Définition, Réalisation et Tests d’un radar VHF Multifréquence et Multipolarisation

Définition, Réalisation et Tests d’un radar VHF Multifréquence et Multipolarisation

SYSTEME D’EMISSION

Principe Les signaux émis sont en polarisation linéaire (horizontale ou verticale). L’utilisation des techniques de diversité de polarisation implique un fonctionnement cohérent du système. C’est à dire une synchronisation en phase entre les structures d’émission des différentes polarisations et entre les systèmes d’émission et de réception. Cette condition est encore plus nécessaire si un codage de polarisation est utilisé par la suite [45]. Pour cela, il faut que les générateurs d’émission soient utilisés comme oscillateurs locaux à la réception. Ainsi, l’information de phase « relative » est exploitable à la réception. Afin d’éviter les problèmes de commutation de puissance, un amplificateur est associé à chaque antenne. L’activation de cet amplificateur se fait ou non, suivant la polarisation choisie. En général, les temps de commutation de la polarisation sont d’environ quelques millisecondes. Comme nous l’avons vu dans le chapitre précédent, les générateurs d’émission sont séparés en deux sources distinctes, une de fréquence fixe et l’autre de fréquence variable, afin d’éviter l’emploi de déphaseurs à large bande. Les générateurs d’émission étant utilisés à la réception, le choix du partage des fréquences pour les différentes sources, est fait en fonction des changements pratiqués dans le récepteur, donc des filtres utilisés dans ce dernier (la valeur de la fréquence de l’oscillateur fixe d’émission correspond à la première fréquence F.I. du récepteur). A l’émission, la génération des fréquences comprises entre 20 et 100 MHz, se fait après le déphasage, par le mélange des sources suivie d’un filtrage passe-bas de fréquence de tel-00085136, version 1 – 11 Jul 2006 Chapitre II Définition, Réalisation et Tests d’un Radar V.H.F. Multifréquence et Multipolarisation (M.O.S.A.R.) 73 coupure 100 MHz. Les signaux de fréquences différentes sont ensuite additionnés quatre par quatre, amplifiés puis envoyés vers les antennes. Pour une grande souplesse d’utilisation, la commande des différents générateurs d’émission se fait de manière informatique, par exemple par l’utilisation d’un bus I.E.E.E.488.233. La modulation en impulsion est obtenue par la coupure des amplificateurs de puissance et le cas échéant, par des commutateurs insérés en série dans les structures d’émission. Les générateurs de fréquence ne peuvent pas être modulés puisqu’ils sont utilisés comme oscillateurs locaux à la réception.

Description du Système d’Emission

Le système d’émission se présente sous la forme donnée à la figure II.2.1. Cet ensemble a été développé par le laboratoire puis industrialisé par la société CHORUS ELECTRONIQUE (Verrières Le Buisson – 91). Il est réalisé sous forme de blocs reliés entre eux par des câbles coaxiaux RG 316. Une vue de ce système est présentée sur la photographie de la figure II.2.2. Figure II.2.2 : Vue du système d’émission du radar M.O.S.A.R. Ces différents blocs sont : * Diviseur par 16 Son rôle est de diviser la source de fréquence fixe (112 MHz) en seize signaux sur lesquels sont appliqués les déphasages. Les pertes liées à son insertion sont de 13 dB avec une dispersion de niveau de ± 0.2 dB et de phase de ± 2°, pour une isolation entre voies d’environ 20 dB. 33 I.E.E.E. : Institute of Electrical and Electronics Engineers. tel-00085136, version 1 – 11 Jul 2006 Chapitre II 74 Définition, Réalisation et Tests d’un Radar V.H.F. Multifréquence et Multipolarisation (M.O.S.A.R.) 5b 5b 5b 5a 6 1 6 2 6 3 6 4 Antenne 1 Horizontale Antenne 2 Horizontale Antenne 3 Verticale Antenne 4 Verticale Commutateurs Réception Bus MXI Amplificateurs de Puissance ( 4 x 1 kW ) Préamplificateurs Sommateurs 4 voies Filtres Passe – Bas fc = 100 MHz Diviseurs 4 voies Multiplieurs Déphaseurs à Commande Numérique ( 0°; 360° ) PréDiviseurs 2 voies O.L. Fixe f = 112 MHz O.L. d’Emission ( f1, f2, f3, f4 ) ( 132 -212 MHz ) Générateurs d’Implusions Diviseurs 16 voies Interface Sbus/MXI 5b (Mémoire: 32 Mo Disque Dur: 2,1 Go) SUN Rack V.M.E. Bus I.E.E.E. Bus 16 bits Parallèle Interface MXI/VME 488 amplificateurs Bloc N°1 Bloc N°5 Bloc N°2 Bloc N°6A STATION Figure II.2.1 : Schéma synoptique du système d’émission. * Bloc N°1 : diviseurs par 4 + mélangeurs Ce bloc sépare chaque fréquence en quatre signaux puis les mélange avec les seize fréquences fixes déphasées. Les pertes d’insertion pour ce module sont d’environ 13.5 dB avec tel-00085136, version 1 – 11 Jul 2006 Chapitre II Définition, Réalisation et Tests d’un Radar V.H.F. Multifréquence et Multipolarisation (M.O.S.A.R.) 75 une dispersion de niveau de ± 0.6 dB et de phase de ± 5°, pour une isolation entre les voies L.O.34 et R.F.35 d’environ 45 dB, et entre les voies L.O. et I.F.36 de 40 dB. * Bloc N°2 : filtres passe-bas + sommateurs par 4 Les filtres passe-bande éliminent la bande latérale supérieure issue du mélange pour ne conserver que le signal utile (20 MHz < f < 100 MHz). Quatre signaux de fréquences différentes, sont ensuite additionnés à la sortie de ce bloc pour former le signal composite. Les filtres sont d’ordre 9 avec une fréquence de coupure d’environ 96 MHz (figure II.2.3). L’ondulation n’excède pas ± 0.15 dB dans la bande. Dans ce cas, le gain d’insertion est de 6.5 dB, les dispersions en niveau de ± 0.2 dB et en phase, de ± 5°. Figure II.2.3 : Système d’émission (bloc N°2), filtres passe-bas à 96 MHz. * Bloc N°5 : diviseurs par 2 + préamplificateurs Le bloc N°5 sert à répartir les signaux vers l’émetteur et vers le récepteur. Des amplificateurs sont insérés dans la structure afin de récupérer les pertes liées aux diviseurs de puissance. Les sources étant à large bande de fréquence, l’ondulation dans la bande passante doit être faible et dans notre cas, n’excède pas 1 dB. De même, les dispersions en niveau entre les sorties de ce bloc sont dans le pire des cas de ± 0.2 dB, et en phase de ± 5°. 34 Local Oscillator. 35 Radio Frequency. 36 Intermediate Frequency. tel-00085136, version 1 – 11 Jul 2006 Chapitre II 76 Définition, Réalisation et Tests d’un Radar V.H.F. Multifréquence et Multipolarisation (M.O.S.A.R.) * Bloc N°6A : préamplificateurs + commutateurs Ce bloc amplifie le signal composite afin d’atteindre le niveau d’attaque nécessaire des amplificateurs de puissance. L’application multifréquence a imposé le choix de préamplificateur à large bande (MAV11-MCL) de gain 10.5 dB et possédant une faible ondulation dans la bande (± 0.3 dB) (figure II.2.4 ) et un très bon point d’interception d’ordre 3 (+ 30 dBm). Entre les voies, les dispersions sont de ± 0.1 dB en niveau et de ± 0.8° en phase. Ce bloc possède un autre rôle qui est de moduler en impulsion le signal émis (§ II.1.2.4). Du fait du parallélisme des structures, les paramètres importants pour la caractérisation du système d’émission, sont les dispersions en amplitude et en phase, entre les voies. Elles sont résumées dans le tableau II.2.1. (note : les dispersions apportées par les amplificateurs de puissance ne sont pas mentionnées). Figure II.2.4 : Système d’émission (bloc N°6A) – Gain des préamplificateurs. Bloc Diviseur/16 Bloc N°1 Bloc N°2 Bloc N°5 Bloc N°6A Dispersion totale ∆G (dB) ± 0.2 ± 0.6 ± 0.15 ± 0.2 ± 0.1 ± 1.15 ∆Φ (°) ± 2 ± 5 ± 4 ± 5 ± 0.8 ± 16.8 entre les voies du système d’émission. Les dispersions en amplitude sont par la suite, compensées lors du calcul du bilan de puissance. Pour ce qui concerne les dispersions en phase, elles sont prises en compte lors du calcul des phases et corrigées par les déphaseurs.

Amplificateurs d’Emission

Les amplificateurs de puissance sélectionnés sont des LP1000 de la société KALMUS ENGINEERING (U.S.A.) et distribués en France par K.M.P. ELECTRONICS (Clamart-92). Le choix de ces amplificateurs est basé sur trois critères : – puissance d’émission (§ II.2.2.2), – compromis performances / coût, – facilité de maintenance. Les spécifications du constructeur sont les suivantes : – bande passante : 10 – 165 MHz, – puissance de sortie : 1 kW pulse, 10 – 125 MHz, 600 W pulse, 125 – 165 MHz, 100 W – C.W.37, – gain : 60 dB, – variation de gain : ± 2.5 dB maximum, – rapport cyclique : 10 % maximum, – largeur d’impulsion : 20 ms maximum, – blocage du signal : 1.5 µs (montée) – 0.5 µs (descente), – rapport de blocage : > 80 dB, – facteur de bruit : 10 dB maximum, – T.O.S. de sortie : < 2.5 : 1. Les deux amplificateurs utilisés pour cette étude ont été testés et qualifiés sur la bande de 20 à 100 MHz. Ils se sont avérés avoir un gain supérieur (70 dB) à la valeur donnée par le constructeur (figure II.2.5).

Table des matières

1ère Partie : INTRODUCTION PRESENTATION DU PROJET
OBJECTIFS
CHAPITRE I.1 : INTRODUCTION
I.1.1 ) Présentation du projet
I.1.2 ) Plan du document
CHAPITRE I.2 : OBJECTIFS
CHAPITRE I.3 : ANTECEDENTS
I.3.1 ) Introduction
I.3.2 ) Radars d’application « civile »
I.3.2.1 ) Gamme H.F
I.3.2.2 ) Gamme V.H.F
I.3.3 ) Radars d’application « militaire »
I.3.3.1 ) Gamme H.F
I.3.3.2 ) Gamme V.H.F
I.3.4 ) Conclusion
II Définition, Réalisation et Tests d’un Radar V.H.F. Multifréquence et Multipolarisation (M.O.S.A.R.
CHAPITRE I.4 : GENERALITES
I.4.1 ) Caractéristiques techniques
I.4.1.1 ) Fréquences d’émission
I.4.1.1.1 ) Bande décamétrique
I.4.1.1.2 ) Bande métrique
I.4.1.2 ) Portée de détection
I.4.1.3 ) Polarisation
I.4.1.4 ) Diagrammes d’ambiguïté
I.4.2 ) Forme d’onde
2ème Partie : SYSTEME RADAR
CHAPITRE II.1 : SYSTEME ANTENNAIRE
II.1.1 ) Définition des antennes
II.1.1.1 ) Modélisation des antennes en espace libre
II.1.1.2 ) Modélisation des antennes audessus d’un sol
II.1.2 ) Réseaux d’antennes
II.1.2.1 ) Constitution du réseau élémentaire pour une polarisation
II.1.2.2 ) Amélioration des performances en émission / réception
II.1.2.3 ) Réseaux d’émission et de réception
II.1.2.4 ) Orientation du lobe principal de rayonnement
II.1.3 ) Déphaseurs
II.1.3.1 ) Présentation et implantation
II.1.3.2 ) Calcul des déphasages
II.1.3.2.1 ) Réseau vertical ponctuel
II.1.3.2.2 ) Réseau vertical linéaire
II.1.3.3 ) Commandes des déphaseurs
II.1.3.3.1 ) Introduction
II.1.3.3.2 ) Erreur de phase
II.1.3.3.3 ) Vitesse d’incrémentation
II.1.3.4 ) Caractérisation des déphaseurs
II.1.4 ) Câbles
II.1.5 ) Caractérisation du sol
II.1.5.1 ) Introduction
II.1.5.2 ) Amélioration de la terre naturelle
Définition, Réalisation et Tests d’un Radar V.H.F. Multifréquence et Multipolarisation
II.1.6 ) Conclusions
CHAPITRE II.2 : SYSTEMES D’EMISSION / RECEPTION
II.2.1 ) Système d’émission
II.2.1.1 ) Principe
II.2.1.2 ) Description du système d’émission
II.2.1.3 ) Amplificateurs d’émission
II.2.1.4 ) Modulation en impulsion
II.2.1.5 ) Signaux d’émission
II.2.2 ) Système de réception
II.2.2.1 ) Principe
II.2.2.2 ) Sensibilité du système de réception 8
II.2.2.2.1 ) Evaluation de la section efficace radar d’une cible
II.2.2.2.2 ) Evaluation du facteur de pertes liées au radar
II.2.2.2.3 ) Evaluation du facteur de pertes dues à la propagation
II.2.2.2.4 ) Détermination de la sensibilité du système de réception
II.2.2.3 ) Rapport signal à bruit en sortie du récepteur
II.2.2.3.1 ) Evaluation du facteur de bruit du radar
II.2.2.3.2 ) Détermination de la puissance de bruit à l’entrée du Récepteur
II.2.2.3.3 ) Détermination du rapport signal à bruit en sortie du
récepteur
II.2.2.4 ) Système de réception
II.2.2.4.1 ) Principe
II.2.2.4.2 ) Schéma synoptique du système de réception
II.2.2.4.3 ) Préamplificateurs d’antenn
II.2.2.4.4 ) Récepteurs
II.2.2.5 ) Protection des récepteurs
CHAPITRE II.3 : SYSTEME D’ACQUISITION ET DE PILOTAGE
II.3.1 ) Système d’acquisition
II.3.1.1 ) Principe
II.3.1.2 ) Définition des paramètres d’acquisition
II.3.1.2.1 ) Fréquence d’échantillonnage
II.3.1.2.2 ) Nombre de bits de conversion
II.3.1.2.3 ) Temps d’acquisition et de conversion
II.3.1.2.4 ) Erreurs de linéarité de gain et d’offset
II.3.1.3 ) Gestion des acquisitions
IV Définition, Réalisation et Tests d’un Radar V.H.F. Multifréquence et Multipolarisation (M.O.S.A.R.)
II.3.1.4 ) Système d’acquisition
II.3.2 ) Système de pilotage
II.3.2.1 ) Introduction
II.3.2.2 ) Système informatique
II.3.2.3 ) Commande de la forme d’onde mise
II.3.2.4 ) Commande des réseaux d’antennes
II.3.2.5 ) Gestion du système
II.3.2.5.1 ) Interface de gestion
II.3.2.5.2 ) Organigramme de la gestion du système
CHAPITRE II.4 : TRAITEMENT DES SIGNAUX RADAR
II.4.1 ) Principe
II.4.2 ) Création des signaux rétrodiffusés complexes
II.4.2.1 ) Introduction
II.4.2.2 ) Rappel sur la transformée de Hilbert
II.4.2.3 ) Détermination des composantes complexes d’un signal réel
II.4.2.3.1 ) Démodulation cohérente
II.4.2.3.2 ) Démodulateur I&Q numérique
II.4.3 ) Estimation spectrale
II.4.3.1 ) Introduction
II.4.3.2 ) Choix d’une méthode
II.4.3.3 ) Estimation du spectre A.R. par les moindres carrés Algorithme de Marple
II.4.3.4 ) Estimation A.R. : Sélection de l’ordre
II.4.3.5 ) Estimation A.R. : Influence du bruit
II.4.4 ) Application au radar cohérent
II.4.4.1 ) Méthode d’analyse
II.4.4.2 ) Algorithme de traitement
CHAPITRE II.5 : CALIBRAGE DU SYSTEME
II.5.1 ) Introduction
II.5.2 ) Calibrage « électronique »
II.5.3 ) Calibrage « électromagnétique »
II.5.3.1 ) Introduction 7
II.5.3.2 ) Méthode « hybride »
Définition, Réalisation et Tests d’un Radar V.H.F. Multifréquence et Multipolarisation (M.O.S.A.R.) V
II.5.4 ) Conclusion 2
CHAPITRE II.6 : CARACTERISATION DU SYSTEME RADAR
II.6.1 ) Introduction
II.6.2 ) Description du radar
II.6.3 ) Limites technologiques du radar
II.6.3.1 ) Système d’émission
II.6.3.2 ) Système de réception
II.6.3.3 ) Système d’acquisition
II.6.4 ) Limites logicielles du système
II.6.4.1 ) Influence de l’ordre du modèle A.R.
II.6.4.2 ) Influence de la postintégration
II.6.4.3 ) Influence du rapport signal à bruit
II.6.4.4 ) Résolution fréquentielle
II.6.5 ) Conséquences sur le fonctionnement du système
3ème Partie : EXPERIMENTATIONS
CHAPITRE III.1 : EXPERIMENTATIONS
III.1.1 ) Introduction
III.1.2 ) Présentation succincte de la station expérimentale
III.1.3 ) Principe de la mesure
III.1.4 ) Analyse des résultats
III.1.4.1 ) Introduction
III.1.4.2 ) Analyse « monofréquence »
III.1.4.2.1 ) Présentation des résultats
III.1.4.2.3 ) 21 Novembre 1994 à h50
III.1.4.2.4 ) 21 Novembre 1994 à h30
III.1.4.3 ) Analyse « multifréquence »
III.1.4.3.1 ) Introduction
III.1.4.3.2 ) 30 Novembre 1994 à h47
III.1.4.3.3 ) 30 Novembre 1994 à h35
VI Définition, Réalisation et Tests d’un Radar V.H.F. Multifréquence et Multipolarisation (M.O.S.A.R.)
III.1.5 ) Conclusion
4ème Partie : CONCLUSION ANNEXE REFERENCES
BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE IV.1 : CONCLUSION
CHAPITRE IV.2 : LISTE DES CONSTRUCTEURS ET DISTRIBUTEURS 205
CHAPITRE IV.3 : REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES