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RÉSUMÉ
Le domaine des applications des antennes à traitement du signal est immense. Cet article s’attache tout d’abord à présenter la notion d’incohérence, ce qui permet d’introduire les réseaux multiplicatifs, ainsi que les antennes réseaux à redondance minimale. Ensuite, il décrit le principe des méthodes haute résolution applicables en radar, sonar et radioastronomie, avant de détailler le fonctionnement des antennes autoadaptives appliquées à l’antibrouillage.
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Serge DRABOWITCH : Docteur-ingénieur ESE (École Supérieure d’Électricité) - Ex-chef de service Antennes THALES - Ex-professeur ESE
INTRODUCTION
Comme en goniométrie, les diverses méthodes d’Imagerie portent sur un milieu extérieur non directement accessible (espace, océan, sol terrestre, organe…). On cherche à en donner une image vraisemblable permettant d’y localiser divers objets. Certains milieux sont eux-mêmes sources de rayonnements incohérents (rayonnement stellaire, rayonnement thermique…). Ils donnent lieu à l’ imagerie passive (cas de la radioastronomie, de la radiométrie, du sonar passif). Ce rayonnement est mesuré au moyen de capteurs (antennes de réception) et fait l’objet de traitements au moyen d’algorithmes tenant compte des informations dont on dispose a priori sur le milieu observé, ainsi que des bruits de mesures.
D’autres milieux ne sont pas le siège d’un rayonnement spontané : c’est le cas notamment du radar et du sonar actifs. Ils doivent être illuminés par une ou plusieurs antennes d’émission. À l’exemple des antennes synthétiques, traitées en , le champ rayonné par ces antennes peut faire l’objet d’un codage spatio-temporel (appelé parfois rayonnement coloré ) auquel on peut ajouter une analyse polarimétrique. Une caractéristique propre aux systèmes actifs est que le champ rayonné à l’émission est cohérent, alors que le champ rétrodiffusé par le milieu analysé est, lui, généralement au moins partiellement décorellé. Cette décorrélation s’observe surtout en présence de signaux multiples et de brouilleurs. Elle peut aussi provenir du milieu de propagation ou encore de la mobilité des récepteurs.
Un premier exemple simple de méthode d’imagerie de sources incohérentes sera donné avec les réseaux multiplicatifs qui trouvent des applications très diverses (radars portuaires, radioastronomie…).
Nous présenterons ensuite l’important théorème de Van Cittert et Zernicke. Il relie la distribution angulaire (inconnue) des sources externes à la fonction de cohérence spatiale du champ observable. Les capteurs associés à des corrélateurs donnent de cette fonction un échantillonnage spatial : la matrice de covariance qui joue un rôle central dans tous les traitements d’antennes.
Dans tous les cas, la qualité de l’image obtenue est limitée par le pouvoir séparateur ou limite de résolution de l’instrument utilisé (antennes et traitements associés).
De façon classique, la résolution angulaire d’une antenne est limitée par ses dimensions, qui limitent elles-mêmes la finesse du pinceau qu’elle pourrait rayonner. Les méthodes dites haute résolution montrent comment, dans certains cas, il est possible de franchir cette limite : nous présenterons la méthode de BURG, connue sous le nom de Méthode de l’Entropie Maximale (MEM). Cette méthode est souvent équivalente aux méthodes d’analyses spectrales Autorégressives (AR). D’autres méthodes, basées sur l’analyse des éléments propres de la matrice de covariance, seront également présentées et illustrées par la plus connue : la méthode « MUSIC ».
Nous poursuivrons par l’étude des antennes autoadaptives qui assurent une sorte de filtrage spatial, privilégiant les signaux utiles vis-à-vis des signaux gênants ou inutiles, souvent qualifiés de brouilleurs . Cette fonction de filtrage spatial est essentielle dans les radars et dans les réseaux complexes de communications.
Le dernier sujet traité dans ce dossier sera celui des antennes dites « intelligentes » par un abus de langage ( Smart Antennas ). Elles constituent une synthèse entre les techniques précédentes. Leur essor accompagne le développement actuel, quasi explosif des télécommunications. Il se concrétise dans le concept MIMO ( Multiple Input Multiple Output ) qui permet, par multiplexage spatial, d’augmenter notablement la capacité de transmission d’un système de communications sans augmenter sa bande de fréquences.
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Imagerie de sources incohérentes
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5. Conclusion générale
Le domaine des applications des antennes à traitement du signal est immense. Dans le but de donner à ce dossier un caractère à la fois synthétique et didactique, les principes généraux qu’il présente ont été appuyés sur les seuls exemples d’applications qui les ont vu naître. Pour mémoire, en :
-
radars à ouverture synthétique (SAR) (figure 20) ;
-
poursuite angulaire monopulse ;
-
localisation d’une source en présence de son image au sol ;
et dans ce dossier
-
réseaux multiplicatifs et croix de Mills en radioastronomie ;
-
méthodes « Haute résolution » applicables en radar, sonar et radioastronomie ;
-
antennes autoadaptives appliquées à l’antibrouillage dans les mêmes domaines ainsi qu’en télécommunications.
Nous nous sommes donc abstenu d’évoquer les systèmes qui n’utilisent pas pour le moment le traitement d’antennes proprement dit (localisateurs type GPS ou Galiléo, basés sur des mesures de temps, radars civils de surveillance d’autoroutes, basés sur des mesures de fréquences, etc.).
Par contre, nous avons évoqué les applications médicales des radiomètres à corrélation et surtout nous avons développé le sujet des systèmes multiantennes émission-réception appliqués à la transmission des signaux à haut débit.
Bien sûr, ces exemples choisis ne sont pas limitatifs : on en trouve un grand nombre dans la littérature spécialisée et nul doute que l’imagination du lecteur en découvrira d’autres.
L’objectif poursuivi dans ce dossier sera atteint si nous avons réussi à initier le lecteur au vocabulaire et aux méthodes des antennes à traitement du signal et si nous lui avons permis d’aborder et de comprendre la littérature spécialisée afin de la mettre, à son gré, au service de sa propre créativité.
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - KSIENSKI (A.) - Multiplicative processing antenna systems for radar applications. - The Radio and Electronic Engineer, January 1965.
-
(2) - STROKE (G.W.) - An Introduction to Coherent Optics and Holography - . p. 63, Academic Press.
-
(3) - ARSAC (J.) - Nouveau réseau pour l’observation radio-astronomique de la brillance du soleil à 9350 Mc/s - . C.R. de l’Académie des Sciences de Paris, Vol. 240, pp. 942-945, Février 1955.
-
(4) - BRACEWELL (R.N.) - The Fourier Transform and its Applications - . McGraw-Hill, 1978.
-
(5) - LEECH (J.) - On the representation of 1, 2,… n by differences - . J. London Math. Soc., Vol. 31, pp. 160-169, 1956.
-
(6) - LIM (J.S.), MALIK (N.A) - Maximum entropy power spectrum estimation with missing correlation points - . IEEE Trans....
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