EP0938156B1 - Procédé de détermination de l'erreur de pointage de la face rayonnante d'une antenne réseau à balayage électronique - Google Patents
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- H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
- H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
Definitions
- the present invention relates to a method of determining of the pointing error of the radiating face of a network antenna to electronic scanning.
- Such a antenna consists of a multitude of radiating elements, of type dipole for example, usually arranged at the nodes of a plane mesh regular (rectangular, triangular, or more generally bi-periodic). AT each of these radiating elements is associated with a phase shifter device to electronic control.
- the phase shift value applied to an element given is a function of the pointing direction of the desired beam and the position of this element in the network, so that the contributions radiation of the antenna of the various radiating elements are added in phase in the chosen direction. Said position is specified in a reference (ox, oy) bound to the radiating face of the antenna.
- the origin o is chosen usually at the center of symmetry of the network; the directions of ox and oy are those of the axes of symmetry of the mesh of the network.
- This marker can be materialized, for example by lines engraved on the structure of the antenna. But it can also remain purely virtual, without any representation concrete.
- each of the phase shifters that is to say the phase shift that it brings to the signal that passes through it, is controlled by a calculator specialized called "pointer".
- the pointer receives his orders from central radar computer in the form, among others, of two cosines directors u and v defining the desired pointing direction in the benchmark (ox, oy), materialized or not, linked to the radiating face of the antenna.
- u and v represent the components, in the reference of the projection on the plane of the radiating face of the antenna of the vector unit directed in the direction of controlled pointing.
- the main disadvantage of the usual procedure is to require the antenna to be stationary in the factory for a period of time to be penalizing, in view of the delay considerations, and therefore, by way of consequence, cost, always more restrictive.
- US Patent 5,455,592 discloses a method for determining the pointing error of a scanning antenna, the error being due to defects in the realization of the radiating face of the antenna.
- the subject of the present invention is a method for determining the calibration error of the radiating face of a scanning array antenna electronics, which does not require the immobilization of the antenna in the factory, and which can be implemented on the site where the antenna is operated, and this, simple way, without the need for measures other than those normally required for qualification on the site, such determination being able to in addition to being carried out again after the antenna has been example in case of drift of its characteristics as a result of its aging, or in case of accident.
- the subject of the invention is an on-site determination method of the pointing error of a scanning antenna, an error caused by defects in the radiating face of the antenna, with a view to correction of this error, as defined by claim 1.
- Measurements are advantageously part of the series of measurements performed during the qualification of the antenna (determination of the accuracy pointing the antenna).
- planar microwave antenna with electronic scanning but it is well understood that it is not limited to this single application, and that it can be implemented for sonar antennas, and for different types antennas: non-periodic networks, non-planar networks, networks surface or volume.
- the method of the invention advantageously takes advantage of the results operations of qualification of an antenna on the site where it is installed, but it is understood that it could also be implemented from specific measures carried out independently of qualification.
- FIG. 1 shows a scanning antenna 1 electronic.
- This antenna 1 comprises a materialized mark 2 integral with the structure of the antenna and serving for said optical measurements.
- On the benchmark 2 is a reference trihedron (I, X, Y, Z) whose axes IX and IY are parallel to the plane of the antenna and whose axis IZ is perpendicular to this plane.
- a plane (I, X, Y) is defined for which the axis IZ (perpendicular to this plane) coincides with the direction central to the solid angle of the space swept by the beam of the antenna.
- a reference 3 real or virtual, has been defined in FIG. which is a trihedron (o, x, y, z), homologue of the trihedron of the reference 2 and whose the orientation depends on the quality of realization of the antenna. If this antenna was perfect, the axes of the two trihedrons would be respectively parallel between them. In the following, no account is taken of errors due to other imperfections (mechanical fixation of the antenna on its support, fixed or mobile, ...) which are corrected in known manner.
- the problem solved by the invention is to align the marks 2 and 3, that is to say to determine the rotations ⁇ , ⁇ and ⁇ around the axes IX, IY and IZ respectively ( Figure 2), necessary to make the ox axes parallel, oy and oz at axes IX, IY and IZ respectively, so that the direction of pointing, controlled from the radar control station at which belongs antenna 1, coincides with the actual direction of pointing of the Antenna Beam 1. Knowing these rotations, the calculator of the post order takes into account these corrections when drawing up the orders of pointing the beam of the antenna.
- This form of error is particularly well suited to the use of the method, known in statistical estimation theory as the "maximum likelihood method".
- this method consists in maximizing, with respect to the unknown parameters, in this case the three elementary angles of rotation, the (conditional) probability of measuring the errors ( ⁇ u i , ⁇ v i ) in the hypothesis where we know these parameters.
- the most likely values are those that minimize the quadratic difference: where ⁇ represents the ratio of the variances of the radioelectric components, ie ⁇ u 2 / ⁇ v 2 .
- This ratio can be evaluated either theoretically from the antenna structure and the statistical properties of the phase faults, or experimentally from the measurement of the so-called "differential" pointing accuracy, defined as the fluctuation of the error pointing, on u and on v, depending on the frequency, for a given dotted direction.
- the method of the invention has been implemented for a bidirectional electronic scanning array antenna.
- the three elementary rotations were determined according to the maximum likelihood criterion.
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Description
La présente invention se rapporte à un procédé de détermination
de l'erreur de pointage de la face rayonnante d'une antenne réseau à
balayage électronique.
On va d'abord décrire brièvement le fonctionnement d'une telle
antenne. Elle est constituée d'une multitude d'éléments rayonnants, de type
dipôle par exemple, généralement disposés aux noeuds d'un maillage plan
régulier (rectangulaire, triangulaire, ou plus généralement bi-périodique). A
chacun de ces éléments rayonnants est associé un dispositif déphaseur à
commande électronique. La valeur du déphasage appliqué à un élément
donné est fonction de la direction de pointage du faisceau désirée et de la
position de cet élément dans le réseau, de telle sorte que les contributions
au rayonnement de l'antenne des divers éléments rayonnants s'ajoutent en
phase dans la direction choisie. Ladite position est spécifiée dans un repère
(ox, oy) lié à la face rayonnante de l'antenne. L'origine o est choisie
généralement au centre de symétrie du réseau ; les directions de ox et oy
sont celles des axes de symétrie du maillage du réseau. Ce repère peut être
matérialisé, par exemple par des traits gravés sur la structure de l'antenne.
Mais il peut aussi rester purement virtuel, sans aucune représentation
concrète.
L'état de chacun des déphaseurs, c'est-à-dire le déphasage qu'il
apporte au signal qui le traverse, est commandé par un calculateur
spécialisé appelé « pointeur ». Le pointeur, quant à lui, reçoit ses ordres du
calculateur central du radar sous la forme, entre autres, de deux cosinus
directeurs u et v définissant la direction de pointage désirée dans le repère
(ox, oy), matérialisé ou non, lié à la face rayonnante de l'antenne.
Rappelons que u et v représentent les composantes, dans le repère
considéré, de la projection sur le plan de la face rayonnante de l'antenne du
vecteur unité dirigé dans la direction du pointage commandé.
Indépendamment de l'existence ou de la non-existence du repère
(ox, oy), il existe toujours un référentiel matérialisé (IX, IY, IZ), attaché à la
structure de l'antenne, situé généralement en dehors de la partie
rayonnante, dans lequel sont effectuées les visées optiques indispensables:
- d'une part pour aligner l'ensemble de l'aérien (surface rayonnante, mécanisme de rotation, plate-forme support ou tourelle...) par rapport au repère terrestre absolu dans lequel le radar opère
- d'autre part pour mesurer la précision de pointage de l'antenne lors de la qualification de cette antenne en tant qu'instrument de mesure angulaire des cibles radar. Les inévitables défauts de construction font que ce repère matérialisé n'est pas exactement parallèle, comme il serait souhaitable, au repère (ox, oy) (complété par l'axe oz perpendiculaire à ox et oy).
Le problème qui se pose alors est de déterminer avec précision
l'orientation de la face rayonnante de l'antenne par rapport au référentiel (IX,
IY, IZ). Cette orientation est définie par exemple par les valeurs de trois
rotations élémentaires :
- une rotation, que l'on peut qualifier de « défaut d'inclinaison » ou de « tilt », autour de l'axe IX réputé horizontal, de valeur δα ;
- une rotation, autour de l'axe IY, réputé vertical, de valeur δβ ;
- une rotation, dite « défaut de roulis », autour de l'axe oz, de valeur δγ.
Jusqu'à présent, le problème était résolu en usine, avant
l'installation de l'aérien sur le site d'essais en vue de sa qualification,
qualification comportant des mesures de diagrammes de rayonnement, de
gain, de précision de pointage... Cette opération en usine permettait de
mettre en oeuvre, à l'abri d'intempéries éventuelles, les procédés de la
métrologie classique utilisant des systèmes de mires et de visées optiques
au moyen de dispositifs à lasers.
L'inconvénient principal de la procédure habituelle est de
nécessiter l'immobilisation de l'antenne en usine pour une durée qui peut
être pénalisante, eu égard aux considérations de délai, et donc, par voie de
conséquence, de coût, toujours plus contraignantes.
Un brevet US 5 455 592 décrit un procédé de détermination de
l'erreur de pointage d'une antenne à balayage électronique, l'erreur étant due
à des défauts de réalisation de la face rayonnante de l'antenne.
La présente invention a pour objet un procédé de détermination de
l'erreur de calage de la face rayonnante d'une antenne réseau à balayage
électronique, qui ne nécessite pas l'immobilisation de l'antenne en usine, et
qui puisse être mis en oeuvre sur le site où l'antenne est exploitée, et ce, de
façon simple, sans nécessiter de mesures autres que celles normalement
requises pour sa qualification sur le site, une telle détermination pouvant en
outre être effectuée à nouveau après la mise en service de l'antenne, par
exemple en cas de dérive de ses caractéristiques par suite de son
vieillissement, ou en cas d'accident.
L'invention a pour objet un procédé de détermination sur site de
l'erreur de pointage d'une antenne à balayage électronique, erreur due à des
défauts de réalisation de la face rayonnante de l'antenne, en vue de la
correction de cette erreur, tel que défini par la revendication 1.
Les mesures font avantageusement partie des séries de mesures
réalisées lors de la qualification de l'antenne (détermination de la précision
de pointage de l'antenne). De préférence, on utilise les résultats d'au moins
dix mesures, effectuées chacune dans une direction de pointage différente,
et on en déduit, de manière statistique, les composantes de l'erreur de
calage de l'antenne.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la
description détaillée d'un mode de mise en oeuvre, pris à titre d'exemple non
limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel :
- la figure 1 est une représentation schématisée d'une antenne à balayage électronique, sur laquelle on a représenté les trièdres-repères servant à déterminer l'erreur de pointage, conformément au procédé de l'invention, et
- la figure 2 est une vue séparée du trièdre dans lequel on a représenté les composantes des rotations définissant l'erreur de pointage de l'antenne de la figure 1.
L'invention est décrite en détail ci-dessous en référence à une
antenne hyperfréquence plane à balayage électronique, mais il est bien
entendu qu'elle n'est pas limitée à cette seule application, et qu'elle peut être
mise en oeuvre pour les antennes de sonars, et pour différents types
d'antennes : réseaux non périodiques, réseaux non plans, réseaux
surfaciques ou volumiques.
Le procédé de l'invention tire avantageusement parti des résultats
des opérations de qualification d'une antenne sur le site où elle est installée,
mais il est bien entendu qu'il pourrait également être mis en oeuvre à partir
de mesures spécifiques réalisées indépendamment des opérations de
qualification.
Ces opérations de qualification, connues en soi, consistent
essentiellement, à partir de mesures optiques fines, généralement effectuées
avec un théodolite, à déterminer, pour N directions de l'espace que peut
balayer l'antenne, la précision de calage de l'antenne. De façon typique, N
peut être égal à 20. Cette précision de calage s'exprime généralement sous
forme de composantes des écarts angulaires entre la direction de pointage
commandée du faisceau et celle obtenue.
On a représenté en figure 1 une antenne 1 à balayage
électronique. Cette antenne 1 comporte un repère matérialisé 2 solidaire de
la structure de l'antenne et servant auxdites mesures optiques. Sur le repère
2 est figuré un trièdre de référence (I, X, Y, Z) dont les axes IX et IY sont
parallèles au plan de l'antenne et dont l'axe IZ est perpendiculaire à ce plan.
Dans le cas d'une antenne non plane, on définit un plan (I, X, Y)
pour lequel l'axe IZ (perpendiculaire à ce plan) coïncide avec la direction
centrale de l'angle solide de l'espace balayé par le faisceau de l'antenne.
D'autre part, on a défini sur la figure 1 un repère 3, réel ou virtuel
qui est un trièdre (o, x, y, z), homologue du trièdre du repère 2 et dont
l'orientation dépend de la qualité de réalisation de l'antenne. Si cette antenne
était parfaite, les axes des deux trièdres seraient respectivement parallèles
entre eux. Dans ce qui suit, on ne tient pas compte d'erreurs dues à d'autres
imperfections (fixation mécanique de l'antenne sur son support, fixe ou
mobile, ...) qui sont corrigées de façon connue en soi.
Le problème résolu par l'invention est d'aligner les repères 2 et 3,
c'est-à-dire de déterminer les rotations δα, δβ et δγ autour des axes IX, IY et
IZ respectivement (Figure 2), nécessaires pour rendre parallèles les axes ox,
oy et oz aux axes IX, IY et IZ respectivement, de façon que la direction de
pointage, commandée depuis le poste de commande du radar auquel
appartient l'antenne 1, coïncide avec la direction réelle de pointage du
faisceau de l'antenne 1. Connaissant ces rotations, le calculateur du poste
de commande tient compte de ces corrections lorsqu'il élabore les ordres de
pointage du faisceau de l'antenne.
On va d'abord décrire brièvement le procédé d'évaluation de la
précision de calage d'une antenne, tel qu'il est généralement pratiqué lors
de sa qualification.
On se donne un ensemble de N directions de l'espace définies
par leurs cosinus directeurs (ui vi) dans le repère (ox, oy). Pour chacune de
ces directions, on détermine l'erreur de pointage associée (δui δvi) en
comparant la direction commandée pour laquelle il y a annulation simultanée
des signaux d'écartométrie « gisement » et « site », à la direction
effectivement pointée, mesurée au moyen d'un théodolite installé sur le
trièdre de référence (IX, IY, IZ). La suite des opérations dépend de la façon
dont la précision de calage de l'antenne a été spécifiée: écarts-types
individuels sur u et v, écart quadratique moyen de l'erreur angulaire sur tout
ou partie du domaine balayé...
La méthode de restitution proposée suppose essentiellement que,
défaut d'orientation mis à part, la réalisation de l'antenne est parfaite du
point de vue mécanique. En d'autres termes, les erreurs « mécaniques » ont
été compensées, de façon connue en soi, et l'erreur de pointage du faisceau
est présumée prendre uniquement son origine :
- d'une part dans le défaut systématique d'orientation de la face rayonnante par rapport au référentiel matérialisé (IX, IY, IZ)
- d'autre part, dans les défauts, qualifiés de « radioélectriques », affectant les déphaseurs de pointage équipant l'antenne.
En ce qui concerne l'erreur de pointage induite par le défaut
d'orientation, les valeurs δα, δβ, δγ des rotations élémentaires sont
suffisamment petites pour justifier la linéarisation de cette erreur de la façon
suivante :
δui = vi .δγ + wi .δβ
δvi = ui .δγ - wi .δα
avec : 1 ≤ i ≤ N
où wi désigne le troisième cosinus directeur de la direction pointée numéro i w i = l - (u i )2 - (v i )2
où wi désigne le troisième cosinus directeur de la direction pointée numéro i
Pour ce qui est de la composante « radioélectrique », notée (Δui,
Δvi), des considérations d'ordre théorique conduisent à la considérer comme
aléatoire, gaussienne, centrée, indépendante d'un pointage à l'autre, Δui et
Δvi étant elles mêmes indépendantes entre elles, et d'écarts-types respectifs
σu et σv indépendants du pointage. Le modèle adopté pour l'erreur de
pointage s'exprime donc selon
δui = vi .δγ + wi .δβ + Δui
δvi = ui .δγ + wi .δα + Δvi
avec : 1 ≤ i ≤ N
Cette forme de l'erreur est particulièrement bien adaptée à
l'emploi de la méthode, connue en théorie de l'estimation statistique sous le
nom de « méthode du maximum de vraisemblance ». En bref, cette méthode
consiste à maximiser par rapport aux paramètres inconnus, en l'occurrence
les trois angles élémentaires de rotation, la probabilité (conditionnelle) de
mesurer les erreurs (δui, δvi) dans l'hypothèse où l'on connaítrait ces
paramètres. Dans le cas présent d'un « bruit » additif gaussien, les valeurs
les plus vraisemblables sont celles qui minimisent l'écart quadratique :
où µ représente le rapport des variances des composantes radioélectriques,
soit σu2/σv2. Ce rapport peut être évalué soit théoriquement à partir de la
structure de l'antenne et des propriétés statistiques des défauts de phase,
soit expérimentalement à partir de la mesure de la précision de pointage dite
« différentielle », définie comme la fluctuation de l'erreur de pointage, sur u
et sur v, en fonction de la fréquence, pour une direction pointée donnée.
Les valeurs optimales des angles définissant l'orientation de la
face rayonnante de l'antenne sont fournies par la relation matricielle
où les matrices colonnes Ui et Vi définissent les directions de mesures des
erreurs de pointage du faisceau
et M la matrice carrée d'ordre 3 (l'exposant T symbolise l'opération de
transposition)
Bien entendu, d'autres méthodes statistiques connues permettraient
d'obtenir les valeurs de δα, δβ et δγ à partir des résultats de mesures de
qualification.
A titre d'exemple, le procédé de l'invention a été mis en oeuvre pour
une antenne réseau plane à balayage électronique bidirectionnel. Les trois
rotations élémentaires ont été déterminées selon le critère du maximum de
vraisemblance. On a d'abord traité les résultats de mesure pour N = 20, et
on a obtenu respectivement :
δα = 4,79 m rad δβ = - 2,03 m rad δγ = - 1,83 m rad
δα = 4,79 m rad δβ = - 2,03 m rad δγ = - 1,83 m rad
On a ensuite traité les résultats de mesures en n'en prenant que la
moitié, et on a obtenu respectivement (donc pour N = 10)
δα = 4,81 m rad δβ = - 2,06 m rad δγ = - 1,72 m rad
δα = 4,81 m rad δβ = - 2,06 m rad δγ = - 1,72 m rad
On constate que l'écart entre ces deux séries de résultats est inférieur
au dixième de milliradian, valeur négligeable devant la précision de pointage
globale du radar, et que l'on peut prendre N≥ 10.
Claims (8)
- Procédé de détermination sur site de l'erreur de pointage d'une antenne à balayage électronique (1), erreur due à des défauts de réalisation de la face rayonnante de l'antenne, en vue de la correction de cette erreur, caractérisé en ce que :on pointe l'antenne dans N directions ;on mesure chaque direction effectivement pointée par rapport à un trièdre de référence (IX, IY, IZ) matérialisé par un premier repère (2), solidaire de la structure de l'antenne (1) ;on définit chaque direction d'ordre i par son cosinus directeur (ui, vi) dans un deuxième trièdre (ox, oy, oz) matérialisé par un repère (3) homologue au premier repère (2) et dont l'orientation dépend de la qualité de réalisation de l'antenne,on détermine l'erreur de pointage associée (δui, δvi) en comparant la direction commandée, pour laquelle il y a annulation simultanée des signaux d'écartométrie, à la direction effectivement pointée.
- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que - la direction effectivement pointée est mesurée au moyen d'un théodolite installé sur le trièdre de référence (IX, IY, IZ).
- Procédé l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'erreur de pointage étant déterminée par les rotations δα, δβ et δγ autour des axes IX, IY et IZ du trièdre de référence nécessaires pour rendre les axes ox, oy et oz du deuxième trièdre parallèles aux axes IX, IY et IZ respectivement, le défaut de réalisation de la face rayonnante comportant un défaut d'orientation de cette face rayonnante, l'erreur de pointage provoquée par ce défaut est définie par :
où wi désigne le troisième cosinus directeur de la direction pointée d'ordre i - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'erreur de pointage étant déterminée par les rotations δα, δβ et δγ autour des axes IX, IY et IZ du trièdre de référence nécessaires pour rendre les axes ox, oy et oz du deuxième trièdre parallèles aux axes IX, IY et IZ respectivement, le défaut de réalisation de la face rayonnante comportant un défaut affectant les déphaseurs de pointage équipant l'antenne, un défaut ayant pour composantes (Δui, Δvi) dans une direction d'ordre i, l'erreur de pointage provoquée par ce défaut est définie par :
où wi désigne le troisième cosinus directeur de la direction pointée d'ordre i - Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que l'estimation statistique des rotations δα, δβ et δγ utilise la méthode du maximum de vraissemblance.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on utilise au moins une partie des résultats de mesures effectuées lors de la qualification de l'antenne sur site.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est appliqué à une antenne de radar.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est appliqué à une antenne de sonar.
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