIFICATION o STRIKEDECISION SAM FEBA Figzwe ?/.Systèrneiiiiiiti-platefoi-iiie i'éseati cei7ti-é. bataille et de plus en plus dépendants les uns des autres : la fusion au niveau des plots ou des pistes est déjà mise en oeuvre afin d'établir une situation tactique globale dis- tribuée à chaque acteur et décideur. Mais cette fusion pourrait être aussi effectuée au niveau du signal pour optimiser la précision des mesures. D'autre part, quand le fait d'être discret est impor- tant, la solution plus efficace pour ne pas être détecté par les systèmes d'écoute et de contre-mesure électronique est de rester silencieux, et de travailler en mode passif à proximité de la cible alors que l'émetteur est en position stand off. En général, le champ de bataille est illuminé par plu- sieurs " soleils RF artificiels ", contrôlés par des amis ou existants indépendamment de notre mission propre comme : . d'autres radars . émissions d'opportunité comme les émissions ou les émissions de diffusion (FM, TV...) . les émissions ennemies Un avantage complémentaire d'être en mode silen- cieux est de " sauvegarder " l'occupation du spectre RF, qui est aujourd'hui une préoccupation importante et qui ne peut que s'accentuer du fait de la prolifération de moyens actifs de surveillance à large bande tels que les UAV ou les UCAV. Cette situation est illustrée sur la figure l, qui montre ce que pourrait être le théâtre d'opération dans un proche avenir. 3. Concepts multistatiques de radar Le radar est né bistatique, mais les fonctions d'émis- sion et de réception partageant la même antenne, le radar monostatique est devenu la norme pendant les 60 derniè- res années de développement radar. Pendant toute cette période le traitement d'antenne était presque inexistant et les spécifications d'antenne étaient les mêmes pour les deux fonctions, justifiant cette situation. Aujourd'hui de nouvelles techniques permettent de mettre en oeuvre des traitements d'antenne élaborés tels que la formation de faisceau par calcul (FFC), les antennes adaptatives (Adaptive Beam Forming ABF), le traitement adaptatif spatio-temporel (Space Time Adaptive Beam Forming STAP). D'autre part, de nouveaux besoins opérationnels (comme des opérations discrètes, les opérations réseaux centrées) exigent de séparer l'émission et la réception dans les radars. Le radar multistatique diffère des systèmes " multi- plate-forme " placés à des sites différents, dans lesquels les données sont fusionnées au niveau du plot ou de la piste. Dans le cas du radar multistatique, le signal RF émis est capté directement par le récepteur situé à un autre endroit et à cet endroit le récepteur reçoit le signal réflechi par la cible. Comme le récepteur peut être beau- coup plus proche de la cible que l'émetteur (grâce à son fonctionnement en mode passif) le budget de puissance est beaucoup plus élevé, et la précision globale est amé- liorée. Les erreurs de localisation sont aussi annulées. Le récepteur doit recevoir certaines informations de l'émetteur : . le signal émis . la localisation de l'émetteur . la référence de temps L'émetteur envoie ces informations au récepteur via une liaison de données dans un mode coopératif (dans ce cas on cherche à réduire au minimum le flux de données entre émetteur et récepteur, et on évite toute liaison du récepteur vers l'émetteur), mais elles doivent être éva- REE No Mai 2006 Peres 1 NOUVELLES PROSPECTIVES DU RADAR (2ene partie) luées ou mesurées dans les modes non-coopératifs. Airçrafts.CAPHA - 1 ,Ji t., 1 ,p , 1 t1 AEW(initia)guidance) c 1'-,,-é, Il. Iltuminator link 1- 7 ç i- - î- -, Silptit anarkina aireraft Figure 2. Configiti-ation bisiaticltie 4. Principe général Dans le radar monostatique le traitement de signal est basé sur la corrélation du signal reçu avec des répliques du signal émis translatées en temps (distance) et en fréquence (Doppler) pour correspondre avec toutes les hypothèses possibles de distance et de doppler des cibles recherchées. Ce traitement de signal est fait séquentiellement dans tou- tes les directions liées au balayage d'antenne. Ces répli- ques sont produites par le générateur de signal de radar (l'Exciter) à partir d'une source de fréquence très stable, qui met en mémoire la phase du signal émis. Ce signal est composé d'une porteuse modulée par la forme d'onde. La forme d'onde est caractérisée par plu- sieurs paramètres dont la fréquence de répétition d'impul- sion (PRI), la durée d'impulsion, la durée de la rafale et la modulation intra-impulsion. Deux cas différents se pré- sentent selon que l'on est dans une situation coopérative ou non-coopérative. Cas d'une situation coopérative Dans le cas coopératif, les paramètres de l'émetteur peuvent être envoyés au récepteur par une liaison de don- nées. On peut inclure dans cette catégorie le cas non coo- pératif d'un radar dont les paramètres seraient connus grâce à un système ESM. Ces paramètres incluent : . sa position, vitesse la valeur de la fréquence porteuse et la forme d'onde utilisée à un moment donné . la direction illuminée Lorsque le récepteur connaît ces paramètres, il peut régénérer les répliques et mettre en oeuvre le filtre adapté (à condition qu'il ait lui même une référence de fréquence très stable). La phase absolue du signal n'est pas utilisée dans le radar, seule sa variation est importante. Il manque pour achever le traitement (la mesure de distance) une référence de temps nécessaire à la synchro- nisation du signal reçu : < afinde choisir la forme d'onde adaptée, la porteuse et de diriger le faisceau d'antenne dans la direction appropriée. A cette fin, il n'est pas nécessaire, de dis- poser d'une référence de temps de haute précision (de l'ordre de la milliseconde) . afin d'avoir une mesure de distance précise. Dans ce cas la référence de temps doit être très précise (meil- leure que la microseconde) Heureusement ces horloges très précises sont disponi- bles maintenant partout, par le signal GPS ou la liaison de données. Cas d'une situation non coopérative Les répliques sont produites à partir du signal reçu par le trajet direct, qui est utilisé comme une voie de réfé- rence. C'est principalement utilisé pour des systèmes non-directifs (diffusion par exemple), où la localisation est obtenue par la corrélation des données issues de diffé- rents sous-systèmes (multlatération). 5. Problèmes techniques et solutions possibles Dans le cas coopératif une première contrainte techni- que est d'avoir une source de fréquence suffisamment sta- ble, tant dans l'émetteur que dans le récepteur. C'est géné- ralement le cas dans les radars Doppler modernes, où la réjection du fouillis de sol exige une très grande pureté spectrale de la source de fréquence. THALES a conduit quelques expériences dans le mode air-air avec des radars d'avion de combat actuels en bande X, qui ont prouvé la fai- sabilité de ce concept. Comme mentionné plus tôt, les hor- loges de GPS ont fourni la référence de temps à l'aide d'un dispositif externe spécifique conçu pour cette expérience. Cas particulier du radar à antenne synthétique (SAR) bistatique Le traitement SAR implique un temps d'intégration très long (de quelques secondes à quelques dizaines de secondes). Dans le cas du SAR monostatique, la même référence de fréquence étant utilisée pour l'émission et la réception, la dérive à long terme de l'oscillateur est annulée dans l'opé- ration de conversion en bande de base, ce qui est équivaut à un filtrage de réjection passe-haut. Egalement en monosta- tique la dérive de phase de l'oscillateur entre le signal émis et le signal reçu (quelques dizaines à quelques centaines de micro secondes plus tard selon la distance) est négligeable. Dans le cas du SAR bistatique, le temps d'intégration très long nécessite le contrôle de la phase très près de la porteuse à l'émission et à la réception, voir figure 3. Un autre problème technique du SAR bistatique est la com- pensation du mouvement de l'émetteur dû au manque d'ac- cès direct aux informations de l'IMU (centrale inertielle) de l'émetteur. Ces sujets sont à l'étude dans de nombreuses universités ou compagnies. L'autofocus est une des solu- tions possibles. ONERA (en France) et DRL (en Allemagne) ont conduit des expériences de SAR bistatique couronnées de succès [1]. REE No 5 Mai2006 Radars multistatiques et radars numériques 1,f1 " ill- r-t) 11 Il > 3. Anntilation dit bi-iiit pi-ès dc, la poi,teilse. Coïncidence des faisceaux d'émission et de réception en multistatique Un autre problème important des radars multistati- ques est la coïncidence des faisceaux d'émission et de réception, qui devient rapidement difficile à réaliser si des faisceaux fins (quelques degrés) sont utilisés. Pour sur- monter cette difficulté on peut utiliser : < "la poursuite d'impulsion " ou pulse chasing (le faisceau de réception suit à la trace le secteur illuminé par l'impulsion émise) . des stratégies de balayage spécifiques (par exemple l'émetteur est accroché sur la cible dans le mode poursuite continue, le récepteur balayant le secteur de recherche comme indiqué sur la figure 2) < la formation de faisceau par calcul (FFC) dans laquelle on forme à la réception un groupe de fais- ceaux adjacents simultanés couvrant entièrement la zone de recherche (figure 4) Considérant des contraintes opérationnelles fortes imposées par les deux premières solutions, il est clair que le plein avantage du fonctionnement multistatique sera obtenu grâce aux techniques FFC. Systèmes multistatiques non coopératifs Ces systèmes, basés sur des émissions telles la FM ou la TV, sont étudiés dans beaucoup de pays et ont donné de bons résultats. A la différence du cas coopératif avec des faisceaux fins, les systèmes utilisent des antennes généra- lement unidirectionnelles, au moins en émission, dont la localisation est bien connue ; ainsi il n'y a aucun pro- blème de rendez-vous de faisceaux ni de localisation de l'émetteur. La référence de signal nécessaire pour traiter le signal en réception est obtenue à partie du trajet direct, et la difficulté technique vient surtout de la très grande dynamique impliquée dans ces systèmes. Les effets de multitrajet sont aussi un souci. Parmi la réalisation mise en oeuvre dans ce domaine nous pouvons mentionner du système de détection passif accru de Thalès, voir la figure 5. r4 i .,_ i'';--.t.."c -. E % e., (11 11 --le r Fi,uitt-e 4. Gi-appe d (,fàisceatix aiec FFC en i-éception Iiiiiitistatiqlte. -'.'".',,, " B i çq> ' " MIL , fidI · 4â wag a t Figzme5. Svstètie de détection passive OCCIU. 6. Antenne numérique Comme vu précédemment, la FFC ouvre la voie à l'avenir des senseurs distribués requis dans les systèmes réseaux centrés. L'antenne à FFC doit former une grappe de dizaines de faisceaux jointifs simultanés. Comme le nombre de TRMS est de quelques milliers dans une antenne active (AESA), ces TRMs sont habituellement regroupés dans des sous-réseaux et, afin d'éviter les lobes de réseaux, ces sous-réseaux doivent se chevaucher. La complexité des distributeurs répartissant les différents signaux (RF, commandes, alimentations de puissance) est très élevée. Il semble attrayant de numériser les TRMS, l'interface des signaux avec l'extérieur étant un bus numérique ; ainsi les sous-réseaux sont supprimés pour obtenir une antenne à FFC totale. La partie de émission du TRM doit alors inclure un générateur de forme d'onde individuel. Des nouvelles techniques à synthèse directe (DDS), associées à des mélangeurs et à des multiplicateurs basés sur des compo- sants existants, permettent de contrôler individuellement le signal (incluant la forme d'onde) émis par chaque TRM. Cela ouvre la voie aux concepts " d'émission colo- rée de l'espace " (Ref 2). Néanmoins on doit considérer deux inconvénients : REE No 5 Mai2006 a Repères p NOUVELLES PROSPECTIVES DU RADAR (2nepartie) ADC Il; -l l i {- Il,i-alalçinv_ Tl (,o 4Vireless 'Elf. 1 ic Dhjit:llCcmponttt 1\. : cmpOIP ! lt "INoorcsL.itr j - ( 1:" ictc Il li [ : ic !f aiL LK leE r,p F,,,i 1) 1,. < t,lè xca..i r - ,, f -1 1 r ! (, ';('1.;' ltjAr. Figure 6. Evoliition du cofit et des perforinances, des composants. . la pureté spectrale requise pour le générateur de forme d'onde est très élevée dans le radar, et cette solution semble trop risquée à moyen terme compte tenu des coûts associés, et de la taille de la maille que doit respecter le dispositif . l'amplificateur de puissance (HPA) doit être utilisé en condition saturée afin d'obtenir le rendement de puissance maximale : il est alors difficile d'exploiter entièrement l'avantage de la numérisation, car cela implique généralement la superposition de plusieurs signaux, ce qui exige un comportement linéaire Pour ces raisons nous nous concentrerons sur la numérisation de la partie de récepteur seulement, en sépa- rant les fonctions émission et réception. 7 Problématique émission/réception L'émission et la réception sont en fait très différentes dans un radar. L'émission implique la puissance et des problèmes de conditionnement, mais les spécifications de rayonnement ne sont pas critiques. La réception a besoin de lobes secondaires très bas, une haute qualité de la cali- bration, une architecture en sous-réseaux et des distribu- tions de signaux complexes et une grande dynamique, mais exige par contre de faibles puissances et induit peu de contraintes de conditionnement. Même pour un système " co-localisé ", comme un radar de défense aérienne, quand c'est possible, il sera très avantageux de séparer la partie émission forte puis- sance de la partie réception, très exigeante en terme de qualité de diagramme. 8. Antennes « Receive-only » Ces nouveaux concepts exigeront de développer des antennes radar « Receive-only » passives dont les spé- cifications seront totalement différentes de celles des antennes actuelles : . dynamique réduite/Modes CW le découplage naturel entre les antennes permettra de transmettre et recevoir simultanément, avec des besoins dynamiques très inférieurs et donc des technologies meil- leur marché . problèmes de rejection du fouillis de sol très différents dans les applications aéroportées, le fouillis de sol reçu prédominant est dû aux échos à courte distance qui se superposent aux cibles lointaines par l'effet de l'ambi- guïté distance, car les faisceaux émission et réception coïncident. Dans les situations multistatiques, la distance des échos terrestres est supérieure à la distance entre l'émetteur et le récepteur, et les échos les plus forts vien- nent de l'intersection entre les faisceaux émission et réception ; ils se situent donc à la distance de la cible sans ambiguïté . antennes passives à faible consommation l'antenne en réception implique une faible consomma- tion, donc peu de problèmes de conditionnement et pour- rait être facilement adaptée dans la cellule d'avion (le nez, les bords d'attaque d'aile, des côtés du fuselage) per- mettant une couverture 360' Ces concepts sont maintenant accessibles pour les bandes radar basses, comme la bande S et en dessous, lorsque la taille de la maille est suffisamment grande pour mettre en oeuvre le récepteur numérique complet, du limi- teur du RF, à la conversion analogue numérique (ADC). Une architecture " de tuile " (à plat) est alors possible grâce aux nouveaux composants développés principale- ment pour le marché des communications sans fil et à l'évolution suivant la « loi de Moore » pour des compo- sants numériques. La figure 6 montre les courbes d'évo- lution des performances et des coûts de ces composants. On donne un exemple de ce type de conception sur la figure 7, qui montre un récepteur numérique en bande S incluant : . le limiteur RF . l'amplificateur à faible bruit (LNA) . deux étages de conversion avec STC . un codeur 12 bits avec FPGA associé itï1Y19 Recejvr .(FillllS8;1I1dM&Euro;'hj ..,,........, tjJ ?r= "Ta. ' "Li,. Recemer ', ",T'f IFtiSBmAteshi f n 1_., , · 1 i II. YFIe· __________________________________.<." : n. - ! ' ., J A1VrTnlu^ P!sSht'' ;t'.A!!.Gr!Ltot';jnc!fs'L..-.--..-.....-.-........---...-..--.--..-...--. Che.'!pe['.!ï'saTL;r !!i.Po!nt'' r,r 1,A n W-rr,- sn-eu rm.sci F lt p -iitoi itv-i ` Gh-,ai. If's Ttinuy;Pou71_. Figure 7. Exemple du récepteur tout numérique en bande S. REE N i Mai2006 Radars multistatiques et radars numériques 9. Conclusion L'évolution des besoins opérationnels et les ruptures technologiques amèneront une évolution drastique de l'architecture des radars au cours de la prochaine décen- nie. Les opérations réseaux centrées (NCW) sur le champ de bataille exigera des systèmes de détection et de pistage interconnectés menant à la notion " de senseurs distri- bués " non localisés au même endroit. Dans cette situation multistatique, on doit considérer de nouvelles architectu- res de radar, dont les principes généraux dans des situa- tions coopératives ou non-coopératives ont été présentés. La disponibilité de générateurs de signal pour radars à haute pureté spectrale d'une part et d'horloges très stables distribuées sur le champ de bataille fournies par le signal GPS ou par les horloges des liaisons de données d'autre part, permet de surmonter les problèmes techniques comme le traitement de signal, ou les contraintes de pureté spectrale et de synchronisation. Pour tirer l'avantage maximal des modes multistati- ques, les antennes radar devront observer simultanément de nombreuses directions différentes. L'évolution des com- posants électroniques portée par les applications civiles comme les radiocommunications permet de développer des antennes " tout numérique " à un coût accessible. Dans ces antennes chaque module émission/réception est connecté numériquement au reste du radar. La numérisa- tion à l'émission pourrait être intéressante pour les déve- loppements à long terme, mais les contraintes de pureté spectrale et de linéarité rendent difficile la mise en oeuvre aujourd'hui au niveau des TRM (pour des applications en bande S et au dessus) même si les techniques basées sur la synthèse directe (DDS) sont prometteuses. En fait, la plupart des bénéfices portent sur la partie réception et, avec les technologies existantes, il est déjà possible de concevoir une antenne de réception tout numérique en bande S (ou inférieur). Les technologies SiGe permettront d'appliquer ces concepts à des fréquences plus élevées (bande X) à plus long terme. Et pour les développements à long terme, nous pou- vons imaginer des senseurs à large bande dotés de multi- faisceaux tirant parti de toutes les émissions amies, enne- mies ou d'opportunité illuminant le champ de bataille. References [1] PascaleDUBOIS-FERNANDEZ,Jean-Marc BOUTRYet AL, " j'ONERA RAMSES SAR système.'Statut en 2004 " Conférence Internationale Radar'2004 Toulouse, France, 18 au 22 octobre 2004. [2] François LE CNEVALIER,Laurent SAVY,"Émission colorée pour antenne active de radar", Conférence Internationale Radar'2004 Toulouse, France,18au 22 octobre 2004. L. a u t e u r PhilippeLacommeest né en 1944à Dijon,diplôméde l'Ecole nationalesupérieuredestélécommunicationsdeParisen1968.Ila été impliquédansdesdéveloppementsde radarsaéroportésde Thalèspendantplusde36ans.Ilaenseignélathéoriedesradarsà Thalèset dans beaucoupd'Universitéset Écolesd'ingénieurs (ESME,ENST,ENSTA,ESE,ENSAE).Ilestleco-auteurd'unlivresur lesradarsaéroportéset spatiauxpubliéen françaiset en anglais. Actuellement il est Thalès Technical Fellowà laDirectiontechnique dela Division aéronautiqueThalèset membredu R&TBoardRadar Thalès. REE M 5 Mai2006