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La radiogoniométrie
Définition et applications
La goniométrie est un processus d’estimation permettant d’estimer la direction d’arrivée d’une onde émise par une source rayonnante. L’onde peut être acoustique, électrique, sismique ou électromagnétique (EM). Elle est mesurée par un ensemble de capteurs permettant d’extraire les propriétés du champ incident, utiles à l’estimation de direction d’arrivée. Dans le cas d’une onde EM, on parle de radiogoniométrie. Un radiogoniomètre désigne le système complet permettant l’estimation. La radiogoniométrie, apparue au début du XXème siècle avec l’utilisation d’antennes directives, est en constante évolution. En 1909, E. Bellini et A. Tosi ont breveté la première antenne de goniométrie électromécanique compacte, composée de deux boucles croisée . Les premières techniques de goniométrie automatique permettant de mesurer les angles d’arrivée instantanément, sont arrivée un peu plus tard, en 1926, avec la technique Watson Watt [2]. D’abord basée sur l’utilisation de deux antennes cadres croisées, elle fût étendue à l’utilisation d’antennes de type Adcock [3].
Durant la seconde guerre mondiale, la radiogoniométrie a rapidement évoluée avec le développement de radiogoniomètres, par le contre-espionnage allemand, permettant de localiser les postes radio clandestins utilisés par la Résistance dans les pays occupés. Elle fût aussi utilisée par l’armée américaine pour la localisation des sous-marins hostiles utilisant des communications en bande HF. C’est aussi durant cette période, que furent développés les premiers dispositifs de homing qui consiste à utiliser la mesure angulaire réalisée à partir de radiogoniomètres intégrés sur des avions, navires où personnes pour se diriger vers les sources d’émission. Depuis, les progrès technologiques en électronique sur les récepteurs et les antennes, ont permis d’accroître les capacités des radiogoniomètres ainsi que celles des techniques de traitements avec l’arrivée de l’électronique numérique. Offrant toujours plus de fonctionnalités, ces systèmes sont de plus en plus répandus.
Architecture générale d’un radiogoniomètre numérique
De nos jours, la plupart des radiogoniomètres sont numériques, permettant d’appliquer des techniques de traitement d’antennes de plus en plus performantes.
Ces dispositifs peuvent donc être décomposés en quatre sous-systèmes :
− une antenne ;
− un récepteur ;
− une unité de traitement ;
− une interface homme/machine.
L’antenne
L’antenne de radiogoniométrie est le premier élément de la chaîne de réception d’un radiogoniomètre. Elle correspond généralement à un ensemble de capteurs permettant d’échantillonner le champ EM indicent. En radiogoniométrie, ces capteurs sont des antennes de réception. La topologie du système antennaire (en particulier sa taille et son encombrement) est liée aux techniques de traitement utilisées ainsi qu’aux fréquences opérationnelles.
Le récepteur
Le récepteur est composé d’un certain nombre de voies de réception correspondant au nombre de sorties d’antennes si aucune commutation ou multiplexage n’est réalisé en amont. Sur chacune de ces voies, un traitement analogique des échantillons mesurés est appliqué. On peut y retrouver un contrôle automatique du gain pour amplifier les faibles signaux ou atténuer les fortes puissances en entrée et un filtrage pour réduire le bruit dans la chaîne de réception et les éventuelles interférences hors des bandes d’intérêt. Les caractéristiques de mesure (fréquence, bande passante, amplification, …) sont définies à l’aide de commandes envoyées par l’unité de traitement. Des indicateurs contenant l’état du récepteur peuvent être renvoyés vers l’unité de traitement. Ensuite, les observations sont numérisées par l’intermédiaire d’un convertisseur analogique/numérique (CAN) et envoyées vers l’unité de traitement.
L’unité de traitement
L’unité de traitement utilise les signaux numériques transmis par le récepteur pour estimer la direction d’arrivée du champ EM incident à partir d’un traitement de goniométrie implémenté sur un FPGA (Field Programmable Gate Array) ou sur un DSP (Digital Signal Processing). Une boucle d’asservissement peut être utilisée pour permettre, suite à plusieurs mesures, de raffiner l’estimation de direction d’arrivée.
L’interface homme/machine
Enfin l’interface homme/machine permet à l’opérateur d’analyser les résultats de l’estimation de direction d’arrivée ainsi que de contrôler les caractéristiques de mesure en envoyant diverses commandes à l’unité de traitement.
Techniques de traitement de goniomètrie
Les techniques de traitements de goniométrie sont utilisées pour extraire l’information de direction d’arrivée à partir des observations traitées et numérisées en sortie du récepteur. L’ensemble de ses traitements est basé sur l’hypothèse que l’onde incidente est localement plane. Dans cette partie, nous allons présenter les principales techniques de traitement, à savoir :
− la goniométrie d’amplitude [4, 5] ;
− la goniométrie Watson-Watt [4] ;
− la goniométrie par interférométrie [4] ;
− la goniométrie à super-résolution et à haute-résolution [6].
Goniométrie d’amplitude
La goniométrie d’amplitude [4, 5] utilise directement le diagramme de l’antenne pour repérer le maximum d’amplitude par calcul ou par formation de faisceaux, le minimum d’amplitude lors de l’utilisation d’antennes cadres ou encore en comparant l’amplitude entre deux antennes dont les diagrammes se recouvrent. La recherche du minimum d’amplitude à partir d’une antenne à cadre tournante est l’approche la plus ancienne. Un dipôle électrique est utilisé pour lever l’ambiguïté de 180◦ en formant un diagramme en cardioïde par sommation .
La formation de faisceaux est une technique plus récente issue des traitements radar. Elle utilise un ensemble de capteurs spatialement répartis. Les sorties d’antennes sont pondérées en phase puis sommées. Cette pondération est fonction du déphasage progressif d’une antenne à une autre, qui dépend de la direction d’arrivée et de la distance entre capteurs. Les pondérations permettent ainsi de remettre en phase les signaux et d’obtenir un diagramme avec un maximum dans la direction d’arrivée. Avec cette technique, la précision d’estimation dépend de la largeur du lobe principal et du nombre d’échantillons mesurés. Plus le nombre de capteurs est élevé, plus le faisceau est étroit et meilleure est la précision. On peut jouer aussi sur la distance entre capteurs cependant cela augmente l’amplitude des lobes secondaires risquant de provoquer des estimations ambiguës. Ainsi, pour assurer de bonnes performances, le système antennaire doit comporter suffisamment de capteurs ce qui augmente l’encombrement du dispositif. C’est pourquoi, on retrouve cette technique pour des applications radar, là où les fréquences sont plus élevées.
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Table des matières
Introduction
I Contexte du travail de thèse
1 La radiogoniométrie
1.1 Définition et applications
1.2 Architecture générale d’un radiogoniomètre numérique
1.2.a L’antenne
1.2.b Le récepteur
1.2.c L’unité de traitement
1.2.d L’interface homme/machine
1.3 Techniques de traitement de goniomètrie
1.3.a Goniométrie d’amplitude
1.3.b Goniométrie Watson-Watt
1.3.c Goniométrie par interférométrie
1.3.d Goniométrie à super-résolution et à haute-résolution
1.4 Caractéristiques d’un radiogoniomètre
1.4.a La précision angulaire
1.4.b La sensibilité
1.4.c Risque d’ambiguïtés angulaires
1.4.d Robustesse face aux multitrajets
1.4.e Couverture angulaire
1.4.f Couverture fréquentielle
1.5 État de l’art des antennes de radiogoniométrie
2 Motivations et objectif du travail de thèse
2.1 Couverture angulaire des radiogoniomètres et antennes associées
2.2 Couverture de l’espace 3D à partir d’antennes vectorielles
2.3 Objectif du travail de thèse
II Antennes vectorielles et techniques de traitement de goniométrie adaptées
1 Les antennes vectorielles
1.1 Principe général
1.2 Caractéristiques d’une antenne vectorielle
1.2.a Largeur de bande
1.2.b Diagramme de rayonnement
1.2.c Directivité et Gain
1.2.d Surface effective
1.2.e Polarisation
1.3 Les antennes multibandes
1.3.a Combinaison de plusieurs éléments rayonnants
1.3.b Utilisation de trappes
2 Modélisation des observations à partir d’antennes vectorielles
2.1 Modèle d’observation général
2.2 Le dipôle élémentaire
2.3 Modèle d’observation de l’antenne vectorielle mesurant les six composantes du champ EM
2.4 Rapport signal à bruit
3 Techniques de traitement adaptées aux antennes vectorielles
3.1 Estimateur par produit vectoriel basée sur une approche par décomposition en harmoniques sphériques – DHS
3.1.a Représentation du champ EM en modes sphériques
3.1.b Opérateur de rayonnement C+
3.1.c Opérateur de rayonnement C−
3.1.d Recomposition du champ EM
3.1.e Impact de la répartition spatiale des capteurs de l’antenne sur les performances d’estimation
3.2 Technique de traitement haute-résolution – MUSIC
3.2.a Matrice de covariance des observations
3.2.b Détermination des sous espaces signal et bruit
3.2.c Fonction MUSIC à partir d’une antenne non polarisée
3.2.d Fonction MUSIC à partir d’une antenne vectorielle
3.2.e Impact de la répartition spatiale des éléments de l’antenne sur les performances d’estimation
3.2.f Analyse du risque d’ambiguïtés en radiogoniométrie 3D
4 Antennes vectorielles à composantes limitées
4.1 Antennes vectorielles à trois composantes
4.2 Adaptation de la technique DHS
4.3 Adaptation de la technique MUSIC
4.4 Impact sur la précision d’estimation
5 Conclusion du chapitre
III Choix du traitement d’antennes vectorielles à composantes limitées
1 Développement d’une antenne vectorielle à trois capteurs colocalisés
1.1 Dimensions de l’antenne
1.2 Les capteurs électrique et magnétiques
1.2.a Les capteurs magnétiques
1.2.b Le capteur électrique
1.3 Couplage entre capteurs
1.4 Diagrammes de rayonnement
2 Simulation des performances d’estimation de l’antenne Cloc
2.1 Conditions de l’estimation
2.2 Risque d’ambiguïtés
2.3 Précision d’estimation avec la technique de traitement MUSIC
2.4 Précision d’estimation avec la technique de traitement DHS
3 Mesure des performances d’estimation de l’antenne Cloc
3.1 Réalisation d’un prototype
3.2 Conditions d’estimation
3.3 Précision d’estimation avec la technique de traitement MUSIC
3.4 Précision d’estimation avec la technique de traitement DHS
4 Répartition spatiale des capteurs
4.1 Topologie proposée
4.2 Analyse du risque d’ambiguïtés théorique
4.3 Calcul de la borne de Cramer Rao
4.4 Dimensions de l’antenne
4.5 Couplage entre capteurs
4.6 Diagrammes de rayonnement
5 Simulation des performances d’estimation de l’antenne Dloc
5.1 Conditions de l’estimation
5.2 Risque d’ambiguïtés
5.3 Précision d’estimation avec la technique de traitement MUSIC
5.4 Précision d’estimation avec la technique de traitement MUSIC sur un large support
6 Conclusion du chapitre
IV Développement d’une antenne vectorielle de goniométrie UHF bibande
Conclusion
