Antenne, filtre linéaire de fréquences spatiales
Antennes à traitement du signal - Partie 1

Dans un système complexe, tel qu’un réseau de télécommunication, un radar, un sonar, on considère souvent que chaque organe constitutif (antenne, récepteur, émetteur...) assure les fonctions du système qui lui sont propres. C’est ainsi que les propriétés directives y sont assurées par l’antenne, le spectre et l’énergie du signal émis par l’émetteur, la détection et les mesures de distances ou de vitesse par le récepteur et ainsi de suite.

Pourtant, il existe des exemples courants où cette conception est contredite. Historiquement, on les trouve d’abord dans les systèmes de poursuite angulaire de satellites de télécommunication ou de radars. Ainsi, dans la technique monopulse, la précision angulaire résulte de l’association de l’antenne et d’un traitement particulier par le récepteur des signaux qu’elle reçoit. Autres exemples : les méthodes d’imagerie développées notamment en radioastronomie et les techniques d’antibrouillage des antennes de radars.

Le domaine des antennes à traitement du signal résulte de la généralisation de ces exemples. Dans un système conçu sur ces bases, l’ensemble de ses performances résulte de la symbiose des organes constitutifs dans le traitement des signaux qu’ils échangent. C’est pourquoi une bonne compréhension de ce dossier suppose des connaissances générales suffisantes en Traitement du Signal (cf. Traitement numérique du signal), notamment dans ses applications aux télécommunications ou aux radars (filtrage, corrélation, compression d’impulsion...).

Cependant, on notera que partout où c’était possible nous avons réduit l’appareillage mathématique au minimum de façon à ne pas occulter les phénomènes physiques sous la complexité des calculs. Plutôt que d’aborder un problème dans toute sa généralité, nous avons souvent préféré en traiter de façon explicite un aspect « canonique » simple.

L’ensemble des méthodes et des applications des antennes à traitement du signal constitue un domaine extrêmement large : on les rencontre non seulement en radiocommunications, en radar ou en radioastronomie, mais aussi en acoustique, en géophysique, en imagerie médicale et dans bien d’autres domaines.

Ce dossier est divisé en deux parties.

Cette première partie [E 3 320] débutera par une présentation et un rappel sur les systèmes linéaires stationnaires. Il existe en effet un concept unificateur qui permet souvent d’utiliser le même langage pour les antennes comme pour les autres éléments constitutifs d’un système : c’est celui de filtre linéaire de fréquences spatiales qui repose essentiellement sur les propriétés mathématiques de la Transformation de Fourier. Toutes les propriétés relatives aux signaux dont le spectre est à support borné sont donc transposables aux antennes.

Nous considérerons ensuite deux systèmes d’antennes à traitement du signal. Nous commencerons par l’étude des antennes à codage spatio-temporel ou antennes synthétiques, notamment les antennes à ouverture synthétique (SAR : Synthetic Aperture Radar). Véhiculées par un avion ou un satellite, ces antennes peuvent donner du sol une image à haute définition.

Nous aborderons ensuite le domaine de la Goniométrie c’est-à-dire la faculté, par un système d’antenne, de donner les directions angulaires d’une ou plusieurs sources de rayonnement ponctuelles, notamment dans le cas où ces sources sont cohérentes, c’est-à-dire lorsque leurs amplitudes et phases relatives restent stables pendant la durée de la mesure. C’est un cas particulier du thème de l’Imagerie qui sera traité dans la seconde partie Antennes à traitement du signal- Partie 2.

L’exemple de goniomètre le plus simple et le plus fréquent est celui des antennes de poursuite angulaire qui ont pour mission de localiser une source unique. Nous verrons que l’excellente précision généralement obtenue résulte de l’exploitation des signaux d’antenne par un algorithme de traitement adéquat : la technique monopulse.

Nous traiterons ensuite le problème de la goniométrie de plusieurs sources cohérentes ponctuelles : c’est par exemple le cas d’un écho radar associé à son image dans le sol.

Une configuration multiponctuelle dépend d’un nombre fini de degrés de liberté. Pour l’identifier, la solution réside dans le traitement d’un nombre au moins égal de mesures indépendantes. On peut dire que c’est une forme d’extension de la technique monopulse.

Nous terminerons cette première partie en évoquant l’influence du bruit sur les précisions de mesures et le choix d’un critère de décision.