Génération optique de formes d'ondes arbitraires radar

02/09/2017
Publication REE REE 2006-1
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2006-1:19762
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Génération optique de formes d'ondes arbitraires radar

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Dossier NOUVELLES FORMES D'ONDE AGILES EN IMAGERIE, LOCALISATION ET COMMUNICATION Génération optique de formes d'ondes arbitraires radar Par Sylvie TONDA-GOLDSTEIN, Aymeric MONSTERLEET, Daniel DOLFI,Jean-Pierre HUIGNARD ThalesResearch & Technology Mots clés Porteuseoptiquedesignaux hyperfréquences, Formesd'ondesradar, SignaturesDoppler Face à la forte évolution des menaces, les systèmes radar et de guerre électronique ont vu apparaître de nouvelles formes d'onde (FO) radar de grande complexité. Les techniques optiques de traitement du signa sont aujourd'hui compétitives pour réaliser de nombreuses fonctions utiles dans les systèmes radar et de guerre électronique. 1. Introduction Profitant des capacités de parallélisme de l'optique et de la rapidité des composants opto-électroniqnes, les techniques optiques de traitement du signal sont aujourd'hui compétitives pour réaliser de nombreuses fonctions utiles dans les systèmes radar et de guerre électronique. Les récents dispositifs opto-électroniques d'analyse spectra- le, de filtrage adaptatif, de corrélation ou de commande d'antenne à balayage électronique réalisent autant de fonctions dont les performances rivalisent avec celles des dispositifs équivalents en électronique numérique et analo- gique. Face à la forte évolution des menaces, les systèmes radar et de guerre électronique ont vu apparaître de nou- velles formes d'onde (FO) radar de grande complexité. Les solutions actuelles pour générer des FO combinentCI la synthèse numérique des signaux à une fréquence inter- médiaire avec un étage de modulation vectorielle 1 et Q pour monter en fréquence le signal synthétisé de la fré-c quence intermédiaire à la fréquence centrale du radar fp- Ce schéma utilise une mémoire numérique rapide (DRFM - Digital Radio Frequency Memory) contenant la forme numérique du signal de FO et un convertisseur numé- rique/analogique (CNA). La principale limitation de cette technique apparaît lorsque des signaux multifréquences doivent être générés. L'intermodulation alors produite peut altérer la fidélité du signal en ajoutant des fréquences parasites autour de la fréquence d'intérêt. Une autre limitation provient du pouvoir de résolution des CNA. Ces dernières années ont vu naître un intérêt croissant pour la génération de FO arbitraires par des techniques optiques. Les dispositifs optiques sont potentiellement à très large bande, et donc en mesure de générer des signaux électriques à très haute fréquence sans avoir recours à des étagesde mélange à des fréquences inter-recours a e e c médiaires. De plus, l'optique offre une grande capacité de parallélisme profitant de composants tels que les modu- lateurs spatiaux de lumière ou les cellules acousto- optiques, qui permet alors de traiter simultanément en amplitude et/ou en phase un grand nombre de fréquences pour définir des FO précises. très large bande E 5 5 E N SYNOPSIS Un générateur opto-é ! ectroniquede formes d'onde arbitraires pourapplicationsradarest proposé.Cegénérateurest baséd'une part sur l'aptitude des générateurs de FO arbitraires (GFOA) numériquesà générer des FO complexes à bassefréquence, et d'autre part sur celle des techniques optiques à transposer ce signal basse fréquence dans les bandes hautes de fonctionne- ment radaret guerre électroniquesansajout de fréquencespara- sites. Lacapacitédu générateur opto-étectroniqueà générer des formes d'onde radar complexes, composées de que ! ques cen- taines de fréquences Doppler,avec une dynamiquede l'ordre de 30 dB est démontrée. A fibred opto-electronic arbitrary waveform generator for radar applicationsis proposed. Thegeneratoris based on the ability of digital arbitrarywaveform generatorsto generate complex wave- forms and on optical techniquesto transposethis low frequency signal in radar and electronic warfare frequency bands without adding spurious frequencies. The ability to generate radar com- plex waveforms composed of 700 Doppler frequency compo- nents with 30 dB spuriousfree dynamic rangeis demonstrated. REE ? ! lanvicr2006 Génération optique de formes d'ondes arbitraires radar A tt fRF Sarb (t) t f +f +f F n t f + f v R nsfo translatelir de Générateur signal électiique s (t)Co 0 _La'ate "' d CD, fr fréquence RF Doppler AO de forme d onde arbitiaire Diode laser C: "'C _- fo * Figwre1.Principe de la détection passive bistatique. Globalement, le principe commun à toutes les techniques optiques existantes est de générer plusieurs modes optiques de fréquences différentes, et de détecter les signaux de battement résultant des interférences de ces modes. Toutes ces techniques proposent des approches différentes pour générer les modes optiques, et éven- tuellement contrôler arbitrairement leur phase et leur amplitude pour plus de liberté sur le profil de la FO électrique finale [1-4]. Cependant, aucune de ces tech- niques ne permet d'atteindre la résolution fréquentielle des signatures Doppler de cibles radar. En outre, si ces techniques sont efficaces pour les applications en émission, où il s'agit simplement de générer un signal RF plus ou moins complexe, elles sont inadaptées aux appli- cations de guerre électronique qui nécessitent de copier le signal sans l'interpréter. Cet article présente une architecture optique originale pour la génération de FO arbitraires complexes, qui permettrait d'améliorer les performances des systèmes radar et de guerre électronique en termes de bande passante, vitesse de traitement et dynamique. 2. Description du principe de fonctionnement global du générateur opto-électronique Le générateur opto-électronique est basé d'une part sur l'aptitude des générateurs de FO arbitraires (GFOA) numériques à générer des FO complexes à basse fréquence, et d'autre part sur celle des techniques optiques à transposer ce signal basse fréquence dans les bandes hautes de fonctionnement radar et guerre électronique sans ajout de fréquences parasites. La fréquence radar fRF est optiquement transportée soit comme une modulation d'amplitude de l'onde optique par l'intermédiaire d'un translateur de fréquence en optique intégrée [5], soit directement comme la différence des 2 modes d'une cavité laser bi-fréquence [6]. De plus, l'utilisation combinée de deux cellules de Bragg acousto-optiques (AO) permet deZn générer jusqu'à plusieurs centaines des composantes fréquentielles fn (n,..., 100,...) résultant d'une signature Doppler sarb(t) réaliste de cible radar. Ce géné- rateur Doppler AO permet également le contrôle en phase et amplitude de chaque composante du spectre radar réceptionné. La figure 1 décrit l'architecture optique du générateur opto-électronique de FO combinant un translateur de fréquence en optique intégrée et le générateur Doppler acousto-optique. Une source laser monomode (DFB) de fréquence optique fo est séparée en deux faisceaux. Une des sorties du séparateur passe successivement au travers du transla- teur de fréquence (excité par la fréquence fp) et du géné- rateur de Doppler AO (excité par le signal sarb(t)). Ces deux composants vont translater la fréquence optique fo respectivement des quantités fRF et des multiples fn (correspondant aux composantes fréquentielles du spectre Doppler d'une cible radar). En plus de la translation de fréquence, le générateur Doppler AO permet de contrôler la phase et l'amplitude de chacune des composantes de fréquence fo + fRF + fn générées conformément au signal de commande sarb(t). Les fréquences optiques fo + fRF + fn porteuses de l'information de FO sont directement com- binées avec la deuxième sortie du séparateur, qui est le bras de référence à la fréquence optique fo. Finalement, le signal de battement est photodétecté pour obtenir le signal électrique de composantes fréquentielles fRF + fn contrôlées en phase et en amplitude. Les battements continus aux fréquences fRF + fn peuvent être modulés en impulsions pour être conformes aux spécifications radar, soit directement à l'aide du translateur de fréquence, soit par l'intermédiaire d'un modulateur d'amplitude en optique intégrée placé avant le photodétecteur. De plus, une fois en régime impulsionnel, des modulations de fréquence ou de phase intra-impul- sion peuvent être ajoutées. 3. Description du principe de fonctionne- ment du générateur Doppler AO Le principe pour générer de petites translations de fréquences fn, autour de la fréquence fp, allant du hertz l jusqu'à quelques centaines de kilohertz repose sur l'utilisation REE ! laji\,ici2006 m Dossier NOUVELLES FORMES D'ONDE AGILES EN IMAGERIE, LOCALISATION ET COMMUNICATION SARB (t) = À' " A, cos (2l (f,,,,,+ fn) t + " n)1-1 COQ + fRF- fBragg SARB (t) = 1 An COS (2 " (Bragg Ao cos (2'f,,raggt) f + fRF- 1 a LNJ\ 1 1 N 1 A 1 fo+fRF cm ,An cos (2l' (f. +f RF + fn) t + (pn) n=l Figure 2. Scizéina Ili géizéi-cit (iii-Dol) lleracoitsto-c) pticltie. de deux cellules acousto-optiques, l'une réalisant une translation négative et l'autre une translation positive. Le principe de fonctionnement est décrit sur la figure 2. La première cellule AO, pilotée par un signal mono- fréquence à la fréquence fBragg'con-espondant à la fréquence de Bragg de la cellule AO, est réglée pour réaliser une translation de fréquence négative en régime de Bragg. Le faisceau optique incident de fréquence fo + fRF est alors diffracté et translaté à la fréquence (fo + fRF) - fB,.QO. La deuxième cellule AO, pilotée par le signal multi-fréquence sarb(t) aux fréquences fBr,,,, + f,, (n=l,.... N), est réglée pour réaliser une translation de fréquence positive. Le signal sarb(t), généré par l'intermédiaire d'un générateur numérique basse fréquence de fonctions arbitraires, est de la forme : N Sai (t) cos (Z-r (fBtagg+ f,,) t+ (I,) ni= où la distribution (A, (p) peut être choisie arbitrairement par l'intermédiaire du générateur numérique basse fréquence. Le signal sarb(t) est ainsi une représentation possible d'une signature Doppler de cible radar centrée sur la fréquence fg,.aaQ. La figure 3 présente un exemple de spectre électrique d'une signature Doppler d'avion. La bande passante Doppler est typiquement de 100 kHz et la dynamique de l'ordre de 30 dB. Le faisceau optique sortant de la première cellule AO de fréquence (fo + fRF) - fB,,,,,, est alors diffracté par la seconde cellule AO en N faisceaux simultanément de fréquences (fo + fRF) + fn arbitrairement contrôlés en phase