Traitements spatio-temporels adaptatifs en radar

Les traitements adaptatifs spatio-temporels, en anglais Space Time Adaptive Processing (STAP), sont des traitements qui exploitent conjointement les deux dimensions spatiale et temporelle des signaux reçus sur un réseau d'antennes, contrairement au traitement d'antenne classique qui n'exploite que la dimension spatiale, pour leur filtrage/séparation. Cette structure de traitement permet de tirer parti des propriétés spécifiques bidimensionnelles spatio-temporelles, ou dans le domaine dual, angle-fréquence, des signaux reçus. Cela s'avère particulièrement intéressant notamment dans le cas d'une propriété de couplage angle-fréquence des signaux reçus, où, si les signaux sont étendus dans les deux espaces pris séparément, ils n'occupent cependant qu'une dimension 1D dans l'espace 2D. Leur filtrage/séparation devient alors possible par traitements STAP, alors qu'elle ne l'était pas par traitement mono-dimensionnel spatial ou temporel.

Cette problématique se rencontre en particulier dans le cadre du filtrage des signaux d'échos de sol reçus par un radar aéroporté, pour lesquels il existe un lien direct entre direction d'arrivée et fréquence Doppler. Ces échos de sol, ou fouillis, sont classiquement filtrés en radar par un traitement spatial (filtrage spatial par le lobe d'antenne) suivi d'un traitement Doppler (filtrage fréquentiel). Ces échos, étendus dans les deux domaines spatial et fréquentiel, ne sont ainsi qu'imparfaitement filtrés, et leurs résidus limitent encore fortement les performances en détection.

Dans ce contexte, l'emploi de traitements STAP est d'un apport majeur, et leur implantation dans des produits opérationnels est maintenant rendue possible par l'arrivée d'antennes actives à réception multi-voies, associée à l'accroissement des capacités de calcul des machines embarquées. Les deux applications principales à court et moyen terme en radar aéroporté sont la détection des cibles terrestres mobiles lentes en mode air-sol (cible en compétition avec les échos de fouillis entrant par le lobe principal de l'antenne) et l'amélioration de la détection des cibles aériennes sur les zones de la carte radar distance-Doppler polluées par le fouillis en mode air-air (cible en compétition avec les échos de fouillis vus à travers les lobes secondaires de l'antenne). Ces deux contextes serviront de canevas applicatif dans l'article.

Le choix d'une architecture précise de traitement, notamment pré- ou post-analyse Doppler, reste cependant très complexe en raison de la variété à la fois des architectures possibles et des contextes opérationnels, ainsi que des arguments parfois contradictoires qui président à ce choix.

Cet article est destiné à l'ingénieur non spécialiste du STAP mais maîtrisant les bases du radar et du traitement de signal. L'objectif est d'expliciter les principes fondamentaux des différentes architectures de traitements STAP, et les critères de choix en faveur de l'une ou l'autre, pour une application radar aéroporté. Il n'existe en effet pas une architecture globalement optimale de traitement, mais plutôt des architectures plus ou moins bien adaptées aux cas pratiques à traiter.

Par ailleurs, de nombreuses questions restent encore ouvertes et doivent être tranchées sur données réelles. L'objectif de cet exposé n'est pas de répondre à ces questions en suspens, mais plutôt de présenter différents points de vue à considérer.

Dans une première partie, l'article présentera plus en détail l'intérêt et la problématique du traitement STAP dans le contexte radar aéroporté. Deux configurations canoniques mettant en évidence l'intérêt des traitements STAP seront étudiées : la configuration radar à antenne à implantation latérale (application air-sol pour la détection des cibles lentes sur avion d'affaires) et la configuration Radar à antenne à implantation frontale (application air-air et détection des cibles aériennes sur avion d'armes). L'accent sera mis sur la localisation du fouillis dans le domaine distance-Doppler-angle, à l'origine de l'intérêt des traitements STAP et de leurs spécificités en fonction de l'application.

Une deuxième partie présentera les principes généraux du traitement STAP, puis une troisième partie s'attachera à décrire les différentes architectures de traitement STAP pré- et post-Doppler.

Une quatrième partie analysera les avantages et inconvénients des deux types de macro-architectures (pré- ou post-Doppler), et une synthèse de ces analyses sera enfin fournie dans une cinquième partie.