analyse et dÉveloppement de radar À diversitÉ spatiale: applications À l'Évitement de...

7/25/2019 ANALYSE ET DVELOPPEMENT DE RADAR DIVERSIT SPATIALE: APPLICATIONS L'VITEMENT DE COLLISIONS DE V

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UNIVERSIT DE MONTRAL

ANALYSE ET DVELOPPEMENT DE RADAR DIVERSIT SPATIALE:

APPLICATIONS L'VITEMENT DE COLLISIONS DE VHICULES

ET AU POSITIONNEMENT LOCAL

RAMIN DEBAN

DPARTEMENT DE GNIE LECTRIQUE

COLE POLYTECHNIQUE DE MONTRAL

THSE PRSENTE EN VUE DE LOBTENTION

DU DIPLME DE PHILOSOPHI DOCTOR (Ph.D)

(GNIE LECTRIQUE)

AVRIL 2010

Ramin Deban, 2010


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UNIVERSIT DE MONTRAL

COLE POLYTECHNIQUE DE MONTRAL

Cette thse intitule :

ANALYSE ET DVELOPPEMENT DE RADAR DIVERSIT SPATIALE:

APPLICATIONS L'VITEMENT DE COLLISIONS DE VHICULES

ET AU POSITIONNEMENT LOCAL

Prsente par : M. DEBAN Ramin

en vue de lobtention du diplme de : PHILOSOPHIAE DOCTOR

a t dment accepte par le jury dexamen constitu de :

M. HACCOUN David, Ph.D., prsident

M. WU Ke, Ph. D., membre et directeur de rechercheM. CONAN Jean, Ph.D., membre et co-directeur de recherche

M. AKYEL Cevdet, D.Sc.A., membre interne

M. KOUKI Ammar, Ph.D., membre externe


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DEDICACE

la mmoire de mon pre,

Rozita pour son soutien sans faille et pour Mlina

notre toile montante


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REMERCIEMENTS

Un rve denfance vient de sachever avec plus de deux dcennies de retard et loin de ma terre

natale. Ceci naurait pas t possible sans la contribution dun certain nombre de personnes qui

je resterai redevable pour le restant de mes jours. Tout dabord, je voudrais remercier le

Professeur Ke Wu, mon directeur de recherche pour ses conseils, ses ides innovantes et ses

encouragements. Un grand remerciement au Professeur Jean Conan, mon co-directeur de

recherche, pour ses soutiens techniques et moraux.

Je voudrais galement remercier les technologues du Poly-Grames commencer par Jules

Gauthier, Steve Dub, Ren Archambault, Rock Brassard, Maxime Thibault, Jean-Sbastien

Dcarie et Traian Antonescu sans qui ce travail serait rest ses balbutiements.

Je remercie Ginette Desparois pour son aide et sa gentillesse et son sourire qui vont toujours

rester gravs dans ma mmoire.

Par ailleurs, je tiens remercier tous mes amis Poly-Grames qui mont encourag et mont

conseill tout au long de mes tudes. Je pense particulirement Amirhossein Tehranchi et

Armin Parsa pour leurs amitis sincres.

Je voudrais exprimer ma gratitude mon pouse pour sa patience et son support inconditionnel.

Jembrasse ma fille qui a t pour moi la fois la plus grande source de motivation et uneexcellente conseillre linguistique.

Finalement, je remercie ma mre qui un jour a eu lide de menvoyer vers mon destin et qui

cherche savoir o jen suis rendu dans cette vie dexil. Je me suis inspir de la posie du Hafez,

le clbre pote persan du 14mesicle pour rpondre cette question :

Ne me demande pas (ke maporse)

Ne me demande pas combien jai souffert de cet amour,

Ne me demande pas combien cet exil ma t douloureux,Je me suis tellement balad dans ce monde,

Ne me demande pas quel lieu je me suis rendu,

Et pour y arriver,

Ne me demande pas combien de larmes jai verses.


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RSUM

En tant que dispositif dassistance la conduite scuritaire de la prochaine gnration

dautomobiles, les radars ont suscit beaucoup dintrt auprs des chercheurs du domaine au

cours de la dernire dcennie. Dsormais appels les radars vitement/avertissement des

collisions (collision avoidance/warning), ces radars ouvrent leurs chemins pour venir en aide aux

conducteurs dans les conditions climatiques difficiles ou en perte de concentration. Une autre

application rcente des radars est dans les systmes de positionnement local. Dans les milieux

industriels et mdicaux, nous avons besoin de localiser les quipements sollicits frquemment

dont les contraintes de cot et dencombrement limitent le nombre dexemplaires. Par ailleurs,

avec le vieillissement de la population et les besoins croissants des personnes ges en soins

mdicaux, la ncessit dun systme permettant lvaluation distance de la position (debout,

couch, tomb, ) des patients se fait sentir depuis un certain temps. Un autre exemple est la

surveillance des enfants et des personnes risque dans un endroit peupl comme dans une foire

ou sur une plage. La possibilit de pouvoir reprer les pompiers dans un immeuble en feu serait

une autre application intressante. Devant la multitude de ces applications potentielles et

attrayantes dont les contextes voluent, le systme de positionnement local doit son tour

voluer et sadapter. Par ailleurs, il est bien connu que les radars, comme tous les systmes de

tlcommunications sans fil, sont confronts au problme dvanouissement du signal. Dunemanire gnrale, ce problme est d aux propagations multi-chemins du signal. Autrement dit,

les rflexions multiples du signal par les objets environnants mobiles et stationnaires se

neutralisent de faon alatoire au point darrive o se trouve lantenne rceptrice. Dans un

contexte diffrent et pour des raisons priori diffrentes, les radars subissent le mme type de

dfaillances. Mme dans un milieu dgag et avec la visibilit directe (line of sight) sur la cible,

les radars sont exposs au problme dvanouissement du signal (power fading) d aux

changements de la surface quivalente radar (radar cross section) de la cible.

Une partie de cette thse est consacre lanalyse et la modlisation dun radar permettant la

comprhension du phnomne de scintillement ainsi que la proposition dune solution pratique

principalement utile dans le contexte des radars dvitement des collisions. Cette technique,

nomme radar diversit spatiale , sinspire de la solution Multi-Input-Multi-Output (MIMO).

Initialement invente pour diminuer le taux derreur (bit error rate) des liaisons sans fil et pour


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augmenter la capacit des canaux de tlcommunication, la solution MIMO tente dapporter une

rponse cette problmatique par lintroduction dune forme de redondance de linformation en

exploitant lorthogonalit des signaux mis dans le domaine spectral ou temporel. L'ide

essentielle de cette solution est de mettre plusieurs antennes l'mission et la rception et

demployer un systme de codage permettant la reconstitution du signal dorigine partir de ses

diffrentes rpliques. Plusieurs types de diversits (spatiale, polarisation, diagramme de

rayonnement et de frquence) sont proposs et documents dans la littrature. Dans ce contexte et

lors dun vanouissement, il est bien probable qu'au moins une des antennes rceptrices fournit la

puissance au-del du seuil du rcepteur. Ce principe est galement exploitable pour les radars o

chaque antenne aperoit un aspect de la cible diffrent des autres antennes. En dautres termes,

pour un systme bien conu, la probabilit dvanouissement simultan des signaux reus par

toutes les antennes est suffisamment faible.

Dans la premire partie de cette thse nous avons modlis le radar diversit spatiale. Nous

dmontrons par le modle mathmatique lintrt de ce type de radar et les gains en termes de

rduction de fluctuation du signal reu. De la mme manire que la largeur de faisceau dune

antenne, nous introduisons la notion de la porte angulaire dun systme de radar, ceci tant

langle correspondant la moiti de puissance reue par rapport la puissance maximale. Nous

avons galement illustr lamlioration de la porte angulaire des radars diversit spatiale.

Concernant le systme de positionnement local, la mthode la plus couramment utilise est de

positionner trois stations de base et de calculer la position de la cible par triangulation. Dans la

pratique, une quatrime station de base est galement ajoute pour amliorer la fiabilit du

systme et obtenir une meilleure synchronisation du temps. Dans certains exemples cits plus

haut, comme la surveillance des plages ou les immeubles en feu, la mise en place de la troisime

station est difficile, voire impossible. Lide de la prsente thse est de mettre la troisime station

de base en hauteur. Cette topologie donne une meilleure qualit et quantit dinformation de la

cible. Il sagit dun nouveau type de SPL que nous appelons systme de positionnement localvertical (SPLV). Dans la deuxime partie de cette thse, nous avons examin les contraintes lies

aux SPLV.

La dernire partie de cette thse est consacre la ralisation dune station de base de SPLV. Le

front-end RF a t fabriqu en deux versions, ouverte et blinde. La version blinde assure une


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meilleure tanchit entre les diffrents compartiments du circuit. Une carte de traitement du

signal est conue afin de mesurer la frquence du signal de battement par le calcul de la

transforme de Fourier rapide qui servira pour dterminer la distance de la cible. La confection

dun deuxime front-end RF est entame la fin de cette thse. Par manque de temps, la

ralisation intgrale dun systme de positionnement vertical est laisse des travaux futurs.


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ABSTRACT

As a device enabling the safe driving of the next generation of vehicles, the radars have trigged

much interest among the researchers of this field in the last decade. Recently called collision

avoidance/warning radar, this type of radar can assist drivers in bad weather conditions and when

drivers concentration and attention fails. In the other hand, the utilization context of systems has

evolved and will go even further in the upcoming years. In the industrial locations and medical

centers, we need to locate most requested equipments. With aging society and the growing needs

of elder people for medical care, a system capable of remotely sensing the patients (standing,

lying down or falling) has been studied since the beginning of the new century. Other interesting

example would include the surveillance of children in crowded places (beaches or amusement

parks) or locating fire fighters in a building. In a context of evolving applications, the vertical

local positioning system should also evolve.

The most frequently used method in local positioning systems is to make use of three base

stations at different places and to measure the range of the tag by each base station. Then the

exact location of the tag is calculated by triangulation. In practice, a fourth base station is added

for more reliability and time synchronization. In some situations like the surveillance of a beach

or a building on fire, installing the third base station would be a difficult or time consuming task.

Our idea is to elevate the third base station at a reasonable height. This will provide a bettersignal quality and more information about the target can be obtained. It is a new type of local

positioning system that we call VLPS (Vertical Local Positioning System). We will examine the

constraints of VLPS in the second part of this thesis.

Moreover, it is well known that the radars, as well as all wireless telecommunication systems, are

confronted with the problem of fading signals. Generally, this problem is due to multi-path

effects of signal propagations. In other words, the multiple signal reflections by the surrounding

stationary and mobile objects are randomly neutralized at the arriving point of the receivingantenna. In a different context and for apparently unlike motives, the radars are subject to the

same issue. Even when the target is in the line-up site of transmitting and receiving antennas

(radars), they face the same type of scintillations due to the variation of the radar cross section

(RCS) of a target. Indeed, the radar cross section of the majority of targets strongly depends on

the aspect angles of the receiving and transmitting antennas. This phenomenon, commonly


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known as RCS scintillation, becomes visible in case of a lateral motion of rotation of the target

relative to the radar antenna.

A part of this thesis is dedicated to the analysis and the modeling of radar facilitating the

comprehension of the scintillation phenomenon, as well as the proposition of a practical solution

mainly useful in the context of avoidance/warning radar. This technique, named spatial diversity

radar, is inspired from MIMO solution (Multi-Input-Multi-Output). Initially intended for the

reduction of error rate and improvement of channel capacity in wireless communications, the

MIMO technique aims at providing a solution to this problem by introducing a type of

redundancy in the propagation of information using waveforms orthogonality in spectral or time

domain. The essential idea of this solution is to locate multiple antennas at the emission and

reception, then using a coding technique making possible the reconstruction of the original signal

from its different replicas. Many types of diversity (spatial, polarization, pattern and frequency)

can be found in the literature. In the context of a fading or scintillation, there is a good probability

that at least one of the receiving antennas provides the power beyond the threshold level of the

receiver.

In the first part of this thesis, we have modeled the spatial diversity radar. We then provide the

mathematical model which allows calculating the scintillation mitigation of the received power.

Similar to the definition of the antenna beamwidth, we introduce the notion of angular range of a

radar system. This corresponds to half-power angular width with respect to the maximal received

power. In this thesis, we also demonstrate the improvement of the angular range due to spatial

diversity solution.

The last part of this thesis is about the implementation of a VLPS base station. The RF front-end

has been fabricated in two versions: open and shielded. The shielded version has better isolation

between the different parts of the circuit. At the end, we have designed a DSP board which

provides the frequency of the beat signal and determines the distance of the tag by calculating the

FFT (Fast Fourier Transform) of the signal. The integration of an entire VLPS is left as futurework.


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TABLE DES MATIRES

DEDICACE ............................................................................................................................................................... III

REMERCIEMENTS ................................................................................................................................................. IV

RSUM ..................................................................................................................................................................... V

ABSTRACT ............................................................................................................................................................. VIII

TABLE DES MATIRES .......................................................................................................................................... X

LISTE DES TABLEAUX ....................................................................................................................................... XIV

LISTE DES SIGLES ET ABRVIATIONS ......................................................................................................... XXI

LISTE DES SYMBOLES ET NOTATIONS ...................................................................................................... XXV

INTRODUCTION ........................................................................................................................................................ 1

CHAPITRE 1 GNRALIT SUR LES RADARS ET DFINITION DU CONTEXTE DE LTUDE ...... 17

1.1 BREF HISTORIQUE ET APERU DES RADARS .................................................................................................... 17

1.2 LES DIFFERENTES TOPOLOGIES DES RADARS ................................................................................................... 17

1.3 RADARS MONO-STATIQUES ET BI-STATIQUES ................................................................................................. 19

1.4 DIFFERENTS TYPES DE RADARS ...................................................................................................................... 19

1.4.1 Radars impulsion ......... ........... .......... ........... .......... ........... .......... ........... .......... ........... ........... .......... . 19

1.4.2 Radar ondes continues ................... ........... ........... .......... ........... ........... .......... ........... ........... .......... ... 20

1.5 CARACTERISTIQUE DU CANAL RADIO ET LES DIVERSITES EN TELECOMMUNICATION...................................... 25

1.6 VANOUISSEMENT A GRANDE-ECHELLE ET PETITE-ECHELLE .......................................................................... 26

1.7 LA DIVERSITE DANS LE SYSTEME DE TELECOMMUNICATION ........................................................................... 27

1.8 LA SURFACE EQUIVALENTE RADAR ................................................................................................................ 28

1.9 CHAMP PROCHE ET CHAMP LOINTAIN ............................................................................................................. 30

1.10 LES SYSTEMES DE POSITIONNEMENT .......................................................................................................... 35

1.10.1 Le systme de positionnement global (GPS) ......... .......... ........... ........... ........... ........... .......... .......... 35

1.10.2 Le systme de positionnement local (LPS) .............. ........... .......... ........... ........... .......... ........... ........ 36

1.10.3 Langle darrive (AOA) ................... .......... ........... ........... .......... ........... ........... .......... .......... .......... 37

1.10.4 La puissance du signal reu (RSS) .......... .......... ........... ........... .......... ........... ........... .......... ........... ... 38


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1.10.5 Le temps darrive (TOA) ........... .......... ........... ........... .......... ........... .......... ........... ........... .......... ...... 38

1.10.6 La diffrence de temps darrive (TDOA) ........... ........... .......... ........... ........... ........... .......... ........... . 39

1.11 SYSTEME DE POSITIONNEMENT LOCAL VERTICAL (VLPS) ....................................................................... 41

1.12 LES RADARS FMCW .................................................................................................................................. 42

1.12.1 Gnration des rampes de frquence .............................................................................................. 45

CHAPITRE 2 LANALYSE ET LA CONCEPTION DU MODLE DU RADAR DIVERSIT SPATIALE

.............................................................................................................................................................. 52

2.1 INTRODUCTION ............................................................................................................................................... 52

2.2 LA FORMULE GENERALE DU RADAR ................................................................................................................ 53

2.3 LA SURFACE EQUIVALENTE RADAR DU CHAMP LOINTAIN DE LA PLAQUE RECTANGULAIRE............................ 54

2.4 LA SURFACE EQUIVALENTE RADAR DU CHAMP PROCHE DE LA PLAQUE RECTANGULAIRE............................... 582.5 LES ANTENNES CORNET DU MODELE............................................................................................................... 62

2.6 MODELISATION DU RADAR A DIVERSITE SPATIALE ......................................................................................... 65

2.6.1 Schmatique ADS ................................................................................................................................. 66

2.6.2 Canal de propagation dans ADS .......................................................................................................... 67

2.6.3 Panneau de contrle.......... ........... ........... .......... ........... ........... .......... ........... ........... .......... ........... ........ 68

2.7 ANALYSE NUMERIQUE .................................................................................................................................... 69

2.7.1 Schma du systme ............................................................................................................................... 70

2.7.2 Les techniques de slection et de combinaison ........... ........... ........... ........... ........... .......... ........... ........ 70

2.7.3 Les premires simulations avec la cible 3m .......... ........... ........... ........... .......... ........... ........... .......... . 71

2.7.4 La rduction de lcart-type versus diffrents paramtres .......... ........... ........... ........... .......... ........... ... 73

2.7.5 La porte angulaire ......... ........... .......... ........... .......... ........... .......... ........... .......... ........... ........... .......... . 74

2.8 RESULTAT EXPERIMENTAUX ........................................................................................................................... 76

2.8.1 Mesures de la plaque mtallique .......... ........... .......... ........... ........... ........... ........... .......... ........... .......... 77

2.8.2 Mesures effectues avec un vhicule .......... ........... .......... ........... ........... ........... ........... .......... .......... ..... 79

CHAPITRE 3 LTUDE DE LARCHITECTURE DU SPLV ........................................................................... 83

3.1 TYPE DE RADAR .............................................................................................................................................. 84

3.2 LA FREQUENCE DU RADAR .............................................................................................................................. 84


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3.3 LA LARGEUR DE BANDE DU RADAR................................................................................................................. 85

3.4 SPECTRE DES SIGNAUX ................................................................................................................................... 87

3.4.1 Spectre du signal transmis ................................................................................................................... 87

3.4.2 Spectre du signal de battement ............................................................................................................. 88

3.5 LES ANTENNES DU SYSTEME DE POSITIONNEMENT LOCAL .............................................................................. 90

3.6 LES CONTRAINTES DU SYSTEME ..................................................................................................................... 91

3.6.1 La puissance maximale autorise......................................................................................................... 91

3.6.2 La zone dambigut acceptable .......... ........... ........... .......... ........... ........... ........... .......... ............ .......... 92

3.6.3 Collision et synchronisation des stations de base ................................................................................ 95

3.7 LE DISPOSITIF DE MESURE DE FREQUENCE DE BATTEMENT ............................................................................. 97

CHAPITRE 4 IMPLMENTATION DU SYSTME DE POSITIONNEMENT LOCAL VERTICAL ........ 99

4.1 FRONT-END DU RADAR FMCW .................................................................................................................... 100

4.1.1 Les circuits RF actifs ........... ........... .......... ........... ........... .......... ........... ........... .......... ........... ........... .... 100

4.2 LA TOPOLOGIE DU FRONT-END ET LE BILAN DE LA PUISSANCE ..................................................................... 103

4.3 LE PREMIER PROTOTYPE DU FRONT-END ....................................................................................................... 104

4.3.1 Procdure de test ........... .......... ........... .......... ........... .......... ........... .......... ........... .......... ............ ........... 105

4.3.2 Spectre de puissance .......................................................................................................................... 105

4.3.3 Isolation entre les tages .......... ........... ........... .......... ........... ........... .......... ........... ........... ........... ......... 106

4.4 LES CORNETS PLAN H ................................................................................................................................... 107

4.5 TRAITEMENT DU SIGNAL............................................................................................................................... 110

4.5.1 Transforme de Fourier discrte ........................................................................................................ 111

4.5.2 Calcul de DFT par matrice pr-calcule ........................................................................................... 111

4.5.3 Prcision du radar FMCW .......... ........... ........... .......... ........... ........... .......... ........... .......... .......... ........ 112

4.5.4 Rsolution du radar FMCW ........... ........... .......... ........... ........... .......... ........... ........... .......... ........... .... 113

4.5.5 Architecture du circuit de traitement du signal .......... ........... ........... .......... ........... ........... ........... ....... 113

4.6 CONCEPTION DUN FRONT-END RFBLINDE .................................................................................................. 115

4.7 INTEGRATION DU SYSTEME ........................................................................................................................... 116

4.7.1 Les rseaux dantennes microruban .......... .......... ........... ........... .......... ........... ........... .......... ............ 116


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4.8 MESURE DE LA DISTANCE DUNE PLAQUE METALLIQUE ............................................................................... 119

CHAPITRE 5 CONCLUSION ET TRAVAUX FUTURS ................................................................................. 122

RFRENCES ......................................................................................................................................................... 128

ANNEXE A LE COEFFICIENT DE RFLEXION ET LES DIAGRAMMES DE RAYONNEMENT DU

CORNET 20 DB EN BANDE K. ............................................................................................................................ 135

ANNEXE B LE MODLE DU RADAR DIVERSIT SPATIALE EN TENANT COMPTE DE LEFFET

DU SOL ..................................................................................................................................................................... 137


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LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1 : Les bandes de frquence radar et leurs applications [46] .............................................. 4

Tableau 2 : Les paramtres du radar PILOT Mk3 [23] .................................................................. 22

Tableau 3 : Les paramtres du radar Honeywell. ........................................................................... 23

Tableau 4 : Lcart-type et la porte angulaire calcule pour les signaux reus par Rx1, Rx2et les

signaux combinatoires (SDC, EGC). ............................................................................................. 72

Tableau 5 : Lcart-type et la porte angulaire des signaux mesurs reus par Rx 1, Rx2 et les

signaux combinatoires (SDC, EGC). ............................................................................................. 79

Tableau 6 : Lcart-type des signaux mesurs reus par Rx1, Rx2 et les signaux combinatoires

(SDC, EGC). .................................................................................................................................. 82

Tableau 7 : Les caractristiques du systme de positionnement local vertical, VLPS. ................. 97


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LISTE DES FIGURES

Figure 1-1 : Le schma dun radar classique simplifi .................................................................... 2

Figure 1-1 : Radar classique ........................................................................................................... 18

Figure 1-2 : Synoptique du radar classique a) base du circulateur b) avec deux antennes ........ 18

Figure 1-3 : Radar de surveillance daroport, ASR-9 oprant en bande S (2.7 2.9 GHz) avec un

transmetteur Klystron ayant une puissance de crte de 1.3 MW. La largeur dimpulsion et de 1.0

sec. La largeur de faisceau de lantenne est de 1.4 avec 34 dB de gain et tourne la vitesse de

12.5 rpm. Il couvre la distance denviron 50-60 nmi, quivalent de 90-110 km [65]. .................. 19

Figure 1-4 : Les signaux des radars ondes continues : (a) Ondes continues (CW), (b) FMCW,

(c) IFMCW et (d) Modulation de phase code en binaire (CW) ................................................... 21

Figure 1-5 : Le radar dvitement dobstacles de Honeywell 35 GHz en ondes continues

modules en bi-phase [23]. ............................................................................................................. 23

Figure 1-6 : vanouissement grande et petite chelle [61] ............................................................ 27

Figure 1-7 : La surface quivalente radar dune sphre et les diffrentes rgions [65] ................. 30

Figure 1-8 : Surface quivalente radar dune plaque mtallique de m2 en fonction de la

distance 15 GHz [55]. .................................................................................................................. 32

Figure 1-9 : Surface quivalente radar dun avion [65] ................................................................. 33

Figure 1-10 : Surface quivalente radar dune VW Golf en bande X [51] .................................... 33

Figure 1-11 : Le systme de positionnement par zone Eureka [22] ............................................... 36

Figure 1-12 : Systme de positionnement local 3D, Abatec Electronic AG [67]-[68] .................. 37

Figure 1-13 : Langle darrive (AOA) [76] .................................................................................. 37

Figure 1-14 : La puissance du signal reu (RSS) [76] ................................................................... 38

Figure 1-15 : Le temps darrive (TOA), le temps daller-retour (RTOF) [76] ............................. 38

Figure 1-16 : Localisation par triangulation ................................................................................... 39

1 1


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Figure 1-17 : La diffrence de temps darrive (TDOA) [76] ....................................................... 39

Figure 1-18 : Vue densemble des Systmes de Positionnement Local [76] ................................. 40

Figure 1-19 : Le contexte dimplantation dun VLPS (a) Building en feu (b) surveillance de la

plage ............................................................................................................................................... 41

Figure 1-20 : Systme de positionnement local vertical (VLPS) ................................................... 42

Figure 1-21 : Schma dun radar FMCW avec circulateur ............................................................ 44

Figure 1-22 : Les signaux transmis et reus du radar FMCW ....................................................... 44

Figure 1-23 : Le gnrateur de rampe. Les signaux en entre et en sortie du VCO. ..................... 45

Figure 1-24 : Linarisation par la technique de pr-distorsion. ..................................................... 46

Figure 1-25 : Le schma de la linarisation numrique [82]. ......................................................... 47

Figure 1-26 : Synoptique dune boucle verrouillage de phase .................................................... 48

Figure 1-27 : Synoptique dune boucle verrouillage de frquence (FLL) ................................... 49

Figure 1-28 : Architecture dun DDS ............................................................................................. 50

Figure 2-1 : Schma du radar diversit spatiale .......................................................................... 52

Figure 2-2 : Langle dobservation dune plaque rectangulaire de dimension ab....................... 54

Figure 2-3 : Surface quivalente radar dune plaque mtallique de 60 60cm2 selon PO 24

GHz. ............................................................................................................................................... 55

Figure 2-4 : Surface quivalente radar dune plaque mtallique de 60 60cm2 selon TGD 24

GHz. ............................................................................................................................................... 57

Figure 2-5 : Surface quivalente radar dune plaque mtallique selon PO 24 GHz. (a) de 120

60cm2(b) de 60 120cm2.............................................................................................................. 58

Figure 2-6 : Schmatique de calcul de la SER du champ proche de la plaque rectangulaire. (a)

angle de vue perpendiculaire (b) angle de vue oblique .................................................................. 60

Figure 2-7 : SER du champ proche de la plaque mtallique carre de 6060cm2 3, 5 et 10 m. . 61

Figure 2-8 : SER de la plaque mtallique carre de 6060cm2en fonction de la distance entre le

point dobservation et le centre de la plaque. ................................................................................. 62


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Figure 2-9 : Cornet mtallique ayant un gain de 15 dB. Les dimensions sont donnes pour

lintrieur du guide et du cornet. .................................................................................................... 63

Figure 2-10 : Le coefficient de rflexion du cornet bande K ayant 15 dB de gain. ....................... 64

Figure 2-11 : Les diagrammes de rayonnement co-polar et cross-polar plan E du cornet 15 dB. Lemaximum du diagramme co-polar simul est ajust sur celui du diagramme cross-polar. ........... 64

Figure 2-12 : Les diagrammes de rayonnement co-polar et cross-polar plan H du cornet 15 dB

mesurs et simuls. Le maximum du diagramme co-polar simul est ajust sur celui du

diagramme cross-polar. .................................................................................................................. 65

Figure 2-13 : Schma du radar diversit spatiale dans ADS ....................................................... 67

Figure 2-14 : Le modle du canal de propagation. (a) lment hirarchis (b) la ralisation du

modle. ........................................................................................................................................... 68

Figure 2-15 : Le panneau du contrle du simulateur. .................................................................... 69

Figure 2-16 : Schma du systme. ................................................................................................. 70

Figure 2-17 : Les signaux reus et combins 24 GHz par deux antennes rceptrices 0,2 m de

lantenne mettrice et la cible 3 m. Les puissance reues (a) par Rx1(b) par Rx2(c) aprs SDC

et (d) aprs EGC ............................................................................................................................. 71

Figure 2-18 : La rduction dcart-type en fonction de la distance de la cible rtet en utilisant les

mthodes SDC et EGC. Les antennes rceptrices sont 0,2 m de lantenne mettrice ................. 73

Figure 2-19 : La rduction dcart-type versus distance rt et la distance entre les antennes

rceptrices. Seule la technique EGC est employe. ....................................................................... 74

Figure 2-20 : Laugmentation de la porte angulaire pour deux distances entre les antennes

rceptrice et lantenne mettrice (d=0,2 m et 0,6 m). .................................................................... 75

Figure 2-21 : Lamlioration de la porte angulaire versus la position d entre les antennesrceptrice pour les distances rt= 3, 5 et 10 m. ............................................................................... 76

Figure 2-22 : La configuration de mesure dans la chambre anchode, (a) les antennes rceptrices

et mettrice (b) la plaque mtallique 6060cm2. ............................................................................ 77


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xviii

Figure 2-23 : La puissance normalise calcule et mesure 24 GHz, les antennes rceptrices

places d=0,2 m et rt=3 m, (a) par Rx1(b) Rx2. .......................................................................... 78

Figure 2-24 : Systme de dtection de puissance 24 GHz. Une antenne mettrice et deux

antennes rceptrices sont places 10 m du vhicule (Toyota Corolla). ....................................... 79

Figure 2-25 : Les puissances mesures et combines, (a) par Rx1(b) par Rx2(c) aprs SDC et (d)

aprs EGC. ..................................................................................................................................... 81

Figure 3-1 : Larchitecture dun radar une antenne ou deux antennes spares ....................... 83

Figure 3-2 : Radar FMCW a) les rampes transmise et reue b) le signal de battement ................. 85

Figure 3-3 : Spectre de la rampe de frquence ............................................................................... 88

Figure 3-4 : Signal de battement (a) le signal dans le domaine temporel (b) lenveloppe dusegment basse frquence. ............................................................................................................... 89

Figure 3-5 : Spectre du signal de battement ................................................................................... 90

Figure 3-6 : La zone dambigut avec deux stations de base ........................................................ 92

Figure 3-7 : Analyse gomtrique de la prcision. exen fonction de la distance entre les stations

de base, cible 10, 50 et 100m ...................................................................................................... 93

Figure 3-8 : Analyse gomtrique de la prcision. ey et ez en fonction de la distance entre les

stations de base, cible 10, 50 et 100m ......................................................................................... 94

Figure 3-9 : Analyse gomtrique de la prcision. exen fonction de la prcision . ..................... 95

Figure 3-10 : La synchronisation entre les stations de base pour (a) un transpondeur (b) N

transpondeurs ................................................................................................................................. 96

Figure 4-1 : Architecture du front-end du radar FMCW. ............................................................... 99

Figure 4-2 : Topologie du front-end du radar FMCW. ................................................................ 104

Figure 4-3 : Front-end du radar FMCW. ...................................................................................... 105

Figure 4-4 : Spectre de la puissance du front-end ........................................................................ 106

Figure 4-5 : Spectre de la puissance la sortie du mlangeur. .................................................... 106


19/164

xix

Figure 4-6 : Cornet mtallique plan H. Les dimensions sont donnes pour lintrieur du guide et

du cornet. ...................................................................................................................................... 107

Figure 4-7 : Le coefficient de rflexion du cornet plan H. La largeur de bande est autour de 220

MHz. ............................................................................................................................................. 108

Figure 4-8 : Couplage entre les antennes cornets plan H. La distance entre les antennes est fixe

15 cm. ........................................................................................................................................... 108

Figure 4-9 : Les diagrammes de rayonnement co-polar et cross-polar du plan E du cornet plan H.

Le maximum du diagramme co-polar simul est ajust sur celui du diagramme cross-polar. .... 109

Figure 4-10 : Les diagrammes de rayonnement co-polar et cross-polar du plan H du cornet plan

H. Le maximum du diagramme co-polar simul est ajust sur celui du diagramme cross-polar. 109

Figure 4-11 : Microcontrleur dsPIC30F6015 de la compagnie Microchip ................................ 110

Figure 4-12 : Architecture du circuit de traitement du signal. ..................................................... 114

Figure 4-13 : Carte lectronique de traitement du signal. ............................................................ 115

Figure 4-14 : Front-end blind du radar FMCW, (a) avant assemblage des composantes (b) aprs

assemblage des composantes. ...................................................................................................... 115

Figure 4-15 : Rseau dantenne fente avec un faisceau en ventail. (a) Topologie de lantenne

(b) Ralisation de lantenne. ......................................................................................................... 116

Figure 4-16 : Paramtre S11du rseau dantennes fente. ........................................................... 117

Figure 4-17 : Les diagrammes de rayonnement mesurs et simuls du rseau dantennes fente :

(a) Plan E, (b) Plan H. .................................................................................................................. 118

Figure 4-18 : Mesures du couplage entre deux rseaux dantennes fente. (a) les antennes situes

la distance d lune de lautre, (b) le paramtre S21 pour d=15 cm. .......................................... 119

Figure 4-19 : Cible constitue dune plaque mtallique carre de 6060 cm2. ........................... 119

Figure 4-20 : Setup de test du front-end. ...................................................................................... 120

Figure 4-21 : Mesure de distances de la cible par le front-end. ................................................... 120

Figure 5-1 : Larchitecture dune solution de dialogue entre les stations de base ....................... 126


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xx

Figure 5-2 : Le coefficient de rflexion du cornet bande K ayant 20 dB de gain. ....................... 135

Figure 5-3 : Les diagrammes de rayonnement co-polar et cross-polar plan E du cornet 15 dB


diagramme cross-polar. ................................................................................................................ 135

Figure 5-4 : Les diagrammes de rayonnement co-polar et cross-polar plan H du cornet 15 dB


diagramme cross-polar. ................................................................................................................ 136

Figure 5-5 : Le modle ADS en tenant compte de leffet de sol. ................................................. 137

Figure 5-6 : Le modle du canal en tenant compte de leffet du sol. ........................................... 138


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xxi

LISTE DES SIGLES ET ABRVIATIONS

ACAS FOT Test oprationnel du Champ du systme dvitement des collisions de vhicules

(Atomotive Collision Aviodance System Field Operational Test)

ACC Contle de vitesse adaptative (Adaptative Cruise Control)

ADC Convertisseur analogique-numrique (Analog-to-Digital Converter)

ADS Advanced Design System

AGC Automatic Gain Control

AOA Angle darrive (Angle-Of-Arrival)

ASR Radar de surveillance des aroports (Airport Surveillance Radar)

ATR Reconnaissance automatique de cibles (Automatic Target Recognition)

AWACS Systme aroport d'alerte et de contrle (Airborne Warning And Control System)

CAS Systme de prvention des collisions (Collision Avoidance System)

CW Onde continue (Continuous Wave)

DAC Convertisseur numrique-analogique (Digital-to-Analog Converter)

DDS Synthse numrique direct (Direct Digital Synthesis)

DFT Transforme de Fourier discrte (Discrete Fourier Transform)

DSP Traitement numrique du signal (Digital Signal Processing)

ESM Mesures de surveillance lectronique (Electronic Surveillance Measures)

ETSI The European Telecommunications Standards Institute

FBA Antenne faisceau en ventail (Fan-Beam antenna)

FCC The Federal Communications Commision

FCW Avertissement des collisions davant (Forward Collision Warning)

FEM Modle danalyse par lments finis (Finite Element Method)

FFT Transforme de Fourier rapide (Fast Fourier Transform)


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xxii

FLL Boucle verrouillage de frquence (Frequency Locked Loop)

FMCW Radar ondes continues modules en frquence (Frequency Modulated

Continuous Wave)

GPS Systme de positionnement global (Global positioning system)

HB Harmonic Balance

HBT Transistor bipolaire htrojonction (Heterojunction Bipolar Transistor)

HPA Amplificateur de puissance (High Power Amplifier)

IFMCW Radar ondes continues et interrompues modules en frquence (Interrupted

Frequency Modulated Continuous Wave)

ISM Industrial-Scientific-Medical.

LF Filtre de boucle (Loop Filter)

LIDAR Dtection et tlmtrie par la lumire(Light Detection And Ranging)

LNA Low Noise Amplifier

LO Local Oscillator

LOS Visibilit directe (Line Of Sight)

LPI Faible probabilit dinterception (Low Probability of Intercept)

LPS Systme de positionnement local (Local Positioning System)

LTCC Cramiquecofritte bassetemprature(Low Temperature Co-fired Ceramic)

LUT Table de correspondance (Look-Up Table)

MHMIC Monolithic Hybrid Microwave Integrated Circuit

MMIC Monolithic Microwave Integrated Circuit

MOM Mthode des moments (Method Of Moments)

MSPS Million dchantillons par second (Million Samples Per Second)

MTI Visualisation des cibles mobile (Moving Target Indicator)


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xxiii

NHTSA Administration de la scurit du trafic des autoroutes nationales (National

Highway Trafic Safty Administration)

NRL Naval Research Laboratory

OTH Radar trans-horizon (Over-The-Horizon radar)

PAA antenne rseau commande de phase (Phased Array Antenna)

PAE Rendement en puissance ajoute (Power Added Efficiency)

PLL Boucle verrouillage de phase (Phase Locked Loop)

PPI Vue panoramique angle dlvation constant (Plan Position Indicator)

PRF La frquence de rptition des impulsions radar (Pulse Repetition Frequency)

RADAR RAdio Detection And Ranging

RF Frquence Radio (Radio Frequency)

RFID Identification Radio Frquence (Radio Frequency IDentification)

RPC Suppresseur de puissance rflchie (Reflected Power Canceller)

RS Tldtection (Remote Sensing)

RSS La puissance du signal reu (Received-Signal-Strength)

RT Lancer de rayon (Ray Tracing)

RTOF Temps aller-retour de vol (Roundtrip-Time-Of-Flight)

SAR Radar synthse d'ouverture (Synthetic Aperture Radar)

SER Surface efficace/quivalente radar (Radar Cross Section)

SMT Composante monte en surface (Surface Mount Technology)

TBP Produit temps-bande passante (Time Bandwidth Product)TCAS Systme d'alerte de trafic et d'vitement des collisions (Traffic Collision

Avoidance System)

TDOA Diffrence de temps darrive (Time-Difference-Of-Arrival)

TGD Thorie Gomtriques de Diffraction (Geometrical Theory of Diffraction)


24/164

xxiv

TWT Tube ondes progressives (Travelling Wave Tube)

TOA Temps darrive (Time-Of-Arrival)

UART metteur-rcepteur asynchrone universel (Universal Asynchronous ReceiverTransmitter)

USDOT Dpartement du transport amricain (U.S. Department Of Transport)

VCO Oscillateur contrl en tension (Voltage Control Oscillator)

VLPS Systme de positionnement local vertical (Vertical LPS)

WLPS Systme de positionnement local sans fil (Wireless Local Positioning System)

WR Radar mtorologique (Weather Radar)


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xxv

LISTE DES SYMBOLES ET NOTATIONS

Ae la surface effective de lantenne mettrice

Ar la surface effective de lantenne rceptrice

c la vitesse de la lumire

Gr le gain de lantenne rceptrice

Gt legain de lantenne mettrice

fb la frquence de battement (beat frequency)

fp la priode de rptition de limpulsion (Pulse Repetition Frequency)

fD la frquence Doppler (Doppler frequency)

Pt puissance transmise

Pr puissance reue

rr la distance entre lantenne mettrice et la cible

rt la distance entre lantenne rceptrice et la cible

S la densit de puissance

TP la priode de rptition dimpulsion (Pulse repetition periode)

Vr la vitesse radiale entre la cible et le radar

langle de rotation de la cible

la constante de propagation

langle sur le plan vertical

langle sur le plan horizontal

r la permittivit relative

coefficient defficacit de lantenne (aperture efficiency)

la permabilit magntique

r la permabilit relative


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xxvi

la longueur donde en espace libre

g la longueur d'onde guide

la surface quivalente radar (radar cross section)

le temps de vol aller-retour (Roundtrip time)

la frquence angulaire


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1

INTRODUCTION

Le radar (RAdio Detection And Ranging) est le dispositif conu afin de dtecter la prsence des

objets nomms communment les cibles. Initialement prvu pour les besoins militaires, les radars

couvrent galement une panoplie dapplications civiles. Le principe du fonctionnement des radars

est trs simple. Les quipements du radar mettent les ondes lectromagntiques et valuent la

distance de la cible par la mesure du temps daller-retour du signal. Lorientation de lantenne

indique la direction de la cible. Par consquent, une antenne directive faisceau fin (pencil beam

pattern) est ncessaire afin de dterminer la direction de la cible avec suffisamment de prcision.

La vitesse des objets mobiles peut galement tre estime par le dcalage de frquence du signal

cho d leffet Doppler. Ainsi, un radar intelligent peut tracer la trajectoire de la cible mobile et

prvoir son trajet. Ce type de radar est galement capable de distinguer les cibles mobiles et

stationnaires. Dans un contexte militaire, les cibles mobiles telles que les aronefs sont

recherches tandis que les cibles stationnaires telles que les collines et les mers sont carter.

Lun des avantages majeurs du radar par rapport aux autres systmes de dtection comme LIDAR

(Light Detection And Ranging) est quil est capable de dtecter les cibles quelques soient les

conditions climatiques.

Depuis la fin de la deuxime guerre mondiale, les radars ont volu considrablement et de

nouveaux types de radar ont t mis en place. Les radars mtorologiques, les radars de contrlede trafic terrestre et arien, les radars dvitement des collisions et les radars employs dans les

systmes de positionnement local (SPL) sont quelques exemples parmi tant dautres. Par ailleurs,

les progrs des circuits intgrs RF en semi-conducteurs (solid-state RF components) a donn des

lans ltude et la fabrication des radars puissance faible. Il est dsormais possible de

fabriquer dans les laboratoires un radar ondes continues modules en frquence (FMCW:

Frequency Modulated Continuous Wave) dune puissance de plusieurs watts avec les

composantes fiables et robustes. Il est cependant important de respecter les normes de scuritimposes par les autorits de rglementation afin dviter de mettre en danger la vie humaine par

une exposition lectromagntique trop forte.

Les besoins en matire de scurit ont galement volu au cours des dernires dcennies. Le

nombre croissant des voitures dans les villes et sur les routes exige laugmentation du niveau de

la scurit. Les collisions des voitures sont souvent dues aux erreurs humaines et aux conditions


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climatiques rduisant la visibilit et les performances des quipements de guidage et de freinage.

Les carambolages sur les autoroutes suite aux intempries arrivent frquemment et causent des

scnarios dramatiques. Voyager sur les routes dans les brouillards et les autres conditions

climatiques difficiles est synonyme de prise de risques inacceptables. Dans ce contexte, il est bien

raisonnable de penser quiper les voitures dun systme dassistance intelligent permettant

davertir le conducteur avec un dlai suffisamment long pour ragir temps et viter le danger

[6], [7], [17], [36].

Figure 1-1 : Le schma dun radar classique simplifi.

Le schma dun radar classique est illustr la Figure 1-1. Le gnrateur du signal produit un

signal rptitif qui est transmis vers la cible aprs avoir travers un amplificateur de puissance.

La cible intercepte le signal du radar et renvoie une partie de lnergie reue proportionnellement

sa surface quivalente radar. Une partie de cette nergie arrive lantenne du radar et est

amplifie par un amplificateur faible bruit avant dtre mlange avec le signal dun oscillateur

local dans un mlangeur dont le rle est de raliser une translation frquentielle vers le bas. Le

signal la sortie du mlangeur est amplifi avant de passer le filtre adapt dont le but est de

maximiser le rapport du signal/bruit de sortie. Finalement, un amplificateur vido met en forme le

signal avant afficher le rsultat sur un cran (souvent du type PPI : PlanPositionIndicateur). Le

rsultat dun afficheur est gnralement prsent un oprateur qui prendra la dcision dedclarer la prsence ou labsence de la cible. Un circulateur permet de partager la mme antenne

de faon temporelle entre lmetteur et le rcepteur. Nous allons passer rapidement en revue les

paramtres importants des radars et nous nous concentrons particulirement sur ceux qui nous

intressent, c'est--dire les paramtres des radars ondes continues modules en frquence. Plus

CirculateurAmplide

puissance

Gnrateur

dusignal

LNA

Antenne

LOAmpli

IFAfficheur

Ampli

Vido


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3

amples informations sur les autres types de radar peuvent tre trouves dans la littrature [63]-

[65].

La porte du radar

La possibilit de mesurer la distance de la cible dans les conditions climatiques dfavorables estun lment cl du radar qui le distingue des autres types de senseur. La porte du radar dpend de

la visibilit directe (line of sight) sur la cible et la puissance du transmetteur. Dautres facteurs

comme la frquence et le gain de lantenne peuvent galement influencer la porte du radar. Les

radars militaires sont capables de dtecter les aronefs une distance de plusieurs centaines de

kilomtres avec la prcision de quelques dizaines de mtres.

La prcision du radar

Les radars ondes continues estiment la distance de la cible par la mesure du dcalage de phase

ou de frquence. Il est possible damliorer la prcision de ces types de radars par laugmentation

de la largeur spectrale du signal transmis. Plus de dtails sur le sujet sont donns dans le chapitre

suivant.

Vitesse radiale

La vitesse radiale de la cible peut tre mesure de deux faons : le dcalage d leffet Doppler

ou la mesure successive de la distance. Mme si cela demande un temps de mesure relativement

long pour avoir la prcision adquate, cest la deuxime mthode qui est prfre la plupart du

temps car sa ralisation est plus simple. Les radars effet Doppler sont souvent employs par la

police pour dterminer la vitesse des voitures. Aujourdhui, la majorit de ces radars sont

remplacs par les senseurs optiques du type Lidar. Un autre exemple dapplication des radars

leffet Doppler est la visualisation des cibles mobiles (moving target indicator).

Direction angulaire

La direction darrive du signal est souvent dtermine par lorientation de lantenne du radar.

Par consquent, pour augmenter la prcision de cette mesure, lutilisation dune antenne directive

est invitable. La dimension lectrique de lantenne est donc le facteur prendre en considration

dans cette approche. Il est nanmoins suppos que la direction de larrive nest pas altre

comme cela pourrait arriver par les couches atmosphriques. Une autre faon de mesurer la

direction darrive du signal est par la mesure de la diffrence de phase entre deux antennes de


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4

rception spares dans lespace. Il faut cependant prciser que cette approche sapparente

lutilisation dune antenne rseau commande de phase (phased array antenna).

Les frquences du radar

Un radar peut tre considr comme nimporte quel instrument qui localise un objet par ladiffusion de lnergie lectromagntique et la mesure de lcho et ce, quelque soit la frquence.

Les radars peuvent avoir une frquence allant de quelques mgahertz jusqu plusieurs trahertz.

Pendant la deuxime guerre mondiale, et pour garder les secrets militaires, les lettres P, L, S, C,

X et K ont t assignes diffrentes plages de frquence. titre dexemple, le radar de

surveillance daroport ASR-9 a t dvelopp dans la bande S avec une largeur de bande de 200

MHz. Le radar PILOT de la surveillance maritime avec la technologie des ondes continues

modules en frquence a t dvelopp dans la bande X avec une largeur de bande de 400 MHz.

Bande Plage de frquence Applications principales

HF 3-30 MHz Radar trans-horzon

VHF 30-300 MHz Dtection de longue distance

UHF 300-1000 MHz Surveillance de longue distance

L 1000-2000 MHz Surveillance de longue distance

S 2000-4000 MHzSurveillance, Mtorologie,Contrle du trafique arien

C 4000-8000 MHzContrle du feu,

Localisation/traage

X 8-12 GHzContrle du feu, Missile air-air,

Marine, Mtorologie

Ku 12-18 GHzContrle du feu de courte distance,

Tldtection (RS), Guidage darme

K 18-27 Tldtection (RS), Guidage darme

Ka 27-40 GHz Tldtection (RS), Guidage darme

V 40-75 GHz Tldtection (RS), Guidage darme

W 75-110 GHz Tldtection (RS), Guidage darmemm 110-300 GHz

Mesure des profilsatmosphriques

Tableau 1 : Les bandes de frquence radar et leurs applications [46]


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Le systme de positionnement local de Siemens est un autre exemple tant un radar FMCW

fonctionnant la bande K. Le radar trans-horizon fonctionnant la bande HF est un radar de

longue porte qui profite des proprits rflectives de la couche ionosphre pour augmenter sa

porte.

Malgr la disparition du besoin original et pour les facilits quelles apportent dans la dsignation

des plages frquentielles, ces lettres sont restes en usage et dautres ont t rajoutes. Par

ailleurs, la lettre P a t remplace par UHF. Le Tableau 1 illustre les bandes de frquence de

radar entre HF et W et leurs applications. Dans la ralit, la frontire entre les bandes nest pas

aussi franche que dans la Tableau 1. Chaque bande de frquence a ses particularits propres la

rendant plus convenable un type dapplication qu un autre. Nous allons donner un bref aperu

de chacune de ces bandes.

Bande HF, 3-30 MHz

Les premiers radars ont t fabriqus dans cette bande par les Britanniques avant la Deuxime

Guerre mondiale. Lun des inconvnients majeurs de cette bande est la ncessit dune grande

antenne pour avoir le diagramme de rayonnement et la largeur de faisceau adquats. Un autre

problme est la prsence dun niveau relativement lev du bruit naturel ambiant dans cette

bande. La largeur de cette bande est troite et largement utilise et sa longueur donde est grande.

De ce fait, la plupart des cibles sont lectriquement grandes et tombent dans la rgion de

Rayleigh, leurs surfaces quivalentes radar tant faibles. A lpoque o la Grande-Bretagne la

utilise, ctait la frquence la plus leve avec autant de composantes fiables haute puissance.

Ce radar a rempli la tche quon lui demandait et tait capable de dtecter les cibles hostiles

jusqu une distance de 200 miles. Le seul avantage de cette bande est la rflexion des ondes

lectromagntiques par lionosphre permettant la dtection des cibles jusqu une distance de

2000 miles. Comme dit prcdemment, les radars trans-horizon (over-the-horizon) sont

ralisables dans cette bande.

Bande VHF, 30-300 MHz

La majorit des radars des annes 30 a t fabrique dans cette bande. Semblablement la bande

HF, sa largeur de bande est troite, surcharge et le niveau de bruit est trop lev. Les avantages

de la bande VHF sont les suivants : la taille des antennes est plus raisonnable, les composantes

actives dans cette bande sont plus stables et elles sont galement plus abordables. Un autre


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bnfice de cette bande est quavec la polarisation horizontale et une bonne surface rflchissante

comme la mer, linterfrence constructive entre londe directe et celle rflchie peut contribuer

une augmentation substantielle de la porte du radar. Par ailleurs, ce mme phnomne cre des

zones dombre certains angles dlvation. Bref, il sagit dune bande avec un bon compromis

entre la porte et le cot de fabrication. Malgr les qualits cites, il ny a pas normment

dapplications ralises dans cette bande car les inconvnients lemportent souvent sur les

avantages.

Bande UHF, 300-1000 MHz

La bande UHF possde la plupart des caractristiques de la bande VHF, mais son niveau du bruit

naturel cette bande est nettement moins lev. De surcrot, les conditions climatiques ne sont

plus une entrave et une antenne de taille raisonnable fait le travail convenablement, spcialement

dans une surveillance de longue porte et pour une application extraterrestre ou de poursuite

(tracking) de missiles balistiques. Les transmetteurs base de composantes intgres (solid-state)

de cette bande sont capables de dlivrer la puissance leve tout en tant large-bande et faciles

entretenir.

Bande L, 1-2 GHz

Il sagit de la bande prfre pour fabriquer les radars terrestres de longue porte. Il est galement

possible de raliser les radars visualisation des objets mobiles (moving target indicator) danscette bande. Le niveau du bruit naturel est bas et les antennes ayant une petite largeur de faisceau

capables de vhiculer la puissance leve sont facilement ralisables ces frquences. Les bandes

L et S sont celles des radars militaires. Les radars de grande taille ddis dtecter les cibles

extraterrestres sont galement fabriqus dans la bande L.

Bande S, 2-4 GHz

Les radars de surveillance arienne de longue porte peuvent tre fabriqus pour la bande S mais

plus difficilement qu des frquences moins leves. Par contre, les chos sous leffet de la pluiepeuvent considrablement dgrader la porte de ces radars dans cette bande. Cependant, la bande

S est celle des radars mtorologiques capables destimer lintensit des pluies. Les radars de

surveillance de moyenne porte pour les aroports (ASR) sont galement raliss la bande S.

La largeur de faisceau troite des antennes fonctionnant dans la bande S permet une meilleure

rsolution angulaire et en mme temps rend difficile le bruitage du lobe principal par les


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quipements hostiles. Les radars aroports du type AWACS destins la surveillance arienne

de longue porte sont fabriqus dans cette bande. Ces frquences offrent le meilleur compromis

pour assurer la fois une surveillance arienne et la poursuite de prcision.

Bande C, 4-8 GHzLa bande C situe entre S et X ne facilite pas la ralisation des radars de surveillance arienne de

longue porte. Nanmoins, les radars de poursuite des missiles pour la longue distance ayant la

prcision leve sont fabriqus dans cette bande. Elle est galement utilise pour les radars de

moyenne porte et les radars mtorologiques.

Bande X, 8-12 GHz

Il sagit de la bande populaire des applications militaires de poursuite de missiles ainsi que les

applications civiles. Les radars de la bande X ont une taille raisonnable et conviennent aux

applications exigeant la lgret et la mobilit. La largeur de bande approprie de cette bande

permet la ralisation des impulsions de courte dure permettant une rsolution leve. Les

antennes avec les largeurs de faisceau troites sont un autre atout de cette bande. Les

inconvnients sont la difficult dobtenir une porte longue et la dgradation de la qualit du

signal sous la pluie.

Bande Ku, K, Ka, 12-40 GHz

Les premiers radars de la Deuxime Guerre mondiale ont t fabriqus 24 GHz. Le choix de la

frquence nest pas bon car il est proche de la frquence de rsonnance de la vapeur deau (22.2

GHz), o labsorption de lnergie affecte directement la porte du radar. Plus tard, la bande K a

t clate en deux parties. La partie infrieure a pris la dsignation de Ku 12-18 GHz et la

partie suprieure celle de Ka 27-40 GHz. Comme nous pouvons le deviner, les avantages de la

bande sont sa largeur et la possibilit davoir des antennes largeur de faisceau troite. En

revanche, la gnration de la haute puissance est difficile atteindre. Avec laugmentation de la

frquence, les attnuations dues aux pluies sont croissantes dans cette bande, do la faiblesse desradars de la bande K dans les conditions climatiques difficiles. Nanmoins, la plupart des radars

du contrle du trafic terrestre pour les aroports fonctionnent dans cette bande car leur rsolution

est leve et que la porte ncessaire de ces applications est relativement courte.


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8

Bande des ondes millimtriques, >40 GHz

Lattnuation de latmosphre est grande dans cette bande. Elle est exceptionnellement grande

autour de 60 GHz. Ceci compromet la ralisation des applications autour de cette frquence en

particulier. La bande millimtrique a t sous divise par les standards de IEEE et certaines

applications ont t affectes certaines dentre elles. Toujours cause des attnuations, les

applications de longue porte nont pas leur place dans cette bande. Rcemment, en plus de 24

GHz, la frquence de 77 GHz a t autorise pour les applications du transport routier

(Automotive applications) [28]. Linconvnient majeur de cette bande est donc labsorption

atmosphrique rduisant la porte du radar. Cest la raison pour laquelle la plupart des

applications de cette bande sont dans lespace. Dautres inconvnients de la bande millimtrique

consistent en la difficult de fabriquer des rcepteurs sensibles et des lignes de transmission

faible perte.

Les frquences Laser

Les puissances de magnitude raisonnable ainsi que les faisceaux troits et directifs sont

ralisables dans les rgions infrarouge, optique et ultraviolet du spectre. La bonne prcision de

distance et dangle rend la bande laser assez attrayante pour les applications dimagerie et celles

ncessitant la haute prcision. Les lasers ne conviennent pas aux applications de surveillance

surtout sur une zone vaste. Ils sont souvent utiliss depuis lespace pour mesurer les profils

atmosphriques tels que la temprature, la densit de vapeur deau, lpaisseur de la couche

ozone ainsi que la hauteur des nuages et les vents troposphriques. Le problme majeur des lasers

est leur incapacit performer en prsence des nuages, sous la pluie et dans les brouillards.

De manire gnrale, un radar dtermine la distance et langle de la cible mais, comme cit

prcdemment, il peut galement fournir les informations sur la nature de la cible. Pour

dterminer la distance avec suffisamment de prcision, le radar a besoin dune largeur de bande

ncessaire tandis que la prcision dans la mesure de la direction exige lantenne lectriquement

grande. Nous verrons au premier chapitre les moyens les plus classiques pour augmenter la porte

du radar par laugmentation de la puissance transmise et lemploi dune antenne haut gain.

Autrement, le signal reu est tellement faible quil tombe en de du seuil du rcepteur. Nous

verrons galement que dans les applications civiles, ceci nest toujours pas possible et que le

respect des normes exige des limites ne pas franchir.


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Par consquent, de nouvelles techniques sont ncessaires pour amliorer les performances des

quipements existants et obtenir un signal au-dessus du seuil du rcepteur. Mme sil nest pas

possible de satisfaire cette condition tout le temps, il est tout fait envisageable den augmenter

la probabilit. La fluctuation de la puissance reue par lantenne rceptrice du radar, connue sous

le nom de scintillement est gnralement due aux variations de la surface quivalente radar de

la cible. Dans un milieu dgag o la visibilit directe (line of sight) sur la cible existe, le

scintillement parat lorsque la cible change de position ou lors de sa rotation. Lantenne rceptrice

est ainsi expose une facette de la cible qui change daspect. Cela suppose que les quipements

du radar sont stationnaires. Dans le cas du radar vitement des collisions, le scintillement peut

tre caus par le mouvement de la cible ou du vhicule le poursuivant. Dans un environnement

encombr par des objets mobiles et stationnaires, le scintillement peut tre occasionn par le

dplacement des objets mobiles. Ainsi, la variation de phase des signaux reus peut causer uneannulation du signal rsultant qui est une somme vectorielle des signaux en provenance de

chaque rflecteur.

Par ailleurs, les collisions contre pare-chocs arrire dun autre vhicule sont les accidents les plus

frquents. Limportance de garder une distance de scurit avec la voiture de devant est

primordiale, proccupant les autorits charges de la scurit routire. Ladministration

amricaine responsable de la scurit du trafic des autoroutes nationales (National Highway

Trafic Safty Administration : NHTSA), lappui du dpartement du transport amricain (U.S.Departement Of Transport : USDOT), a mis en place un programme concernant un systme

dvitement des collisions (Automotive Collision Avoidance System : ACAS) [74]. Ce

programme, men par General Motors en collaboration avec la compagnie Delphi et luniversit

du Michigan, a deux volets :

Un systme de contrle de vitesse adaptative (Adaptative Cruise Control : ACC)

Un dispositif davertissement des collisions avant (Forward Collision Warning : FCW)

Dans son programme de test oprationnel du champ (Field Operational Test : ACAS FOT), 11

Buick quipes du systme ACAS ont t mis en test pendant 12 mois avec un parcours naturel

de 137000 miles. 96 participants du sud du Michigan ont utilis chacun une voiture comme leur

moyen de transport personnel durant plusieurs semaines. Les donnes incluant les chantillons

vido de la scne avant et de la face du conducteur ont t rassembles. Les rsultats de ces tests


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publis dans le rapport final [74] confirment la rduction de petits intervalles (short headways)

temporels (< 1sec) par les systmes ACC et FCW. Les rductions dues ACC se sont rvles

plus subsquentes et robustes. Le questionnaire et les interviews ont dmontr une plus large

acceptation du systme ACC par le groupe de test et une apprciation plus mitige du systme

FCW. La rduction de fausse alarme des systmes quips de FCW savre indispensable afin

damliorer son taux dacceptation.

La solution propose dans la premire partie de cette thse est de positionner plusieurs antennes

de rception dans lespace de faon visionner diffrentes facettes de la cible par chacune dentre

elles. Ainsi, la probabilit davoir les signaux faibles par toutes les antennes sera bien rduite. De

plus, par les techniques bien connues (systme MIMO) dans le domaine de la tlcommunication

mobile, nous pourrions combiner ces signaux afin dobtenir un signal de bien meilleure qualit

que celle de chacun dentre eux.

Lquation du radar

Nous allons calculer la puissance reue du radar en considrant la topologie plus gnrale du

radar bi-statique. Il est facile par la suite de considrer Gt=Gr=G, rt=rr=r et de dduire

directement lquation du radar mono-statique. Pour la puissance dmetteur Pt, une antenne

omnidirectionnelle et une cible la distance rtdu radar, la densit de la puissance au point de

positionnement de la cible est

24t

omnit

PS

r (1)

Lquation (1) est valable pour une antenne isotrope. Rappelons quune antenne isotrope

ncessite un point source et nest pas ralisable matriellement. En revanche, une antenne

omnidirectionnelle qui met sur un plan de manire uniforme est facile fabriquer. Un diple en

est un exemple et possde un diagramme de rayonnement uniforme sur le plan dazimut lors quilest pos verticalement. Son gain est de 1.64=2.15 dB. En cas dmission avec une antenne

directive de gain Gt, la densit de la puissance sera

2

,

4t t t t

directivet

PGS

r

(2)


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11

Il est noter que le diagramme de rayonnement de lantenne dpend des angles et . Pour

diffrencier les antennes dmission et de rception, ces angles seront indexs par ret t. La cible

est confronte aux champs lectromagntiques et rflchit une partie de lnergie vers le radar,

proportionnellement sa surface quivalente radar . Ce paramtre est une caractristique de la

cible et sexprime en m2. Nous allons donner plus de dtail sur la surface quivalente radar la

section 1.9. Tel que nous lavons mentionn prcdemment, la SER dune cible dpend de langle

de vue du radar. Dans le cas du radar bi-statique, les angles de cible par rapport lmetteur et le

rcepteur sont t, t, r, r. La puissance rflchie par la cible envers les quipements du radar

peut tre crit

2

,, , ,

4

t t t t reflchie t t r r

t

PGP

r

(3)

Par consquent, la densit de la puissance rflchie au point de positionnement de lantennerceptrice est

2 2

, 1, , ,

4 4t t t t

r t t r r t r

PGS

r r

(4)

Lantenne rceptrice du radar ayant une surface effectiveAe, la puissance reue est

2 2

, 1, , ,

4 4t t t t

r t t r r et r

PGP A

r r

(5)

Selon la thorie des antennes [72], la surface effective de lantenne et son gain sont lis selon

2

4 rr

AG

(6)

La puissance reue peut tre rcrite

2

2 2

, ,1, , ,

4 4 4t t t t r r r

r t t r r t r

PG GP

r r

(7)


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12

Dans une forme plus gnrique, la puissance reue est

2

2 2

de

, ,1 1 1, , ,

4 4 4

Cible

t t t t r r r r t t r r

t t mt r mr r p

SystmedeSystme Mdia de Mdia de Effet derceptiontransmission propagation propagation polarisation

PG GP

L r L r L L L

(8)

Les paramtres de cette quation peuvent tre dcrits comme suivant :

Pt = puissance de transmetteur en watts

Gt = gain de lantenne mettrice

Lt = perte de systme de transmission

Lr = perte de systme de rception

rt = distance entre la cible et lantenne mettrice

= surface quivalente radar de la cible

Lmt, = perte de mdia de propagation

Lmr = perte de mdia de propagation

rr = distance entre la cible et lantenne rceptrice

Gr = gain de lantenne rceptrice

= longueur donde dans espace libre

Lp = perte due leffet de polarisation

La couverture maximale du radar Rmax est la distance au-del de laquelle la cible ne peut tre

dtecte. Si la puissance reue est infrieure la puissance minimum dtectable par lquipement

de rcepteur, la cible sera noye dans le bruit. Pour un radar mono-statique et laide de (8), on

peut crire [64]

1 42 2

max 3

min4tPGR

S

(9)


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Lquation (9) est connue sous le nom de lquation du radar . Elle dcrit la relation entre les

diffrents paramtres du radar et sa porte. Par exemple, elle dmontre quil faut multiplier par 16

la puissance dmetteur du radar pour seulement doubler sa porte. Par ailleurs, lutilisation dune

antenne plus directive en augmentant son gain de 6 dB donne le mme rsultat.

Comme nous lavons soulign prcdemment, les radars possdent plusieurs applications. Une de

ces applications est le systme de positionnement local (LPS). Par ailleurs, nous avons vu

quavec la monte en frquence, la porte du radar diminue et sa prcision et sa rsolution

augmente. Autrement dit, les frquences plus leves conviennent parfaitement aux systmes

LPS, o la porte ncessaire dpasse rarement quelques centaines de mtres. Les systmes de

positionnement local apparus dans les annes 90 comblent la lacune des systmes de

positionnement global (GPS), qui ont le dfaut de ne pas pouvoir pntrer dans les espaces clos.

Les applications lies aux LPS sont florissantes, permettant lmergence de nouveaux concepts

de la transmission de donnes sans fil et nouveaux types de transpondeur sur le march. Il sagit

du domaine le plus excitant de la tlcommunication sans fil des annes venir, attirant un

nombre important de chercheurs avec les subventions des gouvernements et la participation des

industriels.

Le principe de fonctionnement des LPS est simple. Dans son implmentation la plus courante,

trois radars sont mis en place trois endroits diffrents. Ces radars, nomms stations de base

(BS), dterminent la distance entre la cible et leur emplacement. Les coordonnes exactes de la

cible sont ensuite trouves par triangulation. Contrairement aux contextes militaires, les cibles

qui font lobjet des systmes LPS sont dites coopratives; elles sont nommes tag en anglais

ou transpondeur en franais. Plusieurs types des systmes de positionnement local ont dj t

mis en place depuis la premire moiti des annes 90, Nous allons donner plus de dtails ce

sujet au premier chapitre de cette thse.

Dans la deuxime partie de cette thse, nous allons aborder un systme de positionnement local

bas sur un nouveau concept que nous nommons systme de positionnement local vertical(SPLV). Le front-end du systme SPLV a t fabriqu au cours des travaux de cette thse. Par

manque de temps, le montage dun systme au complet a t laiss pour les travaux futurs.

Le premier chapitre de cette thse prsente la thorie des radars et des notions de

positionnement local. Nous donnerons en premier un bref historique suivi des diffrentes


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topologies des radars. Par la suite, nous dcrirons la notion des radars bi-statiques et mono-

statiques. Nous dtaillerons deux types de radar : le radar impulsion et le radar ondes

continues avant de prsenter le calcul de lquation du radar. Afin de prparer le terrain la

notion de la diversit spatiale, nous aborderons la caractristique du canal radio et les diversits

en tlcommunication. Nous parlerons galement dvanouissement grande-chelle et petite-

chelle, de la surface quivalente radar et des champs proche et lointain. la section suivante,

nous prsenterons les systmes de positionnement en commenant par le systme de

positionnement global (global positioning system) avant dexpliquer les systmes de

positionnement local. Nous dvoilerons les diffrents systmes de positionnement local bass

sur : langle darrive (angle of arrival), la puissance du signal reu (received signal strength), le

temps darrive (time of arrival) et la diffrence de temps darrive. la fin de ce chapitre, nous

prsenterons le systme de positionnement local vertical (SPLV). Nous justifierons le besoin dece systme et dcrirons ses contraintes dans les chapitres suivants. Nous tracerons galement les

courbes concernant les zones dambigut. Nous finirons le chapitre par la thorie des radars

ondes continues modules en frquence et calculerons la densit spectrale des rampes de

frquence.

Dans le deuxime chapitre, nous analyserons et laborerons la conception du modle du radar

diversit spatiale en commenant par lintroduction du schma du radar diversit spatiale. Nous

prsenterons la surface quivalente radar du champ lointain de la plaque mtallique rectangulaireavant aborder le bloc essentiel de notre modle du radar diversit spatiale. Il sagit de la surface

quivalente radar du champ proche de la plaque mtallique laide de la technique dintgration

Physique Optique (PO-Integration). Nous montrerons les antennes cornets conues laide du

logiciel HFSS de la compagnie Ansoft utilisant la mthode danalyse par lments finis (finite

element method) et ralises dans notre centre de recherche Poly-Grames. Nous dtaillerons,

par la suite, le modle du radar diversit spatiale laide du logiciel ADS de la compagnie

Agilent. Nous illustrerons le synoptique du systme avant de parler des diffrentes techniques

combinatoires des signaux. Nous prsenterons les techniques telles que la diversit de slection

(SD: selection diversity) et la technique combinatoire gains gaux (EGC : equal gain

combining) empruntes la tlcommunication sans fil. Suite ces modlisations thoriques,

nous manipulerons une cible constitue dune plaque mtallique carre de 6060 cm2 et

montrerons les rsultats des premires simulations. Afin de quantifier les progrs de la qualit du

7/25/2019 ANALYSE ET DVELOPPEMENT DE RADAR DIVERS

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