Soutenance mémoire
Radar Passif
Principe général
La majorité des radars actuels fonctionnent activement en éclairant l’environnement de la cible afin d’en analyser l’écho et ainsi déterminer sa position et sa vitesse.
L’émetteur et le récepteur sont alors situés au même endroit et partagent la même antenne.
Dans le cas du radar passif, il n’y a pas d’émetteur dédié : le récepteur utilise des émetteurs présents dans l’environnement (Fig. 2.1). Le radar passif est donc par nature un radar bistatique (l’émetteur et le récepteur ne sont pas situés au même endroit.
Un radar nous permet de connaître la position de la cible et éventuellement sa vitesse. Dans le cas d’un radar monostatique, la portée mesurée définit un cercle centré sur le radar sur lequel la cible doit se situer (Fig. 2.2).
La configuration bistatique donne de bonnes performances concernant la détection, mais sa capacité de localisation reste limitée car la cible se situe sur une ellipsoïde. Seule une configuration multi-statique, où plusieurs émetteurs ou récepteurs sont utilisés, permettra d’estimer la position de la cible.
Le radar passif nous permet également de déterminer la vitesse apparente V a de la cible 2 à partir du décalage en fréquence entre le signal émis et l’écho réfléchi par la cible (Fig. 2.3). En effet, lorsque la distance bistatique entre l’émetteur et le récepteur en passant par la cible varie au cours du temps, il se produit un décalage en fréquence du signal émis par rapport à l’écho. Ce décalage est appelée la fréquence doppler f d et est défini par [5].
Etat de l’art
L’idée d’utiliser les émetteurs radio présents dans l’environnement pour détecter des cibles mobiles n’est pas récente. Elle a été validée en 1935 par des ingénieurs du Royaume-Uni qui ont pu détecter un bombardier à 12 km en utilisant les ondes radio d’un émetteur de la BBC. Pendant la seconde guerre mondiale, les allemands ont aussi utilisé un radar passif pour surveiller le sud de la mer du Nord.
Le développement des radars actifs mono-statiques, terrestres et aéroportés, a fait que cette technologie n’a pas été réellement développée.
Ce n’est que dans les années 1980, avec la baisse du coût de l’informatique et le développement des télécommunications numériques, que le radar passif a fait l’objet d’un regain d’intérêt.
Dès les années 1990, la DGA a financé des programmes d’études amont qui ont débouché, dans les années 2010, aux démonstrateurs MORAPA et HA100 utilisant respectivement les émetteurs de télévision analogique et de radio FM. En Europe, des démonstrateurs ont été développés, notamment par l’Allemagne (Fraunhofer Institut), le Royaume-Unis, la République Tchèque, la Pologne, l’Italie et la Norvège.
En 1998, les Etats-Unis ont commercialisé un radar passif (Silent Sentry System) qui utilise les émissions des radios FM et de télévision analogique. Pendant la guerre du Kosovo, on pense que les forces serbes croates ont utilisé un radar passif de fabrication tchèque pour abattre un bombardier furtif américain le 27 mars 1999.
L’utilisation des techniques de communication numérique pour la diffusion de l’information (Digital Video Broadcasting – Terrestrial (DVB-T) pour la TNT, Digital Video Broadcasting – Satellite (DVB-S) pour le satellite, et Digital Audio Broadcasting (DAB) pour la radiodiffusion numérique, . . . ) permet de reconstruire le signal émis. Lorsque les émetteurs utilisent de large bande de fréquences (la TNT, par exemple), il est alors possible de détecter des cibles lentes, volant à basse altitude. On envisage d’utiliser les émetteurs TNT qui couvrent le territoire national de la plupart des pays européens pour surveiller des zones sensibles comme les centrales nucléaires, les grandes villes, etc.
La société Thales a développé, dans les années 2010, les démonstrateurs SINBAD et NECTAR 3D qui utilisent des émetteurs TNT. En 2013, le démonstrateur PREMIER 3D montre la faisabilité et l’intérêt d’utiliser simultanément des émetteurs FM et TNT.
Modélisation
La figure 2.4 illustre une configuration typique de détection d’une cible mobile (aéronef) par un radar passif utilisant une source d’opportunité. Le signal reçu par le détecteur radar est un mélange du trajet direct provenant de l’émetteur d’opportunité.
Radar Passif
TNT (bleu), des échos réfléchis par la cible mobile (rouge) et les réflecteurs fixes tels que les montagnes, les bâtiments, etc. (noir).
Le signal TNT
L’émetteur d’opportunité utilisé dans le cadre de notre radar passif est un émetteur TNT utilisant la norme DVB-T. Cette norme de diffusion, de part ses nombreux avantages (haut débit, meilleure qualité d’image, réception hertzienne mobile de qualité, jusqu’à 6 programmes par canal,. . . ) est utilisée en Europe, au proche et Moyen-Orient, dans la zone pacifique ainsi que dans certains pays d’Asie, d’Afrique et d’Amérique.
Dans ce chapitre, nous donnerons une description de la transmission numérique et du multiplexage par répartition de fréquences orthogonales (Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) en anglais) ainsi que de la norme DVB-T. Cette description nous permettra de comprendre la méthode de reconstitution du signal émis détaillée au paragraphe 4.3.1.
La transmission numérique
Un signal analogique est la manifestation des variations d’une grandeur physique (pression, température, courant, tension, . . . ) transportant l’information. Même si ce signal est borné, il peut prendre une infinité de valeurs. En numérique ce signal analogique est converti en une suite de 0 et de 1 que l’on appelle des bits au moyen d’un convertisseur analogique-numérique. Son principe est de prélever des valeurs du signal analogique à intervalles réguliers (échantillonnage). Chaque valeur est ensuite associée à un niveau prédéfini le plus proche (quantification) comme représenté figure 3.1. On procède alors au précodage qui consiste à affecter un nombre de bits à ces valeurs quantifiées. Le nombre de bits n nécessaire en fonction du nombre de niveau N est donnée par la relation.
La transmission OFDM
L’OFDM est un type de modulation multi-porteuses qui est de plus en plus utilisé dans les radiocommunications. Citons par exemple le wifi et la norme 802.11, la télévision numérique terrestre développée avec le standard DVB-T ou bien encore la quatrième génération de téléphonie mobile utilisant le standard LTE. L’OFDM est un format différent des modulations traditionnellement utilisées : il utilise un grand nombre de porteuses pour transmettre les données.
Dans un système mono-porteuse, les symboles sont transmis de manière à ce que chaque donnée occupe l’intégralité de la bande disponible. Le principe de l’OFDM est de diviser la totalité de la bande passante allouée à la transmission en un nombre fini de sous-porteuses. Par conséquent, le train binaire sera reparti sur N sous-porteuses orthogonales entres elles afin d’annuler l’interférence entre sous-porteuses.
Le flux de données d’entrée est modulé par un modulateur QAM, qui produit une suite de données complexes.. Cette suite de données est ensuite envoyée à travers un convertisseur série-parallèle qui donnera en sortie un ensemble de N données QAM en parallèle transmise chacune par une sous-porteuse. Cet ensemble de N sous-porteuses constitue un symbole OFDM.
Intervalle de garde ou préfixe cyclique
Un problème majeur dans les systèmes de communication sans fil est la présence de multi-trajets dus au canal de propagation. Dans cet environnement, le signal transmis est réfléchi par plusieurs obstacles et des versions retardées du signal émis se superposent au signal direct. Pour un système OFDM, cela entraîne de l’interférence inter-symbole (ISI) qui a lieu lorsque le symbole transmis est pollué par le symbole précédemment transmis. L’effet est similaire à l’interférence inter-symbole pouvant exister dans un système de modulation mono-porteuse. La solution pour contourner ce problème est l’insertion d’un intervalle de garde dont la durée est supérieure aux retards des échos par rapport au signal direct.
Cet intervalle pourrait être une succession de valeurs nulles transmises avant chaque symbole OFDM. Cependant, ce principe n’est pas utilisé en pratique car il entraînerait un deuxième type d’interférence qui est unique aux systèmes multi-porteuses, il s’agit de l’interférence inter porteuse (ICI) qui agit entre les sous-porteuses au sein du symbole OFDM. L’insertion d’un intervalle de garde entrainerait une perte d’orthogonalité entre celles-ci et empêcherait un bon décodage du symbole. A la place de cet intervalle de garde, on ajoute un préfixe cyclique qui est une recopie de la fin du symbole OFDM.
Il permet ainsi d’assurer l’orthogonalité entre les sous-porteuses en assurant un nombre entier de périodes pendant la durée du symbole OFDM (Fig. 3.5).
Conclusion
La large diffusion de la TNT fait que les signaux DVB-T sont puissants et omniprésents dans notre environnement. L’utilisation de ces signaux par un radar passif est par conséquent intéressante. Cependant, contrairement au radar actif, le radar passif n’émet pas de signal et ne connaît donc pas le signal de référence lui permettant de résoudre la fonction d’inter-ambiguïté (cf. paragraphe 2.1). Toute la problématique réside dans la capacité à retrouver ce signal de référence à partir du signal reçu. Auparavant, l’équipe MAS’Air exploitait les signaux de référence au travers d’un algorithme propriétaire fourni par Thales. Aujourd’hui, elle a développé une méthode permettant de retrouver ce signal de référence de manière autonome. Cette méthode nécessite une interface graphique présentée au chapitre suivant.
Développement d’interfaces utilisateur
Langage de programmation
Il existe plusieurs langages permettant de réaliser des interfaces graphiques interactives avec l’utilisateur. J’ai envisagé d’utiliser le langage python, Java et Matlab, chacun de ces langages ayant leurs avantages et leurs inconvénients. J’ai donc défini quel langage serait le plus approprié en fonction du :
— matériel mis à disposition : une station de travail Windows 7 avec Matlab R2012b, une connexion internet permanente (ce qui implique un accès aux langages de programmation libres et aux forums des développeurs), un accès à la documentation (interne au laboratoire et bibliothèque de la base aérienne).
— temps dont je dispose pour réaliser l’interface, apprentissage du langage compris : un total de 13 semaines sur 18 mois en parallèle de ma formation académique et militaire à l’École Militaire de l’Air.
— langage avec lequel la méthode de reconstruction du signal de référence a été codé : Matlab.
Au vu de ces contraintes je me suis orienté sur Matlab dont j’avais un accès aisé et de la documentation. Le programme Matlab permet de développer des interfaces utilisateur (GUI) d’une part à la main et d’autre part à l’aide de l’environnement de développement des interfaces utilisateurs graphiques (Graphical User Interface Development Environement (GUIDE) en anglais). Le tableau 4.1 montre les avantages et inconvénients pour les deux modes de programmation.
Elaboration d’une interface graphique GUI
L’interface graphique GUI
Le GUI est un affichage graphique dans une ou plusieurs fenêtres permettant à l’utilisateur de réaliser des tâches interactives. Un exemple d’interface interactive est présenté figure 4.1 qui est une copie d’écran.
Développement d’interfaces utilisateur
situés à gauche de l’écran pour activer certains traitements ou ajuster les paramètres via l’interface. Dans l’exemple présenté, les signaux traités et non traités sont affichés dans quatre fenêtres dédiées respectivement aux représentations temporelle, fréquentielle et temps-fréquence. L’utilisateur a aussi la possibilité d’écouter les signaux traités. Cette interface que j’ai appelée GUI INTACT est présentée en annexe A.
La barre d’outils
La barre d’outils permet entre autre :
— d’aligner les composants dans le plan de disposition.
— d’ouvrir un explorateur contenant les composants présents dans le plan de disposition.
— d’ouvrir un inspecteur de propriété qui permet de modifier les paramètres d’un composant.
— de sauver le GUI réalisé.
Lors du premier enregistrement, le GUIDE crée :
— un fichier .fig qui contient la définition des objets (position, propriétés).
— un fichier .m qui contient les lignes de code qui assurent le fonctionnement de l’interface graphique.
— une structure handles où sont stockés les identifiants des composants et du plan de disposition du GUI. Cette structure est aussi utilisée par le programmeur pour stocker, récupérer ou modifier des variables nécessaires à la réalisation du programme. Cette structure est envoyée comme argument d’entrée dans chaque callback (cf. 4.2.2.4).
Le plan de disposition
C’est le plan sur lequel seront disposés les différents composants. Il constitue l’interface graphique GUI qui sera présentée à l’utilisateur. Le plan de disposition en lui-même possède un inspecteur de propriétés au même titre que les composants (l’inspecteur de propriétés est expliqué plus en détail au paragraphe 4.2.2.4). Pour le GUI POESIE, le plan de disposition de l’interface est présenté figure 4.3. Il comprend à gauche un certain nombre de boutons et à droite quatre axes où seront affichés les résultats.
Palette des composants
L’interface du GUIDE permet de manipuler facilement les composants dans le plan.
J’ai donc utilisé pour le GUI POESIE les composants suivants :
— Push Button : bouton poussoir permettant à l’utilisateur de déclencher une action,
— Static Text : texte ne pouvant être modifié par l’utilisateur,
— Edit Text : texte ou nombre pouvant être modifié par l’utilisateur,
— Pop-up Menu : liste déroulante permettant à l’utilisateur de choisir une option dans la liste,
— Axes : permet l’affichage graphique des résultats,
— Panel : permet de grouper plusieurs composants.
L’inspecteur de propriétés et le callback
Chacun de ces composants ainsi que le plan de disposition possèdent un inspecteur de propriétés obtenu par clic droit « Property Inspector » ou par double clic sur le composant ou plan de disposition. C’est au travers de cet inspecteur que sont définies les propriétés, les données et les actions relatifs au composant sélectionné. Un exemple d’inspecteur de propriétés du Push Button est présenté figure 4.4.
Analyse fonctionnelle
L’analyse fonctionnelle de cette interface graphique a été réalisée dans le but de définir les besoins de l’équipe MAS’Air concernant le GUI POESIE. J’ai donc interrogé chaque personne de l’équipe afin de définir les attentes concernant cette interface graphique. L’ensemble des besoins sont recensés dans le graphe fonctionnel présenté sur la figure 4.5. Ce graphe fonctionnel identifie et classe les fonctions de service comme fonctions principales de l’interface ou fonctions contraintes. Il permet alors de caractériser les fonctions de service dans un tableau en définissant pour chaque fonction le composant ou l’action le plus approprié afin de répondre aux besoins (Tab. 4.2). La démarche et les résultats de cette analyse fonctionnelle constituent le cahier des charges du GUI POESIE.
Amélioration de l’ergonomie du GUI
Ouverture d’un axe dans une autre figure
Afin d’améliorer le confort visuel lors de l’affichage des résultats, j’ai paramétré la possibilité d’ouvrir un axe dans une autre figure afin de pouvoir exploiter toutes les options offertes par la figure (Fig. 4.7). Pour cela il faut utiliser un callback du plan de disposition qui est WindowButtonDownFcn. Il permet d’effectuer une action lorsque l’utilisateur clic à gauche de la souris quelque soit l’endroit où se trouve le pointeur de la souris. A partir de là, le programme récupère les coordonnées du pointeur, puis, en fonction de sa position, ouvre dans une autre figure le contenu de l’axe ciblé. Le code permettant de réaliser cette fonction est présenté annexe C.1.
Définition d’une image en arrière-plan
Bien qu’il soit possible de rajouter une image pour certains composant du GUI à l’aide de la propriété « Cdata », cette option n’est cependant pas possible sur le plan de disposition qui ne dispose pas de cette propriété. Une solution a été de contourner cette contrainte en créant un axe de la taille du plan de disposition dans lequel j’ai inséré une image, cet axe étant déclaré en arrière plan, l’image n’écrase pas les autres composants (Fig. 4.7). Le code permettant de réaliser cette fonction est présenté annexe C.2
Résultats sur des signaux réels
Des études sur le radar passif sont menées en France et en Allemagne. Une campagne d’essai nommée PAMELA (PCR Advanced Multi-static Evaluation and Limitation Analysis) fut réalisée dans la région de Bonn (Allemagne) en novembre 2009 par ces deux pays. Le groupe Thales (Thales Air Systems et Thales Communication), l’ONERA et le BWB (Office fédéral allemand des techniques de l’armement) ont participé aux essais PAMELA. Ce fut l’occasion pour Thales Air Systems (TR6) de réaliser des essais sur le radar passif NECTAR 3D dont l’antenne comprenant 16 capteurs est représentée figure 4.13. Lors de cette campagne, plusieurs vols ont été réalisés permettant l’enregistrement de signaux DVB-T en présence de cibles mobiles dont on connaissait la trajectoire.
Les signaux DVB-T reçus sont codés en QAM-16, avec un mode de transmission en 8K et un intervalle de garde de 14 . Ils sont issus d’un réseau SFN (Single Frequency Network) constitué de 3 émetteurs (Fig. 4.14).
Génération du signal de référence et résultats
La reconstitution de la séquence temporelle, après transformée de Fourier inverse et insertion de l’intervalle de garde, est présentée sur l’axe 3 de la figure 4.19. Le signal temporel obtenu dure alors 59 ∗ 1120µs = 66.080 ms. Ce signal de référence ainsi retrouvé nous permet de reconstituer très précisément (pour chaque sous-porteuse fk) le filtre canal réel, qui est représenté sur l’axe 1. Cette reconstitution précise du filtre canal sera utilisée dans le traitement permettant d’isoler les échos provenant des cibles mobiles. La localisation des sources mobiles sera effectuée en comparant ces échos au signal de référence que nous venons de construire. Ce traitement fera l’objet d’une autre interface graphique.
Conclusion générale et perspectives
L’objectif initial de réaliser une interface graphique pour l’étude du signal de référence d’un radar passif est donc atteint. En effet elle complète parfaitement l’interface réalisée par l’IM2NP et permet d’analyser les étapes importantes de la reconstruction du signal de référence. Cependant j’ai éprouvé quelques difficultés sur certaines parties de l’interface graphique qui imposaient des recherches chronophages sur les forums et dans la documentation. En effet, le GUI POESIE est une interferface complexe contenant beaucoup de fonctions dépendantes les unes des autres. Rendre ces fonctions interactives avec l’utilisateur grâce au GUIDE de Matlab a entraîné une adaptation du code, et bien évidemment, des erreurs solutionnées par la lecture des forums alimentés par des développeurs avertis.
L’opportunité qui m’a été donnée de travailler au sein d’une équipe de recherche m’a permis de connaître ce milieu qui évolue sans cesse et qui demande une grande adaptabilité. Cela a été assez déroutant car j’ai dû revoir régulièrement la configuration de mon interface graphique aux vues des résultats de recherche obtenus. Cette situation est restée néanmoins très formatrice pour mes futurs postes dans l’Armée de l’air.
Au cours de ce stage, j’ai pu utiliser les connaissances acquises pendant ma formation hors temps de travail au CNAM de Paris dans les domaines des télécommunications, du traitement du signal, de la programmation et d’autres domaines indirectement liés. J’ai acquis des compétences sur Matlab, GUIDE et également sur LATEX et Beamer pour la rédaction de mon rapport et la soutenance du projet. J’ai été très intéressé par les développements du radar passif, qui s’appuient sur une technologie jeune et innovante. Le CReA maîtrise cette technologie (recherche, réalisation) ; l’Armée de l’air peut à présent s’appuyer sur son expertise afin de se doter à moyen terme et dans les meilleurs conditions de radars passifs au sein du système de commandement et de contrôle aériens (Air Command and Control System (ACCS) en anglais).
Les perspectives d’avenir sont tournées vers la capacité d’intégrer des radars passifs aéroportés. Une thèse au sein de l’équipe MAS’Air vient d’être initiée sur ce sujet.
Nous avons donc conçu une interface graphique qui peut être utilisée dans ce nouveau contexte de recherche.
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Table des matières
Introduction
1 Généralités
1.1 Environnement
1.1.1 Présentation du CReA
1.1.2 Le projet
2 Radar Passif
2.1 Principe général
2.1.1 Avantages et inconvénients
2.1.2 Etat de l’art
2.2 Modélisation
2.2.1 Problématique
2.2.2 Les émetteurs d’opportunité
2.2.3 Intérêt des émetteurs de diffusion numérique
2.3 Conclusion
3 Le signal TNT
3.1 La transmission numérique
3.2 La transmission OFDM
3.2.1 Notion d’orthogonalité
3.2.2 Intervalle de garde ou préfixe cyclique
3.3 La norme DVB-T
3.4 Conclusion
4 Développement d’interfaces utilisateur
4.1 Langage de programmation
4.2 Elaboration d’une interface graphique GUI
4.2.1 L’interface graphique GUI
4.2.2 Le programme GUIDE
4.3 Le GUI POESIE
4.3.1 Méthode de reconstruction du signal de référence
4.3.2 Analyse fonctionnelle
4.3.3 Réalisation du GUI
4.3.4 Validation sur des signaux simulés
4.3.5 Résultats sur des signaux réels
4.4 Conclusion
Conclusion générale et perspectives
Références bibliographiques
Annexes
A Elaboration du GUI INTACT
B Callback de l’interface graphique
B.1 Callback du bouton poussoir « Produce sequence »
C Code Matlab pour l’amélioration de l’ergonomie du GUI
C.1 Ouverture d’un axe dans une autre figure
C.2 Définition d’une image en arrière-plan
Liste des figures
Liste des tableaux
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