EP2174159A1 - Architecture radar modulaire - Google Patents

Architecture radar modulaire

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Publication number
EP2174159A1
EP2174159A1 EP08786693A EP08786693A EP2174159A1 EP 2174159 A1 EP2174159 A1 EP 2174159A1 EP 08786693 A EP08786693 A EP 08786693A EP 08786693 A EP08786693 A EP 08786693A EP 2174159 A1 EP2174159 A1 EP 2174159A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radar
elementary
antenna
units
radiating
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08786693A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Philippe Elleaume
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP2174159A1 publication Critical patent/EP2174159A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/03—Details of HF subsystems specially adapted therefor, e.g. common to transmitter and receiver
    • G01S7/032—Constructional details for solid-state radar subsystems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
    • G01S13/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
    • G01S13/44—Monopulse radar, i.e. simultaneous lobing
    • G01S13/4463—Monopulse radar, i.e. simultaneous lobing using phased arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0025—Modular arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
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    • G01S2013/0236—Special technical features
    • G01S2013/0245—Radar with phased array antenna
    • G01S2013/0254—Active array antenna
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S2013/0236—Special technical features
    • G01S2013/0272—Multifunction radar

Definitions

  • the present invention relates to radar architectures. It relates more particularly to the architecture of electronic scanning radars, comprising an antenna capable of exploring an area of the space deposit and site by electronic scans of one or more digitally controlled beams.
  • multi-mission radars we generally mean radars capable of carrying out several types of functions during the same operating phase (monitoring, detection, tracking), the realized function being able to be different according to the portion of the space considered. to perform different missions at different times, to order different missions or to take on different roles within a larger surveillance structure.To have a multi-mission radar allows both to reduce the number of radars needed operations, and to increase the operational performance of the systems implemented.
  • multi-mission radar is also, in a known manner, intimately linked to the notion of electronic scanning, a feature that can be implemented both in the context of a rotating antenna and a fixed antenna.
  • the need for flexibility in the management of space and time, which characterize multi-mission radars requires at least the means to achieve an electronic scan in two planes, a horizontal plane (scanning in a bearing or azimuth) and a vertical plane (sweep in elevation or elevation).
  • the search for the multi-mission character leads to the development of radar equipment having the capacity to simultaneously form several observation beams pointed in different directions of space and generally intended for the execution of different tasks.
  • the definition of a new radar generally requires the definition of a new antenna specifically adapted to the needs, as well as that of the interconnection of this antenna with the various subassemblies. in particular responsible for the synthesis of the transmitted signal and the demodulation of the signal picked up by this antenna.
  • An object of the invention is to propose a means for simplifying the design of multimission radars based on the implementation of active electronic scanning antenna Another goal is to allow the realization of radars whose operational capabilities can be changed without physical modification. Another goal is to allow the realization of evolving radars which can integrate new functions not included in the initial definition and whose different functions can be updated without the need to modify from a material point of view the -sets and / or interfaces between the different subsets.
  • the invention relates to a modular radar architecture, characterized in that it comprises a plurality of identical elementary radar units in parallel, each unit comprising itself:
  • a standard radiating surface comprising N radiating elements, capable of radiating and picking up microwave waves
  • microwave transmission and detection means for generating and transmitting to the radiating elements a hyper-frequency wave of given shape and power as well as for amplifying the microwave waves picked up by the radiating elements,
  • reception means for performing the video band transposition of the collected microwave waves and the digitization of the video signals obtained
  • digital processing means for conditioning the digital signals provided by the receiving means
  • the architecture according to the invention also comprises:
  • a plurality of elementary radar units - a subset responsible for the general synchronization of the structure, supplying each subset with an identical set of reference signals,
  • the different subsets are interconnected by an appropriate data and signal exchange structure.
  • FIG. 1 a block diagram specifying the decomposition into functional zones of a conventional passive electronic scanning antenna radar
  • FIG. 2 a block diagram specifying the decomposition into functional zones of an active antenna radar
  • FIG. 3 a block diagram specifying the decomposition into functional zones of a radar defined on the basis of the architecture according to the invention
  • FIG. 4 a block diagram making it possible to present the different types of subassemblies constituting the architecture according to the invention
  • FIGS. 6 and 7 illustrations relating to a first example of implementation of the architecture according to the invention
  • FIG. 8 an illustration relating to a second exemplary implementation of the architecture according to the invention
  • FIGS. 9 and 10 illustrations relating to a third example. implementation of the architecture according to the invention.
  • subassemblies to radiate or pick up electromagnetic waves.
  • a scanning radar equipped with a passive antenna it is for example subassemblies January 1 comprising all the elements allowing a radiating element 12, or a set of radiating elements forming a radiating source constituting the antenna for radiating the electromagnetic wave generated by the transmitter 13 as well as those for transmitting to the receiver 14 the electromagnetic waves picked up by the radiating element 12.
  • Such a subset 1 1 is considered as naturally parallelizable in that its integration into the system is achieved by connecting it to the inputs / outputs of the system provided for this purpose; the addition or deletion of a module of this type to modify the overall operation of the system having no impact on the intrinsic function of other subsets of the same type.
  • the C-Class mainly consists of digital functional subsystems, performing functions of processing signals received after digitization or digital data processing and management, functions that are implemented by "multinode” digital processing machines capable of performing various operations, known to those skilled in the art, such as pulse compression, doppler filtering 1 6, management of waveforms, etc.
  • node ie “processing node”
  • processing node is meant here a processor, mono or multinoyau (or “core” according to the English name), with its external memory (SRAM and / or DRAM) and its communication links with the communication network or internodes allowing the various nodes of the machine to exchange information
  • the number and size of the machines implemented depend essentially on the number of types of functions performed as well as the computing capacity of these machines. nes. Adding or removing such functional subsets is therefore done by activating or deactivating calculation routines and / or adding a processing node. This operation generally has no impact on the architecture integrating the machines used, provided that it has the necessary flexibility.
  • Class B is for developed radars currently the part of the system with the least provisions to undergo changes without requiring major revisions.
  • Class B machines are also machines that perform more specific functions of each designed radar. It includes in particular all analog functional subsystems such as synthesizers 17 whose function is, in general, to provide the other subsets synchronization signals and clock signals, signals generally specific to the sub-system. together for which they are intended.
  • synthesizers 17 whose function is, in general, to provide the other subsets synchronization signals and clock signals, signals generally specific to the sub-system. together for which they are intended.
  • transmitter subassemblies 13 and receiver 14 or the subset 18 responsible for climate conditioning system There are also transmitter subassemblies 13 and receiver 14 or the subset 18 responsible for climate conditioning system.
  • Such a radar system comprising a large number of functional subassemblies of class B, is therefore inherently immature, so that, for example, two radars with distinct functional characteristics can not be designed from the same hardware structure, even if they have identical basic functionalities.
  • Their implementation uses separate hardware devices (transmitter, receiver, synchronization signal generation module, or interconnection structure for example) personalized and specific to each system and therefore not interchangeable.
  • FIG. 2 is then considered which shows the distribution, in the three structural classes defined above, of the various constituent sub-assemblies of an active-antenna electronic scanning radar as it can be developed at present.
  • such radars are generally designed by starting from a simple adaptation of the architectures developed to realize radar with electronic scanning passive antenna.
  • the proportion of subsets belonging to class B thus remains important, as illustrated in the figure.
  • it is generally sufficient to modify the transmission chain by replacing the single transmitter 13 (for example an electronic power tube) and the distribution circuit 19 of the microwave to the radiating elements 22, by sending circuits
  • the single transmitter 13 for example an electronic power tube
  • the distribution circuit 19 of the microwave to the radiating elements 22
  • This type of approach has the immediate advantage of limiting the technological risks incurred when it is decided to design an active antenna radar.
  • the development costs are further limited to the development part needed to integrate new radiating sources each comprising a transmission module.
  • This approach also increases, in a natural way, the number of subassemblies belonging to the class A of the modules with natural parallelization by integrating the modules participating in the emission. The emitted power thus becomes a modulable characteristic, since the function is proportional to the number of transmission channels implemented.
  • such an approach does not in itself make it possible to envisage the parallelization of the reception functions.
  • each subassembly 31 constitutes an autonomous assembly that integrates all the means allowing radiation and microwave wave capture but also the means for generating, demodulating and conditioning these waves.
  • a radar structure advantageously consists of an association of independent subassemblies which can be configured separately and arranged to achieve the desired operational functions.
  • FIG. 4 which presents a schematic diagram showing the different types of subsets defining a radar architecture according to the invention.
  • the architecture is here presented in a partial way, focusing on the subsets responsible for performing the functions relating to the transmission, reception, local synthesis of the main synchronization signals, the synthesis of the emitted waveform and radar signal processing, objects of the invention claimed herein.
  • Subassemblies located downstream of these subsets, which are in particular responsible for the processing of the data developed from the received signals are not here, for the sake of clarity, not shown.
  • the radar architecture according to the invention mainly comprises: a first type 41 of sub-assembly, or "Building-Block" according to the English terminology, consisting of an elementary radar unit, or mini-radar;
  • a second type of subassembly 42 consisting of a signal generator intended for overall synchronization
  • a third type 43 of a subassembly consisting of one or more parallel signal processing machines (computers).
  • the first type of subassembly 41 an elementary radar unit, comprises mainly: a radiating face 41 having N radiating elements mounted on a supporting structure (substrate),
  • microwave circuits 412, or TR modules each comprising a solid state emitter device associated with a microwave phase shifter, and a microwave reception head itself comprising an amplifier and limiter device low noise,
  • N receiver modules 413 also comprising a circuit for digitizing the video signal
  • a module 414 for the local digital processing of the received signals, after digitization This device makes it possible, in particular, to condition the signals received by the various elements of the radiating face. By conditioning means, among other operations, the combination with the desired amplitudes and phases, after digitization, of the signals picked up by the radiating elements constituting the radiating face, a combination making it possible to constitute one or more primary reception beams in the direction or directions ( s) desired.
  • a module 415 a local waveform and synchronization generator, whose role is to synthesize all of the synchronization signals and analog reference signals from the common signals generated by the single subset.
  • -etemble 41 thus comprises all the resources necessary to transmit and receive a microwave on N channels. It also includes the resources for processing the waves received on all the N channels and, among other operations, combining the different paths together to form different beams that can be pointed in different directions. That is why it is defined here as an active, independent, or mini-radar elementary radar unit.
  • the second type of subassembly 42 comprises all the means making it possible to coordinate a plurality of subassemblies 41, that is to say to associate in their operation several elementary radar units, to form a larger radar system.
  • it comprises means for synthesizing, on the one hand high-level synchronization signals, and on the other hand to synthesize one or more reference local oscillators.
  • these generic reference signals are advantageously identical for all the subsets to which they are provided.
  • the particular synchronization signals necessary for the individual operation of each of the elementary units 41 are synthesized locally at the level of the units from the synchronization signals supplied by the subset 42.
  • the general synchronization signals are distributed to the various subsets via point-to-point links 421 (electrical, optical, etc.).
  • the third type of subassembly 43, data management and global digital processing module) comprises one or more parallel numerical machines (computers), arranged so as to be able to perform all the operations of digital processing of the signals delivered by the elementary radar units 41 as well as so as to be able to develop and deliver to these same elementary radar units the information, commands, necessary for each unit to determine its own mode of operation.
  • parallel numerical machines computers
  • the local digital processing devices 414 located at the level of the elementary radar units 41 and the module 43 cooperates according to the following general principle:
  • Each module 414 of local digital processing mainly performs the processing and the association of the digital data corresponding to the N receive channel that the elementary radar unit to which it belongs. This association aims to combine the digital data of the different reception channels to form a given number M of beams pointing different directions of space; digital beam formation using techniques known to those skilled in the art and not developed here. In doing so, the flow rate of the data produced at the output of treatment is incidentally reduced.
  • each module 414 transmits data to the global processing module 43 which recombines the data from the different elementary radar units to form one or more global beams representing the signal generally received by the radar in a given direction.
  • the recombined data forming each global beam are processed separately by conventional radar signal processing methods.
  • the distribution of the digital processing tasks of the signals received between the local processing modules 414 and the global processing module 43 can vary from one configuration to another in order to optimize the processing. computational load overall and consequently the processing time and the number of calculation units used.
  • the architecture of this third type of subassembly 43 is defined so that the overall building block capacity can be modulated by simply adding or removing one or more processing nodes without the need to retouch at the interfaces between the different building blocks.
  • the implementation of the different computers is carried out so that an operation contributing to the realization of a more general operation of treatment can be performed by one or the other machine depending on the composition Exactly the subset 43, the execution of a function can thus be advantageously distributed over all the machines present in the subset for a given configuration.
  • the digital data 431 from or to the other subsets are conveyed by a dedicated communication bus.
  • the three types of subassemblies constituting the architecture according to the invention advantageously make it possible, by themselves, to constitute radar structures corresponding to various operational requirements and having characteristics for this purpose.
  • functional data in terms of angular precision and worn for example.
  • the desired number of elementary radar structures (mini-radars) 41 are assembled by assembling the radiating faces in particular by arranging them on a mechanical structure of reception. 51 so as to constitute a global antenna having the desired geometry. It is also generally necessary to add a single subassembly 43 intended to perform the overall processing of the signals supplied by the elementary radar structures 41, as well as a single subassembly 42 intended to supply the general synchronization signals.
  • This structure of digital data exchange, analogue reference signals (local oscillators) and synchronization signals can obviously be implemented in different ways, both from the point of view of the technical realization and from the point of view of the material organization of the exchanges and that from the point of view of the exchange protocols implemented.
  • the conditions required for its design are simply those related to the need to maintain the architecture according to the invention a highly evolutionary character.
  • the exchange structure must make it possible to integrate a variable number of elementary radar units and to make the mode of operation of each of these units completely configurable and to provide the module 42 with the information necessary to exploit the data provided by each unit.
  • elementary radar units 41 taking into account how each of the units is configured.
  • the radar architecture according to the invention is therefore a modular architecture in which the characteristic elements constituted by the elementary radar units 41 operate with a high degree of autonomy relative to each other. to others, which makes the overall operation of the architecture advantageously parameterizable.
  • Radar equipment designed according to this architecture is by nature evolving both in terms of the range of functionalities achieved and the overall performance achieved. Changing the operational performance of the equipment can be easily modified by adding or removing one or more elementary radar units 41 (typically the number of units 41 may vary from 1 to a few hundred), as well as by modifying the data processing routines implemented by the device devices.
  • This architecture therefore responds well to the problem which consists in particular in designing scalable multi-mission radar equipment that can, from a given configuration, evolve in a simple way to various configurations, according to new operational requirements.
  • FIGS. 6 and 7, illustrate a first example of application of the modular radar architecture according to the invention.
  • An important advantage of the radar architecture according to the invention consists in the great modularity of the assembly.
  • This modularity advantageously finds its application in this first example of implementation, in which the problem to be solved consists in finding the means of widening the emission lobe of the radar.
  • the use of a radar whose structure is in accordance with the architecture according to the invention makes it possible to propose a simple and adapted solution.
  • the problem posed here can be advantageously solved by implementing an operating mode in which the elementary radar units are parameterized so as to constitute an antenna 61 divided into several zones, two zones 61 and 62 on FIG. 6, each zone forming a transmission sub-antenna of smaller size. Each sub-antenna is also associated, a central frequency of own emission and a given bandwidth.
  • the global antenna is divided into two sub-antennas, each sub-antenna being respectively associated with the central transmission frequencies fe 1 and fe 2 .
  • the passbands B 'of the transmitted waves have a width that is substantially equal and of a value such that, taking into account the values of the frequencies f ⁇ i and fe 2 , and of the width of the bandwidth B of the receivers of the elementary radar units, the waves emitted by each of the two sub-antennas have disjointed bandwidths. It is thus advantageously possible, without modifying the physical structure of the radar, to have two transmitters, each of size equal to half the size of the overall antenna and thus producing a transmission pattern advantageously widened in the field. compared to that of the global antenna.
  • the signals emitted by the two sub-antennas having a frequency spectrum covered by the bandwidth of the receivers, the entirety of the energy radiated in a direction of space and reflected by a target is received by the receiver. antenna so that the reception of the signal is carried out without loss although the beam is widened on transmission.
  • This concept can naturally be extended to the constitution of more than two transmit antennas and on both axes (azimuth and elevation).
  • the important advantage obtained by the decomposition of the architecture according to the invention into a plurality of elementary radar units synchronized at high level by a general synchronization module particularly sensitive when the desired configuration requires to be able to drive each radiating sources separately.
  • the preceding example represents only one use among others of this advantageous characteristic of the invention.
  • an advantageous application of the architecture according to the invention consists in using this architecture to produce an active electronic scanning radar using a fixed antenna with four radiating panels, such as that illustrated in FIG.
  • Such an antenna makes it possible, for example, to obtain a refresh time of the incompatible scanning of a conventional rotating system (order of magnitude: 0.1 s instead of 1 s)
  • the architecture according to the invention proves particularly advantageous in that it makes it possible to produce an antenna whose adjacent panels, 81 and 82 for example, emit waves of frequencies Fe 1 and Fe 2 different from each other. so that the reception performed by each of the two panels considered, is not affected by the signal transmitted by one of the adjacent faces and this using a single unit 42 for the four faces.
  • the architecture according to the invention proves particularly advantageous in that it makes it possible to produce an antenna whose adjacent panels, 81 and 82 for example, emit waves of frequencies Fe 1 and Fe 2 different from each other. so that the reception performed by each of the two panels considered, is not affected by the signal transmitted by one of the adjacent faces and this using a single unit 42 for the four faces.
  • the elementary radar units are divided into four panels 81 to 84 placed back to back so as to form an antenna of parallelepipedal shape, the panels 81 and 83 on the one hand and 82 and 84 on the other hand form two groups of opposing panels (A and C on the one hand, B and D on the other hand), the emission frequency being the same (respectively Fei and Fe 2 ) for the two panels of one same group.
  • FIGS. 9 and 10 illustrate a second example of application of the modular radar architecture according to the invention.
  • This example illustrates how the architecture according to the invention advantageously makes it possible, in a simple manner, to realize a radar equipment capable of performing recognition, identification, and detected and non-cooperative detection functions ("NCTR" or "Non Cooperative” function Target Recognition "according to the Anglo-Saxon denomination).
  • NCTR recognition, identification, and detected and non-cooperative detection functions
  • Target Recognition According to the Anglo-Saxon denomination.
  • the advantageous characteristic put forward by this application consists in the possibility offered of being able to define the waveform applied to each of the units 41 constituting the radar antenna independently of one unit to another.
  • the realization of the NCTR function assumes that the radar used is capable of transmitting and receiving a modulated wave over a very wide band.
  • the conventional "narrow band" approximation no longer works as soon as the antenna exceeds a size substantially greater than one meter. There is therefore a need to compensate for propagation delays in the antenna. These delays are mainly a function of the position of the sensor considered and the misalignment of the antenna beam formed. Thus, for example, for an antenna 5 meters in diameter, the catch-up at the periphery with respect to the center of the antenna can reach a maximum value of +/- 5 ns.
  • this compensation is not easy and often, a specific compensation for each source constituting the antenna is impossible by design.
  • this correction operation can be advantageously implemented simply as well on reception as on transmission.
  • the radar architecture according to the invention provides a reception and digitization device on each reception channel of each elementary radar unit.
  • the compensation may advantageously be performed as a simple digital correction operation of the signal received on each channel.
  • the correction can thus be performed digitally in a simple and precise manner.
  • the emitted wave it is advantageous to proceed in the manner illustrated by FIGS. 9 and 10.
  • the emitted microwave pulse is synthesized by modulating the local oscillator OL 1 provided by the general synchronization module 42, by a signal Fl consisting of a local oscillator OL 2 in intermediate frequency itself modulated a ramp linear frequency frequency R, frequency deviation varying between - ⁇ f and + ⁇ f on a time interval equal to ⁇ t.
  • a frequency ramp extending over a range of 300 MHz (-150 MHz to +150 MHz) is applied during a time interval equal to 30 ⁇ s corresponding to the duration of the transmitted pulse.
  • the synthesis of the signal R is carried out in the same way for all the elementary radar units 41, so that the frequency of the modulation ramp R is zero in the middle of the duration of the pulse transmitted in accordance with FIG. the curve 101 of FIG. 10.
  • the synthesis of the signal R is carried out differently for each unit 41; so that for some units 41, the passage of the signal R by a zero frequency occurs for a time before or after the instant t 0 corresponding to the middle of the transmitted RF pulse.
  • the frequency deviation of the signal R is no longer centered on a zero frequency, but shifted by a difference in frequency ⁇ f positive or negative, according to the curve 102 of FIG. 10.
  • This frequency difference ⁇ f is translated at the level of the microwave wave emitted by the corresponding time shift ⁇ t, this time difference being measured with respect to a general synchronization signal of the emissions sent identically to all the units 41.
  • the microwave pulses emitted by a given elementary radar unit may appear on time, in advance or late.
  • the architecture according to the invention therefore advantageously makes it possible to generate separately, for each radiating element, a delay, variable at emission between -5 ns and +5 ns in the example of FIG. 9, making it possible to compensate for the variations of propagation time appearing between the different radiating sources according to their positions on the antenna.
  • the problems related to the implementation of the function WHR are thus naturally resolved by the use of the architecture according to the invention.
  • the architecture according to the invention also makes it possible to perform functions for refining angular measurements, of the monopulse deviation type.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

La présente invention concerne le domaine des radars à balayage électronique actif. Elle propose une architecture pour radar à antenne active, basée sur une unité fonctionnelle, l'unité radar élémentaire. L'unité radar élémentaire regroupe l'ensemble des fonctions nécessaire pour générer N voies radar indépendantes. A ce titre elle comporte une face rayonnante avec N éléments rayonnants et des moyens pour générer de manière indépendante l'onde radar émise par chacun des éléments rayonnants et l'ensemble des fonctions pour effectuer la réception et des ondes captées par cet élément rayonnant, ainsi que la numérisation du signal vidéo obtenu après réception. Elle comporte en outre des moyens locaux de traitement numériques permettant de traiter conjointement les signaux numérisés provenant de N voies. L'association de M unités radar élémentaires avec un module de synchronisation général et un module global de traitement numérique permet avantageusement de constituer un radar réellement modulaire, dont la configuration peut évoluer, notamment en fonction de l'évolution des fonctions assignée au radar considéré.

Description

Architecture radar modulaire
La présente invention se rapporte aux architectures radar. Elle concerne plus particulièrement l'architecture des radars à balayage électronique, comportant une antenne capable d'explorer un domaine de l'espace en gisement et en site par balayages électronique d'un ou plusieurs faisceaux pilotés numériquement.
Que ce soit dans le domaine de la détection radar SOL/AIR ou dans celui de la détection MER/AIR, les exigences opérationnelles actuelles poussent à la réalisation d'équipements radars multimissions. Par radars multimissions" on entend généralement des radars capables de réaliser plusieurs types de fonctions durant une même phase de fonctionnement (veille détection, poursuite) la fonction réalisée pouvant être différente suivant la portion de l'espace considérée. On entend également des radars capables de réaliser en des instants différents, sur commande, des missions différentes ou d'assumer des rôles différents au sein d'une structure de surveillance plus vaste. Disposer d'un radar multimission permet tout à la fois de réduire le nombre de radars nécessaires aux besoins opérationnels, et d'augmenter les performances opérationnelles des systèmes mis en oeuvre.
La notion de radar multimission est par ailleurs, de manière connue, intimement liée à la notion de balayage électronique, fonctionnalité qui peut être mise en œuvre aussi bien dans le cadre d'une antenne tournante que d'une antenne fixe. Dans les deux cas, les besoins de souplesse dans la gestion de l'espace et du temps, besoins qui caractérisent les radars multimissions, demandent de disposer, au minimum, de moyens pour réaliser un balayage électronique selon deux plans, un plan horizontal (balayage en gisement ou azimut) et un plan vertical (balayage en site ou élévation). Pour certaines applications particulières, la recherche du caractère multimission conduit à développer des équipements radars possédant la capacité de former de manière simultanée plusieurs faisceaux d'observation pointés dans des directions différentes de l'espace et généralement destinés à l'exécution de tâches différentes. On peut ainsi avec un même équipement réaliser simultanément des missions de surveillance du domaine aérien, de surveillance du domaine terrestre, de poursuite de cibles et/ou de guidage de projectiles ou d'aéronefs. Cette approche est rendue par ailleurs envisageable grâce aux progrès technologiques réalisés dans le domaine de rémission hyperfréquence à "Etat Solide", c'est à dire de l'émission à partir de modules d'émission à semi-conducteurs. La miniaturisation de tels composants, ainsi que la forte amélioration des rendements énergétiques rend à l'heure actuelle tout à fait possible la mise en œuvre d'antennes actives constituées d'éléments rayonnants répartis sur une surface donnée, chaque élément rayonnant étant alimenté par un module actif séparé, de sorte que l'équipement radar dispose d'un émetteur par source spatialement indépendante. Le ou les faisceaux d'observations sont alors par suite formés par combinaison spatiale des faisceaux élémentaires formés par tout ou partie des sources constituant l'antenne globale. Une telle technologie est à ce jour tout à fait réalisable, tant au niveau technique qu'économique, pour la réalisation d'antennes à balayage électronique, en particulier pour des équipements fonctionnant dans les bandes centimétriques (L, S, C et X). Par suite la conception d'un radar multimission en Bande centimétrique inclut naturellement la mise en œuvre d'une antenne active à balayage électronique 2 plans.
Si les progrès technologiques rendent abordable la conception d'équipements radars multi-missions, ces équipements restent néanmoins relativement plus coûteux, notamment à la conception, que des équipements radars plus classiques, tels que des radars à antennes tournantes conventionnelles pour lequel le balayage électronique est par exemple réalisé selon un seul plan, le plan vertical (balayage en site ou élévation), le balayage selon le plan horizontal (balayage en gisement ou azimut) étant réalisé par la rotation de l'antenne. Ce différentiel de coût est en outre rendu plus sensible du fait qu'à l'heure actuelle, la réalisation d'un radar multimission passe par une étape de définition originale spécifiquement adapté aux rôles opérationnels dévolus au radar considéré, aucune structure n'étant proposée qui permette de développer sur une même base conceptuelle différents modèles de radars multi-missions. En particulier, la définition d'un nouveau radar, passe généralement par la définition d'une nouvelle antenne spécifiquement adaptée aux besoins, ainsi que par celle de l'interconnexion de cette antenne avec les différents sous-ensembles chargés notamment de la synthèse du signal émis et de la démodulation du signal capté par cette antenne.
Un but de l'invention est de proposer un moyen permettant de simplifier la conception des radars multimissions basés sur la mise en œuvre d'antennes à balayage électronique actives Un autre but est de permettre la réalisation de radars dont les capacités opérationnelles peuvent être modifiées sans modification physique. Un autre but encore est de permettre la réalisation de radars évolutifs pouvant intégrer de nouvelles fonctions non incluses dans la définition initiale et dont les différentes fonctions peuvent être mises à jour sans qu'il soit nécessaire de modifier d'un point de vue matériel les sous-ensembles et/ou les interfaces entre les différents sous- ensembles. A cet effet l'invention a pour objet une architecture radar modulaire, caractérisée en ce qu'elle comporte une pluralité d'unités radar élémentaires identiques mis en parallèle, chaque unité comportant elle-même:
- une surface rayonnante standard comportant N éléments rayonnants, apte à rayonner et à capter des ondes hyperfréquence,
- des moyens d'émission et de détection hyperfréquence, pour générer et transmettre aux éléments rayonnants une onde hyper fréquence de forme et de puissance données ainsi que pour amplifier les ondes hyperfréquence captées par les éléments rayonnants,
- des moyens de réception pour effectuer la transposition en bande vidéo des ondes hyperfréquence captées et la numérisation des signaux vidéos obtenus,
- des moyens de traitement numérique, pour effectuer le conditionnement des signaux numériques fournis par les moyens de réception;
- des moyens de synthèse des signaux hyperfréquence associés à un générateur de formes d'ondes piloté numériquement. les moyens de synthèse des signaux hyperfréquence, les moyens d'émission et les moyens de réception étant constitués chacun de N dispositifs indépendants agencés pour former, avec les N éléments rayonnants, N voies indépendantes; les moyens de traitement et les moyens de synchronisation étant communs à l'ensemble des voies. Dans une forme de réalisation préférée l'architecture selon l'invention, comporte également:
- une pluralité d'unités radar élémentaires selon l'invention - un sous-ensemble chargé de la synchronisation générale de la structure, fournissant à chaque sous-ensemble un jeu de signaux de référence identique,
- un sous-ensemble de traitement numérique global chargé de réaliser le traitement des signaux conditionnés fournis par chacune des unités radar élémentaires,
Les différents sous-ensembles étant reliés entre eux par une structure appropriée d'échange de données et de signaux.
Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux appréciés grâce à la description qui suit, description qui expose en particulier l'invention au travers d'applications particulières prises comme exemple non limitatif et qui s'appuie sur les figures annexées, figures qui représentent:
- la figure 1 , un synoptique précisant la décomposition en zones fonctionnelles d'un radar à antenne à balayage électronique passive classique,
- la figure 2, un synoptique précisant la décomposition en zones fonctionnelles d'un radar à antenne active,
- la figure 3, un synoptique précisant la décomposition en zones fonctionnelles d'un radar défini à partir de l'architecture selon l'invention,
- la figure 4, Un schéma synoptique permettant de présenter les différents types de sous-ensembles constituant l'architecture selon l'invention,
- la figure 5, un schéma synoptique présentant la structure d'un équipement radar conçu à partir de l'architecture selon l'invention;
- les figures 6 et 7, des illustrations relatives à un premier exemple de mise en œuvre de l'architecture selon l'invention,
- la figure 8, une illustration relative à un deuxième exemple de mise en œuvre de l'architecture selon l'invention, - les figures 9 et 10, des illustrations relatives à un troisième exemple de mise en œuvre de l'architecture selon l'invention.
On s'intéresse dans un premier temps à la figure 1 .
Comme il a été dit précédemment, un des défits proposés actuellement aux concepteurs de systèmes radars, consiste à trouver les moyens pour concevoir des architectures en mesure de subir, pour des coûts les plus bas possible, des évolutions à la fois fonctionnelles et technologiques. Ces évolutions consistent par exemple dans le remplacement de sous-ensembles existants par des sous-ensembles réalisant des fonctions similaires de manière plus performantes ou encore par des sous-ensembles réalisant des fonctions identiques mais dont le coût de fabrication et/ou l'encombrement sont plus réduits. Ces évolutions passent encore par l'ajout de fonctions additionnelles non présentent dans l'équipement d'origine. Dans tous les cas, du fait bien souvent de leur degré de sophistication, l'évolution de ces systèmes radars passent généralement, entre autres choses, par des modifications importantes des éléments d'infrastructure essentiels que constituent les interfaces. Si bien qu'un système radar est généralement assez peu évolutif, toute évolution de la technologie, des fonctionnalités ou des performances, se traduisant par une restructuration plus ou moins importante du système. L'illustration de la figure 1 permet de bien évaluer les causes de cet état de fait dans le cadre d'un radar à balayage électronique passif.
La structure générale de ce type de radar, bien connue de l'homme du métier, n'est pas détaillée ici. On constate simplement ici, qu'il est possible de classer les sous-ensembles constitutifs d'un tel radar en trois classes structurelles:
- La classe A, regroupant les sous-ensembles fonctionnels qui sont naturellement parallélisables et présents en grand nombre dans chaque radar; - La classe C, regroupant des sous-ensembles fonctionnels intégrés dans une structure commune;
- la classe B, des sous-ensembles fonctionnels ne pouvant être classés ni dans la classe A, ni dans la classe B.
Dans la classe A on trouve en particulier les sous-ensembles permettant de rayonner ou de capter les ondes électromagnétiques. Dans le cas d'un radar à balayage électronique pourvu d'une antenne passive, il s'agit par exemple des sous-ensembles 1 1 comportant l'ensemble des éléments permettant à un élément rayonnant 12, ou un ensemble d'éléments rayonnants formant une source rayonnante, constituant l'antenne de rayonner l'onde électromagnétique générée par l'émetteur 13 ainsi que ceux permettant de transmettre au récepteur 14 les ondes électromagnétiques captées par l'élément rayonnant 12. Un tel sous-ensemble 1 1 est considéré comme naturellement parallélisable en ce sens que son intégration au système est réalisée en le raccordant aux entrées/sorties du système prévues à cet effet; l'ajout ou la suppression d'un module de ce type pour modifier le fonctionnement global du système étant sans incidence sur le fonctionnant intrinsèque des autres sous-ensembles de même type.
La Classe C est principalement constituée des sous-ensembles fonctionnels numériques, réalisant des fonctions de traitement des signaux reçus après numérisation ou de traitement et de gestion de données numériques, fonctions qui sont implémentés par des machines numériques de traitement "multinœud" capables d'effectuer des opérations diverses, connues de l'homme du métier, telles que la compression d'impulsion, le filtrage doppler 1 6, la gestion des formes d'ondes etc.. Par "nœud" (i. e. "nœud de traitement") on entend ici un processeur, mono ou multinoyau (ou "core" selon la dénomination anglo-saxonne), avec sa mémoire externe (SRAM et/ou DRAM) et ses liens de communication avec le ou les réseaux de communication internœuds permettant aux différents nœuds de la machine d'échanger des informations Le nombre et la taille des machines mises en œuvre dépendent essentiellement du nombre du type de fonctions réalisées ainsi que la capacité de calcul de ces machines. L'ajout ou la suppression de tels sous-ensembles fonctionnels se fait donc par activation ou désactivation de routines de calcul et/ou adjonction de nœud de traitement. Cette opération est généralement sans incidence sur l'architecture intégrant les machines utilisées, pour peu que celle-ci présente la souplesse nécessaire.
La classe B quant à elle, constitue pour les radars développés actuellement la partie du système présentant le moins de dispositions pour subir des évolutions sans requérir des remaniements importants. Les machines de la classe B sont en outre des machines qui remplissent des fonctions plus spécifiques de chaque radar conçu. On y compte en particulier tous les sous-ensembles fonctionnels analogiques tels que les synthétiseurs 17 dont la fonction consiste, de manière générale, à fournir aux autres sous- ensembles des signaux de synchronisation et des signaux d'horloge, signaux généralement spécifiques au sous-ensemble auxquels ils sont destinés. On y compte également les sous-ensembles émetteur 13 et récepteur 14 ou encore le sous-ensemble 18 chargé du conditionnement climatique du système.
Un tel de système radar, comportant un nombre important de sous- ensembles fonctionnels de la classe B, est donc, par nature, peu évolutif, de sorte que, par exemple, deux radars présentant des caractéristiques fonctionnelles distinctes ne peuvent être conçus à partir d'une même structure matérielle, et ce, même s'ils présentent des fonctionnalités de base identiques. Leur réalisation fait appel à des équipements matériels distincts (émetteur, récepteur, module de génération des signaux de synchronisation, ou encore structure d'interconnexion par exemple) personnalisés et propre à chaque système et donc non interchangeables.
On considère ensuite la figure 2 qui présente la répartition, dans les trois classes structurelles définies précédemment, des différents sous- ensembles constitutifs d'un radar à balayage électronique à antenne active tel qu'il peut être développé actuellement.
Comme l'illustre la figure, de tels radars sont généralement conçus en en partant d'une simple adaptation des architectures développées pour réaliser des radars à balayage électronique à antenne passive. La proportion de sous-ensembles appartenant à la classe B y reste donc importante, comme l'illustre la figure. De fait, pour développer un radar à balayage électronique à antenne active, on se contente généralement de modifier la chaîne d'émission en remplaçant l'émetteur unique 13 (par exemple un tube électronique de puissance) et le circuit 19 de distribution de l'onde hyperfréquence vers les éléments rayonnants 22, par des circuits émetteurs 23 à semi-conducteurs (émetteurs à état solide) localisés au niveau de chaque source rayonnante 21. En revanche, en ce qui concerne le reste de l'architecture, rien n'est modifié.
Ce type de démarche présente l'avantage immédiat de limiter les risques technologiques courus lorsque l'on décide de concevoir un radar à antenne active. Dans la mesure ou la structure utilisée reste très proche de celle d'un radar à antenne passive, on limite en outre les coûts de développement à la part de développement nécessaire pour intégrer de nouvelles sources rayonnantes comportant chacune un module d'émission. Cette démarche accroît en outre, de manière naturelle, le nombre de sous-ensembles appartenant à la Classe A des modules à parallélisation naturelle en y intégrant les modules participant à l'émission. La puissance émise devient ainsi une caractéristique modulable, puisque fonction proportionnelle au nombre de voies d'émission implémentées. En revanche, une telle démarche ne permet pas en elle-même d'envisager la parallélisation des fonctions de réception.
On s'intéresse ensuite à la figure 3, qui présente le concept d'architecture selon l'invention. Comme l'illustre la figure, le principe d'architecture proposé consiste, en particulier, à intégrer à chacune des sources rayonnantes 31 , non seulement les éléments nécessaires pour générer un signal d'émission (circuit émetteur 33, déphaseur 35) mais également les éléments nécessaires pour effectuer la démodulation des signaux captés (circuit récepteur 34), ainsi que les éléments 36, 37 et 38 permettant de numériser les signaux reçus et d'effectuer sous forme numérique les opérations de conditionnement de ces signaux. Par suite, chaque sous-ensemble 31 constitue un ensemble autonome qui intègre l'ensemble des moyens permettant le rayonnement et la capture d'ondes hyperfréquences mais également les moyens pour générer, démoduler et conditionner ces ondes. De la sorte les éléments des classes A et C deviennent prépondérants dans l'architecture radar, tandis que les éléments de la classe B sont en nombre strictement limité, et peuvent être rendus génériques pour une Bande Radar donné. On obtient ainsi une structure radar avantageusement constituée d'une association de sous-ensembles indépendants pouvant être configurés de manière séparée et agencés de façon à réaliser les fonctions opérationnelles désirées.
On s'intéresse ensuite à la figure 4, qui présente un schéma de principe présentant les différents types de sous-ensembles définissant une architecture radar selon l'invention. L'architecture est ici présentée d'une manière partielle, en s'intéressant aux sous-ensembles chargés d'assurer les fonctions relatives à l'émission, à la réception, à la synthèse locale des principaux signaux de synchronisation, à la synthèse de la forme d'onde émise et au traitement du signal radar, objets de l'invention revendiquée ici. Les sous-ensembles situés en aval de ces sous-ensembles, qui sont en particulier chargés du traitement des données élaborées à partir des signaux reçus (gestion globale du système, extraction, pistage, calculateur de mission, etc ..) ne sont ici, pour des raisons de clarté, pas représentés. L'architecture radar selon l'invention comporte principalement: - un premier type 41 de sous-ensemble, ou "Building-Block" selon la terminologie anglo-saxonne, consistant en une unité radar élémentaire, ou mini-radar;
- un second type 42 de sous-ensemble consistant en un générateur de signaux destinés à une synchronisation d'ensemble, - un troisième type 43 de sous-ensemble, consistant en une ou plusieurs machines parallèles de traitement du signal (calculateurs).
Le premier type de sous-ensemble 41 , unité radar élémentaire, comporte principalement: - une face rayonnante 41 1 comportant N éléments rayonnants montés sur une structure porteuse (substrat),
- N circuits hyperfréquence 412, ou TR modules, comportant chacun un dispositif émetteur à Etat Solide associé à un déphaseur hyperfréquence, ainsi qu'une tête de réception hyperfréquence comportant elle-même un dispositif amplificateur et limiteur à faible bruit,
- N modules récepteurs 413 comportant également un circuit de numérisation du signal vidéo,
- un module 414 de traitement numérique local des signaux reçus, après numérisation. Ce dispositif permet notamment de conditionner les signaux reçus par les différents éléments de la face rayonnante. Par conditionnement on entend, entre autres opérations, la combinaison avec les amplitudes et les phases voulues, après numérisation, des signaux captés par les éléments rayonnant constituant la face rayonnante, combinaison permettant de constituer un ou plusieurs faisceau primaire de réception dans la ou les direction(s) souhaitée(s).
- un module 415, générateur local de forme d'onde et de synchronisation, dont le rôle est de synthétiser l'ensemble des signaux de synchronisation et signaux analogiques de référence à partir des signaux communs générés par le sous-ensemble unique 42 Ce premier sous-ensemble 41 comporte ainsi à lui seul l'ensemble des ressources nécessaires pour émettre et recevoir une onde hyperfréquence sur N voies. Il comporte également les ressources pour traiter les ondes reçues sur l'ensemble des N voies et, entre autres opérations, combiner entre elles les différentes voies pour former différents faisceaux pouvant être pointés dans différentes directions. C'est pourquoi il est défini ici comme une unité radar élémentaire à balayage électronique actif, indépendante, ou mini-radar.
Avantageusement, le fait d'intégrer directement dans ce mini radar une machine parallèle banalisée accroît considérablement la généricité du mini-radar. Cette structure originale constitue une caractéristique essentielle de la structure selon l'invention.
Le deuxième type de sous-ensemble 42, module de synchronisation générale, comporte l'ensemble des moyens permettant de faire fonctionner de manière coordonnée plusieurs sous-ensembles 41 , c'est à dire d'associer dans leur fonctionnement plusieurs unités radar élémentaires, de façon à constituer un système radar plus important. A cet effet il comporte des moyens pour synthétiser, d'une part de des signaux de synchronisation de haut niveau, et d'autre part de synthétiser un ou plusieurs oscillateurs locaux de référence. Selon l'invention, ces signaux génériques de référence sont avantageusement identiques pour tous les sous-ensembles auxquels ils sont fournis. Les signaux de synchronisation particuliers, nécessaires au fonctionnement individuel de chacune des unités élémentaires 41 , sont quant à aux synthétisés localement au niveau des unités à partir des signaux de synchronisation fournis par le sous-ensemble 42. Selon l'invention, les signaux de synchronisation générale sont distribués aux différents sous-ensembles par l'intermédiaire de liaisons 421 point à point (électriques, optiques, etc.).
Le troisième type de sous-ensemble 43, module de gestion de données et de traitement numérique global) comporte une ou plusieurs machines parallèles numériques (calculateurs), agencées de façon à pouvoir effectuer l'ensemble des opérations de traitement numérique des signaux délivrés par les unités radar élémentaires 41 ainsi que de façon à pouvoir élaborer et délivrer à ces mêmes unités radar élémentaires les informations, les commandes, nécessaires à chaque unité pour déterminer son mode de fonctionnement propre.
Dans un mode de fonctionnement préféré, les dispositifs 414 de traitement numérique local, localisés au niveau des unités radar élémentaires 41 et le module 43 coopère selon le principe général suivant: Chaque module 414 de traitement numérique local effectue principalement le traitement et l'association des données numérique correspondant au N voie de réception que compte l'unité radar élémentaire auquel il appartient. Cette association a pour objet de combiner les données numériques des différentes voies de réception pour former un nombre donné M de faisceaux pointant différentes directions de l'espace; la formation numérique de faisceaux procédant de techniques connues de l'homme du métier et non développées ici. Ce faisant, on diminue de manière incidente le débit des données produites en sortie de traitement.
Ces données sont ensuite transmises par chaque module 414 au module 43 de traitement global qui recombine les données issues des différentes unités radar élémentaires pour former un ou plusieurs faisceaux globaux représentant le signal globalement reçu par le radar dans une direction donnée. Par suite les données recombinées formant chaque faisceau global sont traitées séparément par les méthodes classiques de traitement des signaux radars.
Il est à noter que suivant la configuration fonctionnelle retenue la répartition des tâches de traitement numérique des signaux reçus entre les modules de traitements locaux 414 et le module de traitement global 43, peut varier d'une configuration à l'autre de façon à optimiser la charge de calcul global et par suite le temps de traitement et le nombre d'unités de calcul utilisées.
Selon l'invention, l'architecture de ce troisième type 43 de sous- ensemble est défini de façon à ce que la capacité globale de calcul du sous- ensemble (building block) puisse être modulée par simple ajout ou retrait d'un ou plusieurs nœuds de traitement sans qu'il soit nécessaire de retoucher aux interfaces entre les différents sous-ensembles (building blocks). A cet effet, la mise en oeuvre des différents calculateurs est réalisée de façon à ce qu'une opération contribuant à la réalisation d'une opération plus générale de traitement puisse être effectuée par l'une ou l'autre machine en fonction de la composition exacte du sous-ensemble 43, l'exécution d'une fonction pouvant ainsi avantageusement être répartie sur l'ensemble des machines présentes dans le sous-ensemble pour une configuration donnée. Selon l'invention les données numériques 431 en provenance ou à destination des autres sous-ensembles, sont véhiculées par un bus de communication dédié.
On s'intéresse ensuite à la figure 5. Les trois types de sous-ensembles constituant l'architecture selon l'invention permettent avantageusement, à eux seuls, de constituer des structures radar correspondant à des besoins opérationnels variés et ayant à cet effet des caractéristiques fonctionnelles données, en terme de précision angulaire et de porté par exemple. Il convient pour cela comme l'illustre schématiquement la figure 5, d'associer le nombre voulu de structures radar élémentaires (mini-radars) 41 en assemblant notamment les unes avec les autres les faces rayonnantes en les agençant sur une structure mécanique d'accueil 51 de façon à constituer une antenne globale ayant la géométrie voulue. Il convient également d'ajouter généralement un seul sous-ensemble 43 destiné à réaliser le traitement global des signaux fournis par les structures radar élémentaires 41 , ainsi qu'un seul sous-ensemble 42 destiné à fournir les signaux de synchronisation générale.
Le fonctionnement général d'ensemble nécessite bien entendu que l'architecture selon l'invention soit supportée par un ensemble de liaisons de données numériques symbolisées par l'ensemble des flèches en traits continus 52 et un ensemble de liaisons de synchronisation symbolisées par l'ensemble des flèches en traits discontinus 53. Ces deux ensembles forment la structure d'échange nécessaire à la synchronisation du fonctionnement des différentes unités radar élémentaires 41 et au traitement conjoint des données fournies par ces différentes unités. Cette structure dessert avantageusement tous les sous-ensembles de la même façon.
Cette structure d'échange de données numérique, de signaux analogiques de référence (oscillateurs locaux) et de signaux de synchronisation, peut bien évidemment être mise en œuvre de différentes façons, tant du point de vue de la réalisation technique que du point de vue de l'organisation matérielle des échanges et que du point de vue des protocoles d'échanges mis en œuvre. Les conditions requises à sa conception sont simplement celles liées à la nécessité de conserver à l'architecture selon l'invention un caractère hautement évolutif. En particulier la structure d'échange doit permettre d'intégrer un nombre variable d'unités radar élémentaires et de rendre complètement paramétrable le mode de fonctionnement de chacune de ces unités et de fournir au module 42 les informations nécessaires pour exploiter les données fournies par chacune des unités radar élémentaires 41 en tenant compte de la manière dont est configurée chacune des unités. Un exemple d'une telle structure d'échange, formée principalement par une distribution de données synchrones en topologie étoile, et un système de communication de type "full duplex" point à point, asynchrone, est notamment décrite dans la demande de brevet français déposée par la demanderesse et intitulée "Architecture radar générique", demande publiée le 15/12/2006 sous la référence FR2887096.
Ainsi, l'architecture radar selon l'invention, telle que décrite dans les paragraphes précédents, se présente donc comme une architecture modulaire dans laquelle les éléments caractéristiques que constituent les unités radar élémentaires 41 fonctionnent avec un haut degré d'autonomie les unes par rapport aux autres, ce qui rend le fonctionnement global de l'architecture avantageusement paramétrable. Les équipements radar conçus selon cette architecture sont par nature évolutifs tant au niveau de gamme des fonctionnalités réalisées, que des performances globales atteintes. La modification de performances opérationnelles de l'équipement peut être aisément modifiée par ajout ou retrait d'une ou plusieurs unités radar élémentaires 41 (typiquement le nombre d'unité 41 peut varier de 1 à quelques centaines), ainsi que par la modification des routines de traitement des données implémentées par les dispositifs de traitement locaux 414 implantés dans ces unités, par la modification des paramètres du générateur local de formes d'ondes 415 ou encore par la modification des routines de traitement des données implémentées dans le module de traitement numérique global 43. Cette architecture répond donc bien au problème qui consiste en particulier à concevoir des équipements radar multi-missions évolutifs pouvant à partir d'une configuration donnée évoluer de manière simple vers des configurations variées, en fonction de besoins opérationnels nouveaux.
On s'intéresse à présent aux figures 6 et 7, qui illustrent un premier exemple d'application de l'architecture radar modulaire selon l'invention.
Un avantage important de l'architecture radar selon l'invention consiste dans la grande modularité de l'ensemble. Cette modularité trouve avantageusement son application dans ce premier exemple de mise en œuvre, dans lequel le problème à résoudre consiste à trouver le moyen d'élargir le lobe d'émission du radar.
Parmi toutes les fonctions mises en œuvre par les radars multi- Missions, deux sont toujours présentes :
- la surveillance (veille), qui constitue la fonctionnalité de base d'un radar, - la poursuite sur une cible d'intérêt, préalablement détectée.
Le problème connu posé par la nécessité de pouvoir remplir ces deux catégories de missions provient du fait que leur implémentation par un même équipement radar conduit à devoir satisfaire des besoins opposés en matière de largeur de faisceau à l'émission: - les performances en matière de surveillance nécessitent la formation d'un faisceau d'émission large permettant de réaliser une veille simultanée sur un groupe (cluster) de faisceaux de réception;
- les performances en matière de poursuite active sur cibles détectées (i. e. "tracking" actif) nécessitent la formation d'un faisceau d'émission étroit de façon à focaliser l'énergie émise sur la cible poursuivie. Par ailleurs, il est connu que s'il est, techniquement, relativement simple d'élargir un faisceau étroit d'ouverture donnée, il est techniquement difficile de rétrécir un faisceau large. Il est donc nécessaire, pour ne pas subir de pertes de signal inutiles, de disposer d'une antenne d'émission de même taille que l'antenne de réception.
En l'état actuel de l'art, l'utilisation de systèmes radar comportant une antenne active pourvue de TR modules permet, de manière connue, de réaliser une structure capable de former des faisceaux d'émission étroits pointés dans une direction donnée. En revanche en ce qui concerne l'élargissement du faisceau émis, cet élargissement est généralement obtenu, faute de mieux, par modification des phases appliquées par le déphaseur hyper à chaque module d'émission, (on ne peut jouer que sur la phase, pas sur l'amplitude car les émetteurs, pour des raisons de stabilité de phase et de rendement thermique, fonctionnent en saturé). Cette façon de procéder a l'avantage d'être compatible de la structure matérielle des radars actuels. En revanche, elle génère des pertes d'environ un à trois décibels suivant les configurations.
Face à une telle situation de besoins antagonistes, l'utilisation d'un radar dont la structure est conforme à l'architecture selon l'invention, permet de proposer une solution simple et adaptée. Comme l'illustre la figure 6, le problème posé ici peut être avantageusement résolu en mettant en œuvre un mode de fonctionnement dans lequel les unités radar élémentaires sont paramétrées de façon à constituer une antenne 61 divisée en plusieurs zones, deux zones 61 et 62 sur la figure 6, chaque zone formant une sous- antenne d'émission de taille plus faible. A chaque sous-antenne est par ailleurs associée, une fréquence centrale d'émission propre et une bande passante donnée. Dans l'exemple simple de la figure 6 l'antenne globale est divisée en deux sous-antennes, chaque sous-antenne étant respectivement associée aux fréquences centrales d'émission fei et fe2. Dans cet exemple de réalisation, comme l'illustre la figure 7, les bandes passantes B' des ondes émises ont une largeur sensiblement égale et d'une valeur telle que, compte tenu des valeurs des fréquences fβi et fe2, et de la largeur de la bande passante B des récepteurs des unités radar élémentaires, les ondes émises par chacune des deux sous-antennes ont des bandes passantes disjointes. II est ainsi avantageusement possible, sans modification de la structure physique du radar, de disposer de deux d'émission, chacune de taille égale à la moitié de la taille de l'antenne globale et produisant donc un diagramme d'émission avantageusement élargi en gisement par rapport à celui de l'antenne globale. En outre, les signaux émis par les deux sous- antennes, ayant un spectre de fréquence couvert par la bande passante des récepteurs, l'intégralité de l'énergie rayonnée dans une direction de l'espace et réfléchie par une cible est reçue par l'antenne de sorte que la réception du signal s'effectue sans perte bien que le faisceau se trouve élargi à l'émission. Ce concept peut naturellement être étendu à la constitution de plus de deux antennes d'émission et sur les deux axes (azimut et élévation).
De manière plus générale, l'avantage important procuré par la décomposition de l'architecture selon l'invention en une pluralité d'unités radar élémentaires synchronisées à haut niveau par un module de synchronisation générale particulièrement sensible lorsque la configuration recherchée nécessite de pouvoir piloter chacune des sources rayonnantes de manière séparée. L'exemple précédent ne représente qu'une utilisation parmi d'autre de cette caractéristique avantageuse de l'invention.
Dans un même ordre d'idée, il est notamment possible d'envisager tout type d'application pour lequel la capacité de piloter séparément chaque source représente une solution avantageuse au problème posé. Ainsi de même que l'on a vu avec l'exemple précédent que les unités radar élémentaires 41 composant une même antenne peuvent être configurés à l'émission pour former deux antennes à diagramme élargi, il est également avantageusement possible d'associer deux radars conçus suivant l'architecture selon l'invention de façons à ce que les émissions de chacun des radars puisse être reçus par chacune des antennes de façon par exemple à obtenir un gain de réception et donc accroître la portée de l'ensemble. Dans un même ordre d'idée également une application avantageuse de l'architecture selon l'invention consiste à utiliser cette architecture pour réaliser un radar à balayage électronique actif utilisant une antenne fixe à quatre panneaux rayonnants, telle que celle illustrée par la figure 8. Une telle antenne permet par exemple d'obtenir un temps de rafraîchissement du balayage incompatible d'un système tournant classique (ordre de grandeur : 0,1 s au lieu de 1 s)
Dans cet exemple de réalisation l'architecture selon l'invention s'avère particulièrement avantageuse en ce qu'elle permet de réaliser une antenne dont les panneaux adjacents, 81 et 82 par exemple, émettent des ondes de fréquences Fei et Fe2 différentes, de sorte que la réception effectuée par chacun des deux panneaux considérés, n'est pas affectée par le signal émis par une des faces adjacentes et cela en utilisant une unique unité 42 pour les quatre faces. Ainsi comme l'illustre la figure en configurant et en assemblant les unités radar élémentaires 41 qui composent le radar de façon appropriée, il est possible de réaliser un radar capable de pointer toutes les directions de l'espace autour de lui sans disposer d'une antenne tournante. Ainsi, dans l'exemple de la figure 8, les unités radar élémentaires sont réparties en quatre panneaux 81 à 84 mis dos à dos de façon à former une antenne de forme parallélépipédique, les panneaux 81 et 83 d'une part et 82 et 84 d'autre part forment deux groupes de panneaux opposés (A et C d'une part, B et D d'autre part), la fréquence d'émission étant la même (respectivement Fei et Fe2) pour les deux panneaux d'un même groupe.
On s'intéresse ensuite aux figures 9 et 10 qui illustrent un deuxième exemple d'application de l'architecture radar modulaire selon l'invention. Cet exemple illustre comment l'architecture selon l'invention permet avantageusement de réaliser, de manière simple, un équipement radar capable de réaliser des fonctions de reconnaissance, d'identification, de cibles détectées et non coopératives ( fonction "NCTR" ou "Non Coopérative Target Récognition" selon la dénomination anglo-saxonne). La caractéristique avantageuse mise en avant par cette application consiste dans la possibilité offerte de pouvoir définir la forme d'onde appliquée à chacune des unités 41 constituant l'antenne radar indépendamment d'une unité à l'autre. La réalisation de la fonction NCTR suppose que le radar utilisé soit capable d'émettre et de recevoir une onde modulée sur une très large bande. On parle ainsi, sachant que la résolution est fonction directe de la bande du signal émis, de très haute résolution ou "WHR" selon l'acronyme de la dénomination anglo-saxonne "Very High Resolution". L'excursion en fréquence du signal radar atteint alors des valeurs de l'ordre de 250 à 300 MHz (résolution de 0.50 m), à comparer aux modes de résolution classique de 1 à 10 MHz (15 à 150 m) ou au mode VHR de 50 MHz (3 m) pour l'analyse de raid.
Dans ce type de mode de fonctionnement, l'approximation "bande étroite" classique ne fonctionne plus dès que l'antenne dépasse une taille sensiblement supérieure à un mètre. Il y a donc nécessité de compenser les retards de propagation dans l'antenne. Ces retards sont principalement fonction de la position du capteur considéré et du dépointage du faisceau d'antenne formé. Ainsi, par exemple, pour une antenne de 5 mètres de diamètre, le rattrapage en périphérie par rapport au centre de l'antenne peut atteindre une valeur maximale de +/- 5 ns.
Dans une structure radar classique, cette compensation n'est pas facile et souvent, une compensation spécifique pour chaque source constituant l'antenne est impossible par conception. En revanche, pour un radar bâti sur une architecture selon l'invention, cette opération de correction peut être avantageusement implémentée simplement aussi bien à la réception qu'à l'émission.
En ce qui concerne la compensation des retards affectant les ondes reçues, l'architecture radar selon l'invention prévoit un dispositif de réception et de numérisation sur chaque voie de réception de chaque unité radar élémentaire. De sorte que, la compensation peut avantageusement être effectuée sous forme d'une simple opération de correction numérique du signal reçu sur chaque voie. La correction peut ainsi être réalisée en numérique de façon simple et précise. En ce qui concerne l'onde émise, on peut avantageusement procéder de la façon illustrée par les figures 9 et 10.
Selon l'invention, l'impulsion hyperfréquence émise, est synthétisée en modulant l'oscillateur local OL1 fourni par le module de synchronisation général 42, par un signal Fl constitué par un oscillateur local OL2 en fréquence intermédiaire lui-même modulé une rampe linéaire R de fréquence en fréquence, d'excursion en fréquence variant entre - Δf et +Δf sur un intervalle de temps égal à Δt. On applique ainsi, par exemple une rampe de fréquence s'étendant sur une plage de 300 MHz (-150 MHz à +150 MHz) durant un intervalle de temps égal à 30 μs correspondant à la durée de l'impulsion émise. En fonctionnement nominal, la synthèse du signal R est réalisée de la même façon pour toutes les unités radar élémentaires 41 , de façon à ce que la fréquence de la rampe de modulation R soit nulle au milieu de la durée de l'impulsion émise conformément à la courbe 101 de la figure 10. En revanche dans un mode de fonctionnement WHR, la synthèse du signal R est réalisée de manière différente pour chaque unité 41 ; de sorte que pour certaines unités 41 , le passage du signal R par une fréquence nulle se produit pour un instant antérieur ou postérieur à l'instant t0 correspondant au milieu de l'impulsion RF émise. Pour ce faire l'excursion en fréquence du signal R n'est plus centré sur une fréquence nulle, mais décalé d'un écart de fréquence δf positif ou négatif, conformément à la courbe 102 de la figure 10. Cet écart fréquentiel δf se traduit au niveau de l'onde hyperfréquence émise par le décalage temporel δt correspondant, cet écart temporel étant mesuré par rapport à un signal de synchronisation général des émissions envoyé de manière identique à toutes les unités 41 .
Ainsi pour un instant T0 donné, référencé par rapport au signal de synchronisation général les impulsions hyperfréquence émise par une unité radar élémentaire donnée peuvent apparaître à l'heure, en avance ou encore en retard. Par suite l'architecture selon l'invention permet donc avantageusement de générer séparément pour chaque élément rayonnant, un retard, variable à l'émission entre -5 ns à +5 ns dans l'exemple de la figure 9, permettant de compenser les variations de temps de propagation apparaissant entre les différentes sources rayonnantes en fonction de leurs positions sur l'antenne. Les problèmes liés à la mise en œuvre de la fonction WHR sont donc ainsi naturellement résolus par l'utilisation de l'architecture selon l'invention.
Outre les deux types d'application décrits précédemment, qui sont naturellement nullement limitatif de la portée revendiquée pour l'invention, on peut encore citer les applications entrant dans le champ des radars multifaisceaux, à formation de faisceaux par le calcul (FFC) par exemple, pour lesquels la possibilité, offerte par l'architecture selon l'invention, de configurer chaque élément rayonnant séparément des autres de réaliser des équipements aux performances en matière d'antibrouillage tout à fait avantageuses. Il est ainsi possible de constituer des groupes de sources rayonnantes pour former des faisceaux pointés dans différentes directions et de réaliser l'antibrouillage d'un faisceau formé au moyen du signal reçu par les autres faisceaux. Cette possibilité est par ailleurs renforcée par le fait que le traitement des signaux reçus par les différentes voies peut être réalisé de manière répartie par les modules locaux 414 de traitement numérique et le module 43 de traitement global, la répartition étant elle-même paramétrable.
Dans un même contexte multifaisceaux, quoique plus modestement, l'architecture selon l'invention permet également de réaliser des fonctions d'affinage des mesures angulaires, de type écartométrie monopulse.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Architecture radar modulaire caractérisée en ce qu'elle comporte une pluralité d'unités radar élémentaires identiques mis en parallèle, chaque unité comportant elle-même:
- une surface rayonnante standard comportant N éléments rayonnants, apte à rayonner et à capter des ondes hyperfréquence,
- des moyens d'émission et de détection hyperfréquence, pour générer et transmettre aux éléments rayonnants une onde hyper fréquence de forme et de puissance données ainsi que pour amplifier les ondes hyperfréquence captées par les éléments rayonnants, - des moyens de réception pour effectuer la transposition en bande vidéo des ondes hyperfréquence captées et la numérisation des signaux vidéos obtenus,
- des moyens de traitement numérique, pour effectuer le conditionnement des signaux numériques fournis par les moyens de réception;
- des moyens de synthèse des signaux hyperfréquence associés à un générateur de formes d'ondes piloté numériquement. les moyens de synthèse des signaux hyperfréquence, les moyens d'émission et les moyens de réception étant constitués chacun de N dispositifs indépendants agencés pour former, avec les N éléments rayonnants, N voies indépendantes; les moyens de traitement et les moyens de synchronisation étant communs à l'ensemble des voies.
2. Architecture selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'elle comporte en outre:
- un sous-ensemble chargé de la synchronisation générale de la structure, fournissant à chaque sous-ensemble un jeu de signaux de référence identique,
- un sous-ensemble de traitement numérique global chargé de réaliser le traitement des signaux conditionnés fournis par chacune des unités radar élémentaires,
Les différents sous-ensembles étant reliés entre eux par une structure appropriée d'échange de données et de signaux.
3. Application de l'architecture selon l'une de revendications 1 ou 2 à la réalisation d'un radar à faisceau d'émission élargi, caractérisée en ce que les N unités radar élémentaires (41 ) sont configurées pour que les N/2 unités radar (41 ) formant une moitié de l'antenne globale émettent sur une bande de fréquences B1 autour d'une fréquence fei et que les N/2 unités radar (41 ) formant l'autre moitié émettent sur une bande de fréquences B2 autour d'une fréquence fe2, les N unités radar élémentaires étant configurées pour couvrir à la réception une bande de fréquence couvrant B1 et B2.
4. Application de l'architecture selon l'une de revendications 1 ou 2 à la réalisation d'un radar à antenne fixe, caractérisée en ce que, les N unités radar élémentaires (41 ) étant disposées sur quatre panneaux (81 , 82, 83 et 84) mis dos à dos de façon à former une antenne de forme parallélépipédique, ces unités radar élémentaires (41 ) sont configurées de façon à ce que les unités situées sur un panneau (81 ) émettent et reçoivent sur un bande de fréquences différente de celles sur lesquelles émettent les source situées sur les panneaux adjacents (82 et 84).
5. Application de l'architecture selon l'une de revendications 1 ou 2 à la réalisation d'un radar capable de réaliser des fonctions de type NCTR, caractérisée en ce chacune des N unités radar élémentaires (41 ) est configurée de façon à compenser les retards de propagation dans l'antenne, la compensation étant réalisée par un décalage δf relatif de la plage d'excursion en fréquence Δf du signal modulant linéairement l'onde hyperfréquence émise, décalage fonction de la position de l'unité radar élémentaire (41 ) dans l'antenne et du dépointage du faisceau global formé.
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