HYCAM : un moyen de mesure et d'analyse fine de la section efficace radar des cibles scintillantes

02/09/2017
Publication REE REE 2006-1
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2006-1:19760
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HYCAM : un moyen de mesure et d'analyse fine de la section efficace radar des cibles scintillantes

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	    <date dateType="Created">Sat 2 Sep 2017</date>
	    <date dateType="Updated">Sat 2 Sep 2017</date>
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Dossier NOUVELLES FORMES D'ONDE AGILES EN IMAGERIE, LOCALISATION ET COMMUNICATION HYCAM : un moyen de mesure et d'analyse fine de la section efficace radar des cibles scintillantes ncRNMots clés Mesurede SER, Systèmelargebande, Cibles scintillantes, OFDM, FFT Par Yoann PAICHARD', Juan-Carlos CASTELLI', Gérard BOBLLOT', Phlppe DREUILLET', Alain MÉRIGOT 1 0/VFWDM'ONERAIDEMR 1 Institut d'électronique fondamentale, Université ParisXI 1 1. Introduction L'analyse de la section efficace radar (SER) des cibles devient de plus en plus complexe, parce qu'elle prend en compte des paramètres de plus en plus nombreux. Ainsi, dans le cas des cibles scintillantes, on s'intéresse aux effets dynamiques de la SER induits par les déformations géométriques (parties en rotation) ou radioélectriques (dispositifs électroniques) des cibles. Ces effets provoquent au cours du temps une variation rapide de la SER, qui n'est pas accessible aux dispositifs de mesure actuels. Concrètement, la mesure de SER classique consiste à émettre de façon cohérente plusieurs fréquences successives pour différents angles. Cette technique, du fait d'un temps de mesure trop long, n'est pas adaptée aux cibles scintillantes. En effet, les contraintes imposées par la mesure sont très sévères et peu compatibles entre elles. D'une part, la cible doit être vue comme immobile pen- dant la durée de la mesure. Le temps de la mesure doit donc être inférieur au temps de stationnarité du phénomène à étudier. D'autre part, la mesure doit être effectuée sur une très large bande de fréquences, permettant à la fois d'accéder à une résolution spatiale suffisante pour construire une imagerie fine et temps réel de la cible, et de réaliser une analyse des variations de la SER en fonction de la fréquence. Les progrès réalisés par les technologies numériques permettent de dépasser ces contraintes. Il est désormais possible de numériser de très larges bandes de fréquences avec une dynamique importante. Ainsi, la convergence entre l'évolution des besoins en termes d'analyse de SER et les derniers développements des technologies numé- riques ont conduit à la conception d'un moyen d'acquisition perfectionné, dédié à la mesure et à l'analyse de la SER de cibles scintillantes en vol. Dans cet article, nous présentons les principes généraux de la mesure et de l'analyse de la SER des cibles scintillantes. Nous détaillons ensuite le futur système HYCAM (Caméra Hyperfréquence) imaginé par l'ONERA. Puis nous précisons les formes d'ondes employées en nous attachant à montrer leur nouveauté. Enfin nous présentons des résultats de mesure obtenus à l'aide d'un système expérimental. 2. La mesure de la SER des cibles scintillantes et l'imagerie multidimensionnelle La SER ou section efficace radar est définie comme le rapport entre la puissance rétléchie par la cible par unité d'angle solide, rapporté à la densité de puissance de l'onde incidente. Elle correspond à une mesure de la réflectivité de la cible et à la dimension d'une surface [1]. E S S N T 1 SYNOPSIS L'ONERAa conçu un système très largebande,dédié à la mesu- re et à l'analyseen temps réel de la SERdes cibles scintillantes. Laforme d'onde émise est un signalde type OFDMaveccodage de phase,qui minimise le rapport entre la puissancecrête et la puissancemoyenne du signal. Un système expérimentalutilisant ces formes d'onde a permis d'effectuer les premières mesures instantanéesd'une cible scintillante en chambreanéchoïque. The ONERAhas designedan ultra-widebanddigital system dedi- cated to the measurementand the reakime analysisof the RCS of time varying targets. The transmitted waveform is an OFDM phase-codedsignal, which minimizes theratio between the peak power and the mean power. An experimental system, has enabled to carry out the first instantaneous measurement of a time varying target in an anechoicroom. REE NO 1 Janvicr2006 D®ssier NOUVELLES FORMES D'ONDE AGILES EN IMAGERIE, LOCALISATION ET COMMUNICATION Antennes Fmission numérique large bande Montéeenfréquence1 « It, 1 " Ili ", oie référence KiH Numérisation Réception Voie test Voietest Fi,gt (i-e 1. Clïaliïe cle iîesiti-e HYCAM SER (1112) =4 z R 7 Iiiii R-> IE (1) Ei et E,. désignant les champs électriques incident et réfléchi, et R la distance antenne-cible. Elle dépend de nombreux paramètres, parmi lesquels la fréquence et la direction d'éclairement, l'angle sous lequel est vue la cible, la polarisation. Le signal émis est composé de plusieurs fréquences qui doivent être suffisamment proches les unes des autres afin d'éviter tout repliement de l'image de la cible dans la zone d'analyse. De plus, la bande du signal émis doit être assez large pour obtenir une résolution suffisamment fine. Ces deux contraintes sont exprimées par les relations [2] et [3] : AF = c 2 ox (2) et oF = c 2 AX (3) où c est la vitesse de propagation des ondes, Sx la résolu- tion spatiale, AX la taille de la cible, oFe le pas entre 2 fréquences et Fe la largeur de bande du signal. Le temps de mesure instantané est un paramètre supplémentaire introduit par les cibles scintillantes. En effet ces dernières provoquent un élargissement spectral autour de chaque fréquence. Le signal modulé doit donc être échantillonné à une cadence qui respecte le théorème de Shannon, à savoir : -<-) \ T<. 1 - 2.fZx m (4) -. 1m Ti étant le temps de mesure instantané et f "' la t1ré-m quence maximale de modulation de la cible. A partir d'un tableau bidimensionnel donnant la fré- quence d'éclairement en fonction du temps (Fe, t), il est possible, par transformée de Fourier 2D, d'obtenir un tableau (x, f,,,) où x est la distance radiale et f,,, la fréquence de modulation de la cible. De même, la mesure de la cible sous plusieurs angles d'incidence 0 permet d'obtenir une information sur l'axe transversal y. Au total, on obtient une hyperimage à 6 paramètres que l'on souhaite analyser en temps réel. L'architecture d'un système permettant à la fois la mesure à très large bande dans un temps très court et l'imagerie en temps réel est complexe. Les parties émission, réception, numérisation et traitement des don- nées ont été divisées en blocs indépendants, et s'appuient sur les dernières évolutions des systèmes numériques. De plus on a cherché à concevoir un système ouvert, afin d'intérer les futures évolutions. 3. Description du système de mesure HYCAM La chaîne de mesure HYCAM est constituêe : . d'un émetteur numérique large bande, composé d'une mémoire programmable associée à un conver- tisseur numérique-analogique. Cet émetteur permet de générer des formes d'ondes numériques entièrement programmées par l'utilisateur, . d'un module analogique de montée en fréquence, . d'antennes à large bande, . d'un récepteur à large bande, . d'un ensemble de numériseurs rapides, . d'un module de prétraitrement des signaux et d'imagerie temps-réel. Afin de garantir la cohérence des mesures dans le temps, le signal réfléchi par la cible est comparé à chaque instant avec le signal émis. Les voies test (dédiée à la mesure de la réponse de la cible) et référence (dédiée au signal émis) sont donc numérisées simultanément. REE N 1 2006 HYCAM : un moyen de mesure et d'analyse fine de la section efficace radar des cibles scintillantes Le système HYCAM est dimensionné pour pouvoir échantillonner correctement des cibles générant des 1 1 e rn a x modulations de fréquence irn = 100 kHz, ce qui donne un temps de mesure instantané Ti 5 5 ps. Le pas entre les fréquences est programmable par l'utilisateur. Par défaut, il est fixé à 10 MHz, ce qui permet d'obtenir une distan- ce d'ambiguïté de 15 m. De plus, le système doit permettre d'effectuer des mesures sur une bande spectrale totale AF = 8 GHz, ce qui permet d'atteindre une résolution spatiale théorique de 1,8 cm, mais implique de surmonter certaines difficultés inhérentes à la conception de systèmes à très large bande : . A l'émission, les générateurs de signaux numériques actuels les plus performants sont limités par leur bande analogique. La bande totale de 8 GHz estc donc découpée en 4 bandes de 2 GHz. 'A la réception, les difficultés se concentrent dans le filtrage et la numérisation. En effet la conception de filtres anti-repliement très large bande est très délicate en bande de base. Les filtres analogiques ne sont efficaces qu'à partir d'un rapport Fc 2 AF e entre Fe la fréquence centrale et AF la bande de fréquences filtrée. Par conséquent la bande instan- tanée de 2 GHz est divisée en 4 sous-bandes de 600 MHz : 500 MHz pour le signal et 100 MHz de marge de recouvrement entre les filtres. Chaque sous-bande est filtrée entre 900 MHz et 1,5 GHz. Les numériseurs sont les éléments-clefs du système. Ils doivent présenter un bon compromis dyna- mique/vitesse de numérisation. Les numériseurs rapides actuels répondant à ce critère sont cadencés autour de 2 GHz pour une dynamique de 10 bits. Un ensemble de 4 numériseurs, soit un par sous-bande, et cadencés à une même fréquence de 1,6 GHz, est utilisé pour numériser l'ensemble du signal. Après numérisation, le module de prétraitement désentrelace et compare les voies test et référence. Ce traitement est effectué en temps réel à l'aide de transformées de Fourier rapides, ou FFT (Fast Fourier Transform). Le calcul est effectué par des modules électroniques de type FPGA (Field Programmable Gate Array) qui offrent la possibilité de paralléliser les calculs. Les données sont alors décimées : seule l'information utile à l'imagerie, c'est-à-dire les coefficients de rétrodiffusion de la cible associés à chaque fréquence, est transmise au module d'imagerie.c Ce dernier calcule l'image de la cible en fonction de plusieurs paramètres : les distances radiale x et trans- versale y, le temps t, la fréquence d'éclairement F, l'angle 8 sous lequel est vue la cible et sa fréquence de modulation fl ". 4. Formes d'ondes à l'émission La forme d'onde classiquement utilisée pour la mesure de SER est le « step frequency ». Les fréquences sont émises successivement sans contrainte de temps par un système analogique. Cette forme d'onde n'est pas adaptée au système HYCAM, pour lequel les contraintes de temps et de largeur de bande sont très sévères. L'utilisation de formes d'ondes spécifiques s'avère néces- saire, en utilisant au maximum la puissance des systèmes numériques actuels. La forme d'onde qui a retenu notre attention est le spectre de raies, où toutes les fréquences sont émises simultanément. Le signal émis est défini par : N s (t) = - 1 cos (2 ; r F (k) t) N kl avec N le nombre de fréquences et A l'amplitude du signal. Le signal analytique associé est : =-1 pf2 - yr 7) A N s (t) = - exp (2 1 « z F, (k) t) N kl Chaque fréquence F, (k) est un multiple du pas entre les fréquences : F/) = k 87. Les fréquences émises sont, de plus, orthogonales entre elles sur la durée Ti. Le produit scalaire entre 2 fréquences s'écrit : p,/ f exp (2 j 7 Fe (k) t) T T exp (- 2r I (1) t) dt = ô. -/ avec ô kl 1 slk=l 0 sinon soit : T bF, =ii (iiEN) (5) Ili » La contrainte d'orthogonalité permet de s'assurer que chaque fréquence émise n'est pas perturbée par les fré- quences adjacentes. Le spectre de raies est une forme d'onde de type OFDM (Orthogonal Frequency division Multiplexing) appelée également DMT (Discrete Multi Tone). Il permet de remplir parfaitement l'espace temps-fréquence. Le signal émis est périodique, de période IIÔF,. Toutefois les fréquences émises se retrouvent toutes en phase aux mêmes instants, ce qui a pour effet de concen- trer l'énergie du signal sur des durées extrêmement brèves, provoquant de fait la saturation d'éléments non linéaires tels que les amplificateurs ou les numériseurs. Ce problème est également rencontré dans les nouveaux sys- tèmes de télécommunications sans fil qui utilisent les modulations OFDM (TNT, WIFL..). REE Nu i Janvier2006 ®si r NOUVELLES FORMES D'ONDE AGILES EN IMAGERIE, LOCALISATION ET COMMUNICATION Fe -- --------- t Figme 2. SI) ecti-e cle i-ciies : i-elyi^éseiitatioii teiiil) s-fi-éclitei7ce et signnl temporel. Ainsi, le signal OFDM est caractérisé par un rapportc élevé entre la puissance crête du signal et sa puissance moyenne. Ce rapport est appelé PMEPR (Peak-to-Mean Envelope Power Ratio) [3]. PMEPR (s M maxls (t)0-t':,,",:'::j- :.:}-,;,,,',',',.,,: >"