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1 - STAP ET TRAITEMENT DES SIGNAUX RADAR

2 - TRAITEMENTS RADAR SPATIO-TEMPORELS

3 - ARCHITECTURES DES TRAITEMENTS RADAR STAP

4 - MÉRITES RELATIFS DES TRAITEMENTS STAP PRÉ-DOPPLER ET POST-DOPPLER

  • 4.1 - Estimation des coefficients de filtrage adaptatifs
  • 4.2 - Exclusion du signal cible des données d'entraînement
  • 4.3 - Hétérogénéité du fouillis
  • 4.4 - Charge calculatoire
  • 4.5 - Estimation de la position angulaire des cibles
  • 4.6 - Compatibilité antibrouillage et STAP

5 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : TE6710 v1

STAP et traitement des signaux radar
Traitements spatio-temporels adaptatifs en radar

Auteur(s) : Laurent SAVY, François LE CHEVALIER

Date de publication : 10 févr. 2009

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INTRODUCTION

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.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-te6710


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1. STAP et traitement des signaux radar

1.1 Généralités

Le traitement du signal radar comprend les tâches de détection et d'estimation de la position (distance, Doppler, angle) des cibles. La tâche de détection est celle qui requiert le plus gros effort, l'estimation de la position n'étant réalisée que pour les cibles détectées, peu nombreuses en regard du nombre de cases (ou positions) distance-Doppler-angle à tester.

Le but final du traitement radar est d'assurer une bonne probabilité de détection (PD) tout en maintenant une très faible probabilité de fausse alarme (PFA). Ce dernier point est à la fois le plus important et le plus critique à assurer.

Dans la plupart des détecteurs à taux de fausse alarme constant (CFAR, Constant False Alarm Rate ), la statistique de la case distance-Doppler-angle sous test est comparée à celle de « données secondaires » collectées dans les cases voisines. Par exemple le classique Cell Averaging CFAR (CA-CFAR) compare le niveau de puissance dans la case sous test (CST) au niveau moyen reçu sur un ensemble de cases secondaires voisines. Si le niveau dans la case sous test excède le niveau dans les cases secondaires de plus d'un certain seuil, une détection est alors déclarée. Ce seuil est choisi pour assurer une probabilité de détection suffisante, tout en maintenant basse la probabilité de fausse alarme. De manière évidente, PD et PFA sont affectées de manière contraire par la présence de fouillis (échos de sol) ou de brouillage. Tout l'enjeu du traitement radar est de présenter une grande robustesse vis-à-vis de ces signaux parasites, et cela de manière primordiale vis-à-vis de la PFA.

Pour les cibles détectées, le traitement radar doit également préserver la possibilité de mesures de distance, Doppler, et angle.

Les antennes actives à sous-réseaux qui procurent plusieurs voies de réception spatiales offrent la possibilité de mise en œuvre de traitements STAP de suppression de fouillis et du brouillage, exploitant les propriétés spécifiques bidimensionnelles spatio-temporelles (ou dans le domaine dual, angle-fréquence), des signaux reçus, qui améliorent la détection par rapport au cas monovoie (détection sur la voie somme de l'antenne).

Avant de décrire en détail les différentes architectures des traitements STAP, deux configurations canoniques vont être analysées, afin de mettre en évidence l'intérêt des traitements...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BRENNAN (L.E.), REED (I.S.) -   Theory of adaptive Radar.  -  IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 9, no 2, p. 237-252, mars 1973.

  • (2) - BRENNAN (L.E.), MALLET (J.D.), REED (I.S.) -   Adaptive arrays in airborne MTI.  -  IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. AP-24, no 5, p. 607-615 (1976).

  • (3) - KLEMM (R.) -   Principles of space-time adaptive processing.  -  The Institution of Electrical Engineers, London, UK (2002).

  • (4) - WARD (J.) -   Space-time adaptive processing for airborne radar.  -  Lincoln Laboratory MIT Technical report, no 1015, 13 déc. 1994.

  • (5) - RICHARDSON (P.G.) -   Space-time adaptive processing for manoeuvring airborne radar.  -  IEE Electronics and Communication Engineering Journal, p. 57-63, fév. 1999.

  • (6) - KELLY (E.J.) -   An adaptive detection algorithm.  -  ...

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