FR2569856A1

FR2569856A1 - Interferometre a grande ouverture angulaire et large bande passante en frequence

Info

Publication number: FR2569856A1
Application number: FR8003981A
Authority: FR
Inventors: Robert Ducrotoy
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1980-02-22
Filing date: 1980-02-22
Publication date: 1986-03-07
Also published as: IT1143290B; IT8167067A0

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN INTERFEROMETRE A GRANDE OUVERTURE ANGULAIRE ET LARGE BANDE PASSANTE EN FREQUENCE. L'UTILISATION D'AU MOINS UN ENSEMBLE DE TROIS ANTENNES DONT CHACUNE D'ELLES EST DISTANTE DE SA PLUS PROCHE VOISINE D'UNE LONGUEUR SUPERIEURE A L2, OU EST LA LONGUEUR D'ONDE RECUE PAR L'INTERFEROMETRE, PERMET D'EVITER LES COUPLAGES ENTRE ANTENNES. ELLE S'APPLIQUE A LA DETERMINATION DE LA POSITION D'UN SIGNAL AVEC UNE GRANDE PRECISION.

Description

La présente invention concerne les interféromètres à grande ouverture angulaire instantanée et à large bande d'accord en fréquence.

Un interféromètre comporte au moins un couple d'antennes ; toutefois des interféromètres utilisant deux couples d'antennes distinctes ou ayant une antenne en commun, sont connus. La distance. séparant deux antennes d'un meme couple, et qui sera appeiée dans la description base de l'interféromètre, est un élément déterminant de la précision de mesure d'un interféromètre.

Le fonctionnement d'un interféromètre à une seule base est bien connu. Un plan d'onde, faisant un angle e avec le segment de droite déterminé par deux antennes ponctuelles distantes d'une longueur L, induit dans ces deux antennes deux signaux périodiques dont on mesure la différence de phase
# = (2#L/#) Sin e o; X représente la longueur d'onde du signal reçu. L'inversion de cette formule conduit à évaluer l'angle e
e = arc sin(/27T. > /L).

I1 est donc en théorie facile d'obtenir la direction d'arrivée du signal détecté.

Toutefois, un tel interféromètre à base unique est l'objet de deux exigences contradictoires - d'une part l'extraction de la direction d'arrivée e n'est exempte d'ambiguité que si : LZ /2 - d'autre part, la précision a e, obtenue par diffé
rentiation de 11 équation liant la phase t à l'angle
e et donnée par ## = # ##/2 # L cos e est d'autant meilleure que
L est grand.

On résout habituellement le problème en associant deux bases dont l'une de longueur t inférieure à > /2 est appelée petite base ou base courte et dont l'autre de longueur L supérieure à > '/2 est appelée grande base ou base longue ; la longueur de cette seconde base L détermine la précision de l'interféromètre.

Les antennes de ces interféromètres sont donc constituées de quatre antennes élémentaires ou de trois antennes élémentaires, l'une d'entre elles, dans ce second cas, étant commune à la petite base et à la grande base.

Le traitement des données issues de ces antennes et permettant de calculer la direction e vraie de la cible détectée consiste à extraire de chaque couple d'antennes formant une base la valeur de la phase t et donc la valeur de l'angle e. Pour le couple d'antennes correspondant à la petite base, on obtient une solution de l'angle e unique mais imprécise, et de la mesure 9 issue du couple d'antennes correspondant à la grande base, on obtient une solution multiple e.

qui est donc ambiguë, mais précise. La détermination précise de la direction e du signal reçu par l'interféromètre se fait ensuite par l'intersection des deux ensembles de solutions e et e. fournissant ainsi une solution unique et précise. Dans les interféromètres de l'art antérieur, ce traitement des signaux reçus est généralement effectué par un calculateur.

Ces interféromètres de l'art antérieur présentent plusieurs inconvénients, notamment des couplages parasites entre les antennes de la petite base du fait de leur dimension non nulle, restreignant ainsi le domaine d'ouverture angulaire et de fréquence de l'interféromètre.

La présente invention vise à remédier à cet inconvénient en définissant une nouvelle antenne d'in terférpmètre permettant un élargissement angulaire de l'ouverture de l'antenne et un accroissement de la précision dans la bande de fréquence considérée.

Selon une caractéristique de l'invention, l'interféromètre grande ouverture angulaire et large bande passante en fréquence comporte des moyens d'extraction de la phase < j? entre des signaux issus de chaque couple d'antennes élémentaires Ai, Aj et correspondant au signal reçu par l'interféromètre, des moyens de calcul-déterminant à partir d'au moins deux de ces valeurs de phase issues de deux couples d'antennes différents la direction vraie e du signal reçu par l'interféromètre, au moins un ensemble de deux couples d'antennes élémentaires, une antenne pouvant être commune aux deux couples, les distances entre les antennes de chacun des couples étant supérieures à r /2 où > représente la longueur d'onde du signal reçu par l'interféromètre.

D'autres avantages et caractéristiques de l'in Invention ressortiront de la description qui suit, illustrée à l'aide des figures qui représentent - la figure 1, un schéma d'un interféromètre de l'art
antérieur ; - la figure 2, schéma montrant les distributions de
direction extraites des signaux de phase issus des
deux couples d'antennes de l'interféromètre de la
figure 1 ; - la figure 3, un schéma montrant un interféromètre se
lon l'invention ; - la figure 4, un schéma montrant un exemple de distri
bution de directions extraites des signaux issus
des deux couples d'antennes de l'interféromètre de la
figure 3 ;; - la figure 5, le diagramme général d'un exemple de
réalisation de l'interféromètre selonl'invention.

Sur les figures 2 et 4, les ordonnées correspondent à l'amplitude des signaux portant les informations des écarts de phase entre les signaux reçus par les antennes élémentaires de l'interféromètre. Dans toute la description on suppose, à titre d'exemple non limitatif, que ces signaux sont digitalisés et ont donc des amplitudes correspondant à un niveau logique unité.

La présente invention vise à définir un interféromètre permettant d'éviter les couplages entre les antennes formant la petite base tout en préservant la précision de la mesure donnée par la longueur de la grande base correspondant dans le dispositif selon l'invention à la distance entre les antennes extrêmes.

La figure 1 représente un schéma d'un interféromètre suivant l'art antérieur. Il comporte quatre antennes Al, A2, A3, A4 réunies par couple. Le premier couple constitué des antennes Al et A2 est séparé par une distance L, et le second, constitué des antennes
A3 et A4 est séparé par une distance L . Les deux droites reliant les antennes d'un meme couple sont parallèles. Les deux antennes Al et A2 sont connectées à un circuit 8 permettant de mesurer la phase relative entre les signaux reçus par chacune de ces deux antennes ; de même les antennes A3 et A4 du second couple sont connectées à un circuit 9 de mesure de la phase relative des signaux reçus par les antennes A3 et A4.

Les signaux issus de ces deux circuits 8 et 9 sont appliqués au calculateur 10. Celui-ci détermine à partir de la mesure de ces deux phases, la direction e vraie du signal reçu par l'interféromètre. La mesure de cet angle e est disponible sur une borne de sortie S.

La figure 2 montre un schéma expliquant le traitement effectué dans le calculateur 10 de la figure 1 pour déterminer la direction e vraie du signal reçu par l'interféromètre à partir d'une part de la mesure de la phase X 3,4 correspondant à la phase relative entre les signaux reçus par les antennes A3 et A4 et d'autre part de la mesure de la phase t 1,2 correspondant à la phase relative entre les signaux reçus par les antennes Al et A2. Les antennes A3 et A4 formant la petite base, le résultat de la mesure de la phase relative t 3,4 entre les deux signaux reçus par les antennes A3 et A4 conduit à une solution unique de l'angle e de la direction d'origine du signal reçu par l'interféromètre.Cet angle e d'origine du signal est cependant entaché d'erreurs d'autant plus importantes que ces antennes sont proches l'une de l'autre. Sur le schéma de la figure 2, cette imprécision de la mesure est représentée par la largeur du signal déterminant la position de l'angle e. A l'inverse, la mesure de la phase t 1,2 entre les signaux reçus par les deux antennes Al et A2 de la grande base conduit à une ambigulté sur la direction du signal reçu par l'interféromètre, mais donne pour chacune des valeurs e t de la direction du signal reçu par l'interféromètre une précision beaucoup plus grande.

Le calculateur 10 effectue l'intersection de ces deux mesures des phases relatives t 1,2 et t 3,4 de façon à lever l'ambigulté obtenue par la seule mesure de la phase relative entre les signaux issus des antennes de la grande base Al, A2. Sur cette figure 2, la mesure de l'angle e vrai correspond donc à la valeur de l'angle noté e2,. Cette mesure de la direction du signal reçu par l'interféromètre est encore entachée d'une erreur qui est cependant très inférieure à celle obtenue par les seules antennes A3 et A4.

La figure 3 montre un exemple de la disposition des antennes d'un interféromètre suivant l'invention.

I1 comporte un unique ensemble de trois antennes alignées Al, A2 et A3. L'antenne centrale A2 est respectivement éloignée des antennes extremes Al et
A3 d'une distance L1 et L2. L'ensemble de ces trois antennes Al, A2 et A3 est relié à un circuit de trai tement 1 qui, premièrement, mesure les phases # 1,2 et T 2,3 respectivement entre les signaux reçus par les antennes Al et A2 et A2 et A3 et, deuxièmement, détermine à partir des valeurs de t 1,2 et de f 2,3 la valeur non ambiguë de la direction vraie du signal reçu par l'interféromètre.Ce circuit de traitement 1 calcule la valeur de l'angle e vrai en opérant une combinaison linéaire des phases mesurées t 1,2 et
2,3 de façon que, par rapport aux interféromètres de l'art antérieur, la grande base L soit représentée par la distance L1 + L2, et la petite base e corres ponde à ( L1 - L2 I. Le choix des longueurs L1 et L2 est donc un élément déterminant de la précision obtenue sur la valeur calculée de l'angle e vrai de la direction du signal reçu par l'interféromètre.

La figure 4 montre un schéma permettant d'expliquer les opérations effectuées par le circuit de traitement 1 afin de lever l'ambigulté obtenue à partir des deux phases #1,2 et #2,3, et donc de déterminer l'angle e vrai de la direction du signal reçu par l'interféromètre. Les deux longueurs L1 et L2 étant importantes par rapport à la moitié de la longueur d'onde du signal reçu par l'interféromètre, e. et obtenus à à partir de ces phases t 1,2 et t 2t3 est ambiguë. Le circuit de traitement 1 effectue une opération équivalente à l'intersection des différentes valeurs e. et e' i. Sur la figure 4, on voit que la mesure correspondant à l'angle e vrai est l'angle 92.

Cette valeur particulière de la série des valeurs e.

ambiguë est en effet la seule à correspondre à une valeur particulière de la série e' i des valeurs ambiguës obtenues à partir de la phase f 2,3. Lava- leur e2 correspondant à la valeur e vraie de la direction du signal reçu par l'interféromètre est obtenue avec une précision correspondant à la longueur L1 + L2, c'est-à-dire la longueur maximale disponible par l'interféromètre, -la précision obtenue sur l'angle e vrai est donc ici optimum. Les longueurs L1 et L2 doivent cependant être déterminées avec précision afin d'éviter des ambigultés.

Du fait-de la valeur de la longueur Ll, qui est supérieure à #/2, la valeur de la phase #1,2 entre les antennes A1 et A2 détermine une famille de valeurs e. pour la direction du signal reçu par l'interféromètre ; pour la même raison, la valeur de la phase
te 2,3- entre les antennes A2 et A3 détermine une famille de valeurs #'i. L'intersection de ces deux familles, effectuée par le circuit de traitement 1, doit donner une solution unique afin d'éviter les ambiguités.

I1 est donc nécessaire de choisir les valeurs des longueurs L1 et L2 de façon à repousser la seconde connu cidence au-delà de la valeur de l'angle e max correspondant à la moitié de l'ouverture maximale angulaire de l'interféromètre. Pour la même raison, cette détermination des longueurs L1 et L2 doit tenir compte de la bande de fréquence acceptée par l'interféromètre.

La méthode de détermination de ces deux longueurs L1 et L2 peut se résumer de la manière suivante, où # max représente la longueur d'onde maximale acceptée par l'interféromètre, e min la longueur d'onde minimale acceptée par l'interféromètre, e max le demi-angle d'ouverture de l'interféromètre, et498 le seuil d'erreur de phase à ne pas dépasser pour éviter toute confusion dans l'intersection des solutions e. et e'.

i i - une première étape consiste à déterminer la partie
entière E de la valeur #/2 ##s, ce qui permet de déterminer le nombre de valeurs e. se trouvant entre deux coïncidences pour l'intersection des angles e.

et des angles e' i. Dans une seconde étape, on effectue une première estimation de la longueur L1. Cette estimation est donnée par la formule

- ensuite on détermine la valeur de l'erreur e qui
s'ensuivra sur la détermination de l'angle e. Si
e représente cette erreur, n e s'exprime par

Ensuite on effectue une seconde détermination plus précise de la longueur Ll ; celle-ci est donnée par la formule L1 = (E+0,5) X min
sin e max + sin(emax+e)
A partir de cette nouvelle valeur de la longueur
L1, on réeffectue le calcul de l'erreur # e afin d'en affiner sa valeur.Si la précision demandée sur la longueur L1 est importante, on refait alors une troisième détermination de la valeur L1 par la formule précédente. Lorsque la précision nécessaire sur L1 ést obtenue, on calcule alors la valeur de la longueur
L2 à l'aide de la formule
L2 = L1/ss .

Par exemple, si l'on suppose un interféromètre tel que la fréquence minimale reçue soit de 800 MHz, que la fréquence maximale soit de 3 000 MHz, que l'angle d'ouverture demandé soit de 680 et que l'erreur sur la phase ##, corresponde à 12,50, alors la longueur L1 répondant au problème posé d'après les équations précédentes est de 0,398 m, la longueur L2 est de 0,345 m et l'erreur #e sur l'angle recherché est de 5,5 .

La figure 5 représente un schéma d'un exemple de réalisation d'un interféromètre selon l'invention.

Il comporte trois antennes Al, A2 et A3, respectivement connectées en série avec trois circuits de changement de fréquence 2, 3, 4 et trois amplificateurs limiteurs 5, 6, 7. Chaque circuit de changement de fréquence 2, 3 et 4 reçoit d'un oscillateur local 11 un signal dont la phase est adaptée afin de compenser les déphasages dus à la longueur des liaisons entre cet oscillateur local 11 et les circuits de changement de fréquence 2, 3 et 4. Un premier détecteur de phase 8 est connecté à la sortie des amplificateurs limiteurs 5 et 6, un second 9est connecté à la sortie des amplificateurs limiteurs 6 et 7.La sortie des deux détecteurs de phase 8 et 9 est connectée à un calculateur 10 qui reçoit, par ailleursr d'une borne E2, la valeur codée sous forme d'un signal numérique des longueurs L1 et L2 et de la longueur d'onde > du signal reçu par l'interféromètre.

Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant le signal, dont on cherche à déterminer la direction d'origine, est reçu par les trois antennes Al, A2 et
A3 de l'interféromètre. Ce signal est transposé en moyenne fréquence à l'aide des circuits de changement de fréquence 2, 3 et 4 recevant le signal de changement de fréquence de l'oscillateur local 11. Les trois amplificateurs limiteurs 5, 6 et 7 permettent d'obtenir à leur sortie des signaux d'amplitude égale. Les deux détecteurs de phase 8 et 9 déterminent alors les phases 1,2 et t 2,3 respectivement entre les signaux issus des antennes Al, A2 et A2, A3.Le calculateur 10 reçoit alors d'une part les valeurs de ces phases ? 1,2 et tu 2,3 et d'autre part la valeur des longueurs L1 et L2 et la valeur de la longueur d'onde > du signal reçu par les antennes de l'interféromètre. Cette valeur de est déterminée à partir d'un circuit non représenté ici, connecté par exemple à une antenne auxiliaire ou à l'une des antennes de l'interféromètre. Ce circuit de détermination de la longueur d'onde connu de l'homme de l'art peut être simplement un circuit mesurant la fréquence du signal reçu et en déduisant à l'aide d'un circuit de calcul la valeur de la longueur d'onde correspondante.

Le calculateur, à partir des valeurs des phases 1,2 et t 2,3 mesurées, détermine les familles d'angles 91 et e i définies précédemment. L'intersection de ces deux familles définit deux indices k et k' donnant pour chacune des familles e. et e ' i respectivement, le rang de la valeur correspondant à la direction e vraie du signal reçu par l'interféromètre.

Dans une seconde étape, le calculateur 10 détermine les valeurs71 et ? 2 définies par

Enfin, il calcule la valeur de l'angle e vrai par inversion des valeurs #1 et #2 à l'aide de l'é- quation :

L'utilisation pour la détermination de l'angle e, de combinaisons des phases t 1,2 et t 2,3 après le lever d'ambiguité permet, comme mentionné précédemment, d'obtenir une précision sur la valeur de l'angle e correspondant à la longueur de la grande base équivalente à L1 + L2.

L'exemple décrit précédemment concerne un interféromètre comportant un unique ensemble de trois antennes. Un interféromètre comportant un ensemble de quatre antennes regroupées selon deux couples d'antennes dont les distances d'éloignement pour les antennes d'un meme couple sont respectivement L1 et L2 ne sort pas du cadre de l'invention.

De même, l'utilisation de plusieurs groupes de trois ou de quatre antennes, par exemple alignées selon deux directions orthogonales, ne sort pas du cadre de l'invention. En particulier, une disposition de l'interféromètre selon l'invention consiste à utiliser cinq antennes disposées selon deux directions orthogonales, l'une de ces antennes étant située à 1'intersection de ces deux directions, et telle que sur chacune de ces deux directions l'on ait un ensem bledetrois antennes séparées les unes des autres par des distancesdéfinies par les longueurs L1 et L2.

Une telle disposition permet alors une interférométrie notamment en site et en gisement.

La structure des antennes utilisées peut être quelconque. Un mode préférentiel de réalisation consiste à utiliser des antennes de type spiraIes planes et réalisées par exemple selon la technique des circuits imprimés. L'utilisation d'un tel type d'an- tennes -permet en effet un encombrement réduit et une large bande passante, ce qui est un élément déterminant pour la réalisation de ces interféromètres.

On a ainsi décrit un interféromètre à grande ouverture angulaire et large bande

Claims

REVENDICATIONS

1. Interféromètre à grande ouverture angulaire et large bande passante en fréquence, comportant des moyens a d'extraction de la phase T ij entre des si- gnaux issus de chaque couple d'antennes élémentaires

Ai, Aj et correspondant au signal reçu par l'interféromètre, des moyens de calcul permettant d'obtenir à partir d'au moins deux de ces valeurs de phase issues de deux couples d'antennes différents la direction vraie e du signal reçu par l'interféromètre, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un ensemble de deux couples d'antennes élémentaires, les distances entre les antennes de chacun des couples étant supé rieures à /2 oui > représente la longueur d'onde du signal reçu.

2. Interféromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque ensemble de couples d'antennes élémentaires possède une antenne élémentaire commune, définissant ainsi un ensemble de trois antennes élémentaires (Al, A2, A3) les distances entre les antennes de chacun des couples correspondant aux distances (L12 et L23) respectivement entre deux antennes élémentaires successives (Al, A2 et A2, A3).

3. Interféromètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que les trois antennes élémentaires d'un même ensemble sont alignées.

4. Interféromètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que la différence entre les distances séparant deux antennes successives (L12 et L23) d'un même ensemble de trois antennes élémentaires est inférieure à /2.

5. Interféromètre selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte cinq antennes élémentaires (Al, A2, A3, A4, AS) disposées selon deux directions orthogonales, l'antenne (A3) se trouvant à l'intersection des deux droites étant commune aux deux ensembles formés par trois antennes élémentaires (Al, A2, A3 et

A3, A4, A5).

6. Interféromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les antennes élémentaires sont planes.

7. Interféromètre selon la revendication 6, caractérisé en ce que les antennes élémentaires sont réalisées selon la technique des circuits imprimés.

8. Interféromètre selon la revendication 7, caractérisé en ce que les antennes élémentaires sont du type spirales.