ULB en CEM et Radars (séminaire) (J. Andrieu, Xlim) - gdr ondes

ULB impulsionnel
en CEM et RADAR
Joël Andrieu
XLIM – UMR CNRS 6172
Université de Limoges

Sommaire
• 1ère partie : Présentation générale : pourquoi le choix de l’ULB impulsionnel
dans le monde du RADAR
• 2ème partie : L’ULB impulsionnel
– Le principe et les traitements associés
– La comparaison avec les autres techniques ULB : radar à bruit, Step Frequency,
FMCW
– La génération d’impulsion
– Les systèmes d’acquisition
– Les antennes
– Les limitations actuelles
– Le projet RUGBI
• 3ème partie : Autres exemples de systèmes en métrologie ULB transitoire
– 1er exemple : un banc de mesure transitoire de Surface Equivalente Radar
– 2ème exemple : une base de mesure out-door de caractérisation d’antennes large
bande
– 3ème exemple : une base de mesure out-door d’antennes pour l’automobile dans
leur contexte d’utilisation
– 4ème exemple : un banc de caractérisation de connecteurs multifilaires

Présentation générale : contexte actuel
dans le domaine du radar
• Les nouvelles menaces
– Sur le plan militaire
• Le terrorisme
• La guérilla (en milieux urbains ou difficiles d’accès)
• Armes stratégiques à longue portée sur vecteurs furtifs
– Sur le plan civil
• Tremblements de terre, cyclones
• Déminage de mines antipersonnel et antichar

OSA
Présentation générale : contexte
Problématique :
• Diversité des cibles (Véhicules, humains, mines, armes, explosifs,…)
• Dissimulation : Furtivité, identité déguisée ou inconnue, caches dans
différents milieux (végétation, bâtiments, sol,…)
Caractéristiques demandées au radar :
• Discrétion
• Encombrement limité (Système embarqué)
• Détection, localisation et identification des cibles
et de leurs déplacements
Drone furtif X-45
• Imagerie avec résolution inférieure à 10 cm
⇒ Une solution : les radars Ultra Large Bande (ULB)

OSA
Présentation générale : l’ULB
Déficiences des radars classiques « bande étroite »
•Émission d’un signal sinusoïdal sur plusieurs µs puis phase d’écoute plus ou moins longue
en fonction de la distance de détection => (non discrets)
•Impossibilité d’émettre et de recevoir simultanément => zone aveugle de plusieurs
centaines de mètres (non adaptés aux courtes portées)
•La limitation la plus importante : la Bande de fréquence trop étroite ( 1.5 GHz)
• Amélioration de l’identification des cibles (multitude de fréquences)
• Lutte contre la furtivité (basses fréquences et multitude de fréquences)
• Robustesse aux perturbations (multitude de fréquences)

OSA
Présentation générale : l’ULB
Réalisation d’un système ULB
Domaine
Temporel
Fréquentiel
Signal
Pulse
Bruit aléatoire,
Chirp sinus, signal binaire codé,…
Step
Frequency
FMCW
Réception
Échantillonnage direct
Échantillonnage séquentiel
Corrélation
Démodulation
I/Q
Mélange
Analyse temps /
fréquence

OSA
Présentation générale : l’ULB impulsionnel
Réalisation d’un système ULB
Domaine
Temporel
Avantages de l’ULB impulsionnel :
• Discrétion (durée ~ 1 ns ; temps de montée ~ 100 ps)
Signal
Réception
Pulse
Échantillonnage direct
Échantillonnage séquentiel
• Vitesse de mesure (< 500 ns)
• Immunité aux perturbations (temps d’acquisition court)
• Dissociation des réponses des cibles
Antenne d’émission
Impulsion incidente
Système radar ULB
Générateur d’impulsions
Dispositifs d’adaptation
aux antennes
Cible
Réponse temporelle
Antenne de réception
Echantillonneur

Exemples de radars impulsionnels
Détection de mines : RADAR SAR à visée latérale
• Le moyen probatoire PULSAR
(collaboration XLIM - DGA/CELAR – LGE – EUROPULSE)
Antennes
Bande : 200 MHz – 3 GHz
Niveau crête des impulsions : 25kV
Temps de montée : 80ps
Durée : 500ps
Taux de répétition : 1 KHz
Mines

Système BoomSAR(USA)
• Hauteur du mât : 45m
• Détection de champs de mines
• Bande : 50MHz – 2 GHz
Antenne de type IRA

Exemples de radars impulsionnels
• Le système RADAR VISION (USA) :
détection d’humain au travers de murs (respiration)
Bande : 1 GHz – 3.5 GHz Portée : 20m

Présentation générale : l’ULB impulsionnel
• Les informations recueillies par un radar :
– La présence de la cible (détection)
– La distance radar-cible
– La localisation de la cible, imagerie
• Le radar à balayage (radar panoramique)
• Le partage de données de plusieurs radars (triangularisation)
• Le traitement SAR (isar, arcsar) (Synthetic Aperture Radar)
– L’identification de la menace (comparaison, corrélation)

L’ULB impulsionnel : le traitement SAR
• Principe de la synthèse d’ouverture :
– synthétiser une antenne plus directive que celle utilisée en
mesure
antenne réelle
antenne synthétique
• Imagerie :
– variation de la distance radar au cours du déplacement
⇒ migration
– intégrer l’énergie portée par l’hyperbole de migration
⇒ focalisation
y 1
y 0
y
d(y 1 )
d(y 0 )
M
d(y 1 )
d(y 0 )
M
focalisation
hyperbole de migration
plan radar : carte de Réponses Impulsionnelles
d(y)

Imagerie : sommation cohérente
• Principe :
– pour un pixel donné, est associé un
échantillon dans chaque RI mesurée.
– sommation des échantillons suivant les
hyperboles de migration
z
p k-1
p k
p k+1
déplacement
du radar
I(x ,y
i
i
)
=
1
n
n
∑
k=
1
S
r
( d ( x ,y ),
p )
k
i
i
k
d k
(x i
,y i
)
y
• Propriétés :
– méthode temporelle
– plan projeté au sol
O
x
pixel de l’image

Carte des réponses impulsionnelles
Objet parasite
Repère de position
(9m)
(15m) (22,5m) (30m) (37,5m)
Mines métalliques
Déplacement du radar
Plots métalliques
HYPERBOLE
Trièdres métalliques
Temps / ns
Hyperbole de migration ⇒ détection d’objets
Bandes verticales ⇒ échos fixes (couplages entre antennes et avec le porteur)
Traitement du signal :
soustraction de la moyenne (fixe/glissante) des R.I.
analyse en sous-bandes fréquentielles (filtres
FIR,ondelettes)
Réalisation d’une imagerie SAR par sommation cohérente : PULSAR (DGA/XLIM)

L’ULB impulsionnel : le traitement par balayage
• Balayage d’une zone avec le faisceau radar étroit par dépointage
– Mécanique ( par exemple plateau tournant) ou
– Électronique (par exemple dans le cas d’un réseau d’antennes)
• Superposition des signaux pour chaque angle. Les distances entre le radar et
les cibles sont obtenues directement.
Exemple d’image
réalisée à partir du
RADAR ULB
impulsionnel
optoélectronique
RUGBI. Utilisation
d’un plateau tournant
Trièdre
Sphère
Echos sur
les murs et
obstacles
(DGA/XLIM)
Angle
d’orientation
du radar
Temps

L’ULB impulsionnel : identification de cibles
• Intercorrélation 1D : utilisation de signatures théoriques de cibles
corrélées avec les réponses impulsionnelles mesurées
• Intercorrélation 2D : utilisation d’images théoriques de cibles
corrélées avec les images mesurées
• Exemple : projet PULSAR (mines génériques discriminées, faux
échos diminués de 5dB)
image (1) de référence image (2) théorique intercorrélation (1) et (2)
azimut
distance
Traitement par filtrage linéaire 2D

Les différentes techniques en Ultra Large Bande
• Les techniques transitoires :
– Impulsions
– Bruit aléatoire
• Les techniques harmoniques :
– Step Frequency
– Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW)
1
Im p u ls io n s
Amplitud
e
0.5
0
Amplitude
-0 .5
0 500 1000 1500
Modulation de fréquence
1
0.5
0
-0 .5
-1
0 500 1000 1500
Bruit
Amplitude
2
0
-2
0 500 1000 1500
Temps

Autre technique ULB : le Radar ULB à bruit
Générateur de bruit
gaussien
Filtre
Sonde
Amplificateur
Antenne d’émission
Ligne à retard
ajustable
Démodulateur
hétérodyne réalisant
la corrélation
Antenne de réception
I
Q

Amplitude / V
Signal généré
1.5
1.0
0.5
0.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
-0.5
-1.0
-1.5
Temps / µs
TF
Signal émis
Amplitude / V/Hz
TF du signal généré
0.009
0.008
0.007
0.006
0.005
0.004
0.003
0.002
0.001
0.000
0 1 2 3 4 5
Fréquence / GHz
Amplitude / V
Signal reçu
2.50E+00
2.00E+00
1.50E+00
1.00E+00
5.00E-01
0.00E+00
-5.00E-010.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
-1.00E+00
-1.50E+00
-2.00E+00
Temps / µs
TF
Amplitude / V/Hz
TF du signal reçu
0.016
0.014
0.012
0.010
0.008
0.006
0.004
0.002
0.000
0 1 2 3 4 5
Fréquence / GHz
Signal reçu comportant la réponse de 2 cibles
Amplitude / V²/s
Signal obtenu après corrélation
300
Cible 1
250
Cible 2
200
150
100
50
0
-500.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
-100
-150
-200
Temps / µs
Signal obtenu après corrélation du signal émis avec le signal

Autre technique ULB : le Radar à modulation de fréquence
(STEP FREQUENCY)
Fréquence
Temps

t0
Modulation de fréquence du signal émis
t1
Oscillateur fi
fi +f0 fi +f0 + df fi +f0 + ndf
Temps
Synthétiseur de fréquence
f0 + df
Amplificateur
RF
Antenne d’émission
Système de commande
Amplificateur
RF
Antenne de réception
Amplificateur
IF
Démodulateur de fréquence I/Q
I
Q
A / D
Mémoire

Système réalisé par la société Planning Systems incorporated
RADAR GPR
Déplacement du véhicule
Balayage en changeant de
couple d’antennes
émission – réception
32 couples d’antennes spirales, bande 500MHz – 4GHz,
pas 10,7 MHz, résolution : 4cm

Autre technique ULB : le radar à modulation de fréquence
de type FMCW
Fréquence
Temps
Exemple chez Thalès (800MHz – 1 GHz) – détection de cibles
dans des bâtiments – 3 modules - triangularisation

Temps
VCO
Sonde
Sonde
Antenne
d’émission
Système de
commande du VCO
Asservissement et
linéarisation de la
variation de
fréquence
Filtre passe bas
Antenne de
réception
Détection de
fréquence
Fré
que
nce
Représentation temps fréquence du :
signal émis
signal réfléchi par la cible 1
signal réfléchi par la cible 2
Df2
Df1

Comparaison ULB impulsionnel - autres techniques ULB
Propriétés Impulsionnel FMCW Step frequency Bruit
Rapidité de mesure ns µs µs - ms µs
Bande de fréquence facteur FB > 160 % > 160 % > 160 % > 160 %
Elimination des échos parasites
avant traitement
Oui Non Non Non
Portée estimée en espace libre 1 km (200kV) 10 km (1 kW) 10 km (1 kW) 3 km (1W)
Dynamique de mesure
48 dB et plus si
utilisation
d’oscilloscopes
120 dB 120 dB 70 dB
en cascade
Discrétion Oui Non Non Oui
Immunité aux perturbations Oui Non Non Oui
Système et traitements complexes Non Oui Oui Oui
Maturité
En progression
rapide
Oui Oui Oui

Comparaison ULB impulsionnel - autres techniques ULB
• Systèmes de génération en impulsionnel :
– architecture simple, peu encombrant
– Concentration de l’énergie sur un temps très court
– Impulsions reproductibles et sans rebonds
– En progrès constants
Impulsion
Tension
max de
sortie
Temps
de
montée
Largeur
d’impulsion
• Systèmes de génération, techniques fréquentielles :
– Systèmes complexes, difficiles à embarquer
Gigue de
déclenchement
Signal de commande
Gigue
Commutateur
Reproductibilité
– Radar Step Frequency : synthétiseur de fréquence avec une vitesse de commutation
rapide et une bonne stabilité en fréquence
– Radar FMCW : VCO avec une variation de fréquence la plus linéaire possible
Gigue de
déclenchement
Fréquence
de
répétition
Biexponentielle 10 kV < 100 ps 0.2 ns – 3 ns < 30 ps +/- 5 % 100 kHz
Biexponentielle 20 kV < 150 ps 1 ns – 2 ns < 30 ps +/- 5 % 10 kHz
Biexponentielle 100 kV < 200 ps 1 ns – 2 ns NC NC 1 kHz
Biexponentielle 200 kV < 300 ps 1 ns – 2 ns NC NC 1 kHz
Monocycle +/- 3 kV 100 ps 2 ns < 30 ps 5 % 1 kHz
Caractéristiques typiques des générateurs électroniques impulsionnels (société FID - 2006)
Fermé
Ouvert

Principe de base de la génération d’impulsions
• Énergie stockée dans un condensateur (ou dans une ligne)
alimenté par une source HT
• Un dispositif de commutation rapide libère l’énergie
emmagasinée dans la charge
Impédance du circuit de charge
Commutateur
rapide
Alimentation
HT
Stockage de
l’énergie
C
R L
Charge

Générateur ULB fort niveau LGE
projet PULSAR : XLIM – LGE – EUROPULSE -CELAR
Lignes de formation
additionnelles
Ligne de formation
standard
Gigue ~ 50ps
Résistance de charge
Éclateur
à gaz
Impédance interne du
générateur
50 Ω
Tension crête maximale
25 kV
Temps de montée
minimum
60 ps
Largeur à mi-hauteur
minimale
580 ps
Taux de répétition
maximum
500 Hz

Balun
Photocommutateur
Générateur Optoélectronique :
Projet RUGBI
Haute tension
Collaboration : CEA/DAM - XLIM
Gigue < 2ps
10000
Rise Time (10 % - 90 %) : 120ps
Mise en forme du
faisceau
8000
6000
4000
Tension (V)
Width (50 %) : 300ps
Max level : 10.7 kV
Power supply voltage : 16kV
Optical energy : 1.5 mJ
Fibre optique
2000
0
Alimentation
0 1 2 3 4 5
Time (ns)
0
Fourier transform
-5
Caractéristiques du laser :
•1064 nm
Power (dB)
-10
-15
- 20 dB at 3 GHz
•Fréquence de répétition 20 Hz
•Énergie maximale 50 mJ par impulsion
-20
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
Frequence (GHz)
Frequency (GHz)

RUGBI PROJECT : COMPONENTS
principle of the bipolar pulse generator (monocycle pulse)
Advantages : it’s possible to program driving monocycle signals (delay adjustments)
=> excitation signal matched directly to the bandwidth of the antenna (low coupling)
=> radiated signal matched to the application bandwidth (foliage, ground
penetrating…)
Alimentation
Laser
Ligne
Laser
Photoconducteurs
Examples of bipolar pulse : peak
to peak level of 3 kV, total
duration of 450ps

Comparaison ULB impulsionnel - autres techniques ULB
• Système de réception et dynamique de mesure: impulsionnel
– Oscilloscope monocoup : 15 GHz, 40 Gech/s, 8 bits (dynamique de 48 dB) =>
RADAR
– Oscilloscope séquentiel : 70 GHz, 14 bits, (dynamique de 84 dB) =>
METROLOGIE
– Amélioration de la dynamique : mise en cascade de plusieurs oscilloscopes
• Techniques harmoniques
– Systèmes complexes (mélangeurs, sources de référence …)
– 120 dB de dynamique
Oscilloscope 1
Signal à mesurer
Oscilloscope 2
Oscilloscope 3

ULB impulsionnel : choix du numériseur
– deux modes d’acquisition : monocoup et séquentiel
Prélèvement des N points
1er cycle d'acquisition
N ième cycle d’acquisition
Reconstruction du signal
séquentiel
monocoup
faible récurrence du générateur
extraction des signaux parasites RFI
détection de cibles mobiles
dynamique importante
=> monocoup (radars, mesures outdoor)
=> séquentiel (métrologie, SER, mesures
indoor …)

Exemple : l’oscilloscope monocoup TDS 6804B Tektronix
Nombre de voies 4
Bande passante
7 GHz et 8 GHz avec DSP
Temps de montée
62 ps
Impédance d'entrée
50 Ohms
Sensibilité
10 mV/div à 1 V/div sur 10 divisions
Résolution verticale
8 Bits (>11 Bits avec moyennage)
Tension max acceptée
5 V RMS
Fréquence max d'échantillonnage
20 Géch/s sur les 4 voies
Base de temps
25 ps/div à 40 s/div
Jitter du trigger
1,5 ps RMS
Longueur d'enregistrement
4 Mpoints sur une voie

Point dur des radars ULB impulsionnels : le choix des antennes
ANTENNES ULB : La Problématique
• Avoir une large bande passante , typiquement 200MHz – 4GHz
• Être aptes à rayonner et à capter des impulsions brèves sans les
étaler temporellement (centre de phase fixe en fonction de la
fréquence)
• Présenter une impédance d’entrée compatible avec le générateur et
la chaîne de mesure
• Assurer la tenue en tension (éviter les claquages)
• Présenter des diagrammes de rayonnement symétriques et une
certaine directivité pour favoriser la portée des systèmes
• Ne pas avoir de composantes croisées
• Présenter un encombrement et un poids compatibles avec les
applications visées

Antennes ULB : la problématique
• Antennes à ondes progressives
– L’onde se propage du point d’injection vers l’espace libre sans être
réfléchie aux extrémités de la structure. Le courant d’excitation est
rayonné au cours de sa propagation le long de l’élément rayonnant.
Aucun effet de résonance.
Amplitude arbitraire
Amplitude arbitraire
Log Périodique : antenne multi-résonante
large bande
Vivaldi : antenne à ondes progressives

OSA
Exemple d’antenne ULB à ondes progressives
L’Antenne Valentine
Caractéristiques :
• Adaptation sur 50 Ohms à –10 dB entre 330 MHz et 3.3 GHz
• Pertes d’insertion du balun : 1.7 dB
• Gain maximum : 12 dB
• Polarisation croisée : 2 %
1200
1000
Sortie du générateur – Signal gaussien
0.4
0.3
800
0.2
600
0.1
Amplitude / V
400
200
0
-200
-400
Largeur = 1.5 ns
Amplitude / V
0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
Largeur = 2.5 ns
-600
-0.6
-800
-0.7
39.5 40 40.5 41 41.5 42 42.5
0 1 2 3 4 5
Temps / ns
Temps / ns
Signal généré
⇒ Etalement du signal (dans l’axe) < 1 ns
Signal rayonné

Exemple d’une antenne Valentine (XLIM)
300 MHz 1.5 GHz 3 GHz
Modélisation CST
- en BF les courants sont présents sur toute l’antenne, d’où l’intérêt d’utiliser un
signal de type monocycle (spectre adapté à la bande de l’antenne)

OSA
Exemple d’antenne ULB à ondes progressives
Rayonnement d’un signal de type monocycle
Signaux générés :
1200
1000
800
Sortie du générateur – Signal gaussien
Sortie du générateur – Signal monocycle
-125
-130
Sortie du générateur – TF du signal gaussien
Sortie du générateur – TF du signal monocycle
Amplitude / V
600
400
200
0
-200
-400
-600
Amplitu d e / dBV/Hz
-135
-140
-145
-150
-800
39.5 40 40.5 41 41.5 42 42.5
Temps / ns
Signaux reçus au pied de l’antenne de réception :
-155
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
Fréquence / GHz
20
15
Signal reçu – Signal de type gaussien
Signal reçu – Signal de type monocycle
-150
-160
Signal reçu – TF du signal de type gaussien
Signal reçu – TF du signal de type monocycle
10
-170
Amplitude / V
5
0
-5
Amplitude / dBV/Hz
-180
-190
-200
-10
-210
-15
130 131 132 133 134 135 136 137 138 139
Temps / ns
-220
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
Fréquence / GHz

OSA
Exemple d’antenne ULB à ondes progressives
Génération d’un signal de type monocycle
⇒ Etalement de l’impulsion rayonnée < 300 ps avec le signal monocycle (1 ns avec le
signal gaussien)
⇒ Pas de « traîne » avec le monocycle
⇒ Bande passante à -10 dB du maximum : 300 MHz – 3 GHz
Signaux reçus au pied de l’antenne de réception :
20
15
Signal reçu – Signal de type gaussien
Signal reçu – Signal de type monocycle
-150
-160
Signal reçu – TF du signal de type gaussien
Signal reçu – TF du signal de type monocycle
10
-170
Amplitude / V
5
0
-5
Amplitude / dBV/Hz
-180
-190
-200
-10
-210
-15
130 131 132 133 134 135 136 137 138 139
Temps / ns
-220
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
Fréquence / GHz

Antennes ULB à ondes progressives
• Les antennes de type cône, bicône, papillon, sphère et circulaire
– Adaptation en jouant sur le demi-angle au sommet du cône
– Aérien omnidirectionnel
– Utilisation : capteurs champ E, CEM
Type papillon
Type cône
Type sphère

Antennes ULB à ondes progressives
• Les antennes de type spirale, hélice
• Les antennes de type cornets et TEM
Antenne TEM
Antenne cornet ridgé

Antennes ULB à ondes progressives
• Les antennes à base de réflecteur : IRA, CIRA
– Très directives : 26 dB
(Farr Research)
IRA : 250MHz- 20 GHz
Diamètre : 46cm
CIRA : 150MHz- 12 GHz
Diamètre : 1,22m

Antennes ULB à ondes progressives (XLIM)
• Les antennes à élargissement progressif : Vivaldi, Ciseaux, Libellule, Valentine.
– Aériens directifs
– Parfois des charges résistives aux extrémités des brins pour éliminer les
phénomènes de résonnance et de stationnarité
– Centre de phase fixe : peu de dispersion (étalement faible des impulsions)
Part with
resistive loads
stand
Four wires antenna
• Maximum power level : 10 kV
• Bandwidth : 100 MHz – 1 GHz
• Maximum gain : 8 dB
• Size : 2m*1.5m*1.5m
Dragonfly antenna
• Maximum power level : 25 kV
• Bandwidth : 200 Mhz – 4 GHz
• Maximum gain : 13 dB
• Size : 1m*0.94m*0.365m
Scissors antenna
• Maximum power level : 10 kV
• Bandwidth : 100 MHz – 1.2 GHz
• Maximum gain : 6 dB
• Size : 0.6m*0.6m*0.05m
Narrow Valentine antenna
• Maximum power level : 25 kV
• Bandwidth : 200 Mhz – 3.3 GHz
• Maximum gain : 12 dB
• Size : 1m*0.94m*0.18m

Antennes ULB à ondes progressives : adaptation
• LES BALUNS : balanced – unbalanced
(antennes XLIM : baluns réalisés par J.C. BRION société EUROPULSE)
– Symétriseurs de signaux
• i1 et i2 même amplitude, et signes opposés
• supprime le courant parasite i3
circulant sur l’extérieur du
blindage (mode commun parasite)
• i3 fait jouer au câble un rôle
d’antenne => dissymétrie des lobes
• mise en place d’anneaux
de ferrite

Antennes ULB à ondes progressives : adaptation
• LES BALUNS : balanced – unbalanced
– Assurent la transition géométrique entre la ligne d’adaptation et l’entrée
de l’antenne
• Câble coaxial - Ligne bifilaire
• Câble coaxial - Ligne biplaque
• …..
– Assurent l’adaptation d’impédance entre la ligne d’adaptation et
l’antenne

OSA
Présentation générale : l’ULB impulsionnel
Limitations du système purement électronique mises en évidence lors du projet
PULSAR (2002) :
• Problèmes de tenue en tension des antennes pour des impulsions d’amplitude supérieure à
25 kV
⇒ Faible énergie rayonnée
⇒ Portée limitée
Solution
Cumul de plusieurs sources inférieures à 25 kV (réalisation d’un réseau d’antennes ULB)
Synchronisation impossible avec un générateur électronique (gigue de 50 ps)
Solution
Utilisation de l’optoélectronique (gigue < 5 ps)
Gigue

OSA
Présentation générale : l’ULB impulsionnel
Limitations du système purement électronique mises en évidence lors du projet
PULSAR (2002) :
• Limitations dues à la forme d’onde de type gaussien
⇒ Composantes BF du spectre non rayonnées
⇒ Couplage avec le système de réception
⇒ Dégradation de la dynamique de mesure
Forme d’onde
Gaussienne
Signal temporel
Spectre
Solution
Génération d’impulsion de type monocycle
Monocycle

OSA
Présentation générale : l’ULB impulsionnel
Limitations du système purement électronique mises en évidence lors du projet
PULSAR (2002) :
• Problèmes de tenue en tension des antennes
Cumul de plusieurs sources inférieures à 25 kV (réalisation d’un réseau d’antennes ULB)
Utilisation de l’optoélectronique (gigue < 5 ps)
• Limitations dues à la forme d’onde de type gaussien
Génération d’impulsion de type monocycle
⇒ Le projet RUGBI (Radar Ultra Grande Bande Instantanée)
Programme d’Étude Amont (PEA) initié par la DGA

OSA
Présentation générale : le projet RUGBI
Collaborations :
XLIM / OSA
XLIM / Photonique
DGA
CELAR
CEA
Europulse
Thalès
Synchronisation par laser
Générateur optoélectronique 1
Générateur optoélectronique 2
Antenne 1
Antenne 2
Générateur optoélectronique N
Antenne N
Intérêt de l’optoélectronique :
• Gigue de déclenchement < 5 ps
• Génération d’impulsions de type monocycle
Intérêts du réseau d’antennes :
• Augmentation de l’énergie rayonnée et de la portée
• Réduction de la largeur du lobe
• Agilité du lobe de rayonnement (dépointage)
Caractéristiques attendues du système :
• Bande de fréquence répartie sur une décade de 300 MHz à 3 GHz (résolution en distance radar de 6 cm)
• Impulsion générée d’une largeur de l’ordre d’1 ns pour un temps de montée d’environ 100 ps
• Mise en réseau de quatre sources d’environ 10 kV soit une source équivalente à 40 kV (> 25 kV)

OSA
Conception du système RUGBI
Module de contrôle des quatre générateurs
Antennes
Photocommutateurs
Fibres optiques
Séparatrices
50 / 50
+
Miroirs
Table optique
Synchronisation
(Photocommutateur)
Pé r iscope
Injection
dans les
fibres
Laser
Lignes à retard optique
Gigue et synchronisation des sources :
• Gigue mesurée de 5 ps (gigue de l’oscilloscope 3 ps)
• Précision de synchronisation de 2 ps avec les lignes à retard manuelles (déplacement de 6 mm)

OSA
Tests en transmission du système RUGBI
Cumul d’énergie dans l’axe
Amplitude / V
Amplitude / dBV/Hz
2.5
2
1.5
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-170
-180
-190
-200
-210
-220
-230
1 antenne
2 antennes aux extrémités du réseau
2 antennes au centre du réseau
3 antennes
4 antennes
106 108 110 112 114 116
Temps / ns
Signaux reçus par l’oscilloscope
1 antenne
2 antennes aux extrémités du réseau
2 antennes au centre du réseau
3 antennes
4 antennes
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
Fréquence / GHz
TF des signaux reçus par l’oscilloscope
⇒ Conservation du temps de montée (+/- 5 %)
⇒ Conservation de la largeur d’impulsion
(+/- 1 %)
⇒ Multiplication du signal d’une antenne seule
par le nombre d’antennes présent en émission
⇒ Augmentation du niveau de 6 dB sur toute la
bande de 300 MHz à 3 GHz lorsque le nombre
d’antennes est doublé
⇒ Perte de l’effet réseau au-delà de 3 GHz
(non visible sur les signaux temporels car peu
d’énergie à ces fréquences)

OSA
Tests en transmission du système RUGBI
Diagrammes de rayonnement dans le plan H
Tâche de rayonnement temporelle
Antenne seule
Réseau sans dépointage
Réseau :
⇒ Tâche de rayonnement plus étroite
⇒ Pas d’étalement dans l’axe
⇒ Étalement de l’impulsion hors de l’axe
(désynchronisation)
Réseau avec dépointage
Dépointage :
⇒ Tâche dépointée sur –10° identique en terme de forme
⇒ Présence de lobes de réseau
⇒ Amplitude maximale légèrement inférieure au cas sans
dépointage (antenne directive)

OSA
Tests en transmission du système RUGBI
Diagrammes de rayonnement dans le plan H
Tâche de rayonnement fréquentielle
Antenne seule
Réseau sans dépointage
Réseau :
⇒ Diagramme de rayonnement plus étroit
⇒ Lobes de réseau à partir de 2.5 GHz
Réseau avec dépointage
Dépointage :
⇒ Diagramme dépointé ( –10°) identique en terme de
forme
⇒ Présence de lobes de réseau à partir de 1.5 GHz

OSA
Tests en réception du système RUGBI
Couplage entre le système d’émission et l’antenne de réception : impulsion monocycle
Comparaison des signaux de couplage obtenus avec en émission une impulsion
gaussienne et une impulsion monocycle
2
Couplage direct
1
Couplage
Couplage
- Impulsion gaussienne
- Impulsion monocycle
0
Gaussienne
1.12 m
Monocycle
1.12 m
Émission
Amplitude / V
-1
-2
Couplage long
Réception
Configuration 1 Configuration 2
-3
-4
100 120 140 160 180 200
Temps
⇒ Couplage direct réduit d’un facteur 10
⇒ Couplage long réduit d’un facteur 20
/ ns

OSA
Test RADAR RUGBI
Validation du fonctionnement du démonstrateur par une expérimentation probatoire
d’imagerie SAR
0 m
Paramètres de la fauchée
• Pas de mesure : 20 cm
• Longueur de fauchée : 8 m
Émission
• Cible : trièdre d’arêtes 45 cm
5 m
Réception
• Élimination des signaux de couplage par soustraction
8 m
• Comparaison une antenne seule - réseau
4 kV
Antenne seule
Cartes des réponses impulsionnelles
Hyperbole de migration
1 kV
1 kV
1 kV
1 kV
Réseau
Cible

OSA
Test RADAR RUGBI
Validation du fonctionnement du démonstrateur par une expérimentation probatoire
d’imagerie SAR
⇒ Résidus de couplage après soustraction plus faibles avec le réseau
⇒ Hyperbole moins longue avec le réseau
⇒ Élargissement des zones latérales de l’hyperbole (désynchronisation) avec le réseau
4 kV
Antenne seule
Cartes des réponses impulsionnelles
Hyperbole de migration
1 kV
1 kV
1 kV
1 kV
Réseau

OSA
Test RADAR RUGBI
Validation du fonctionnement du démonstrateur par une expérimentation probatoire
d’imagerie SAR
Images
Antenne seule
Réseau
⇒ Position relevée de la cible identique
⇒ Sensibilité au couplage plus faible avec le réseau
⇒ Sommation d’énergie plus faible avec le réseau (lobe de rayonnement plus étroit)
⇒ Résolution en distance radar altérée par la désynchronisation des impulsions hors de l’axe
du réseau (traitement correctif)

Autres exemples de systèmes en métrologie transitoire
-Surface Equivalente Radar
-Antennes
-CEM
Intérêts de la technique transitoire
‣Ne nécessite pas de chambres
anéchoïques
‣Élimination des signaux parasites
par fenêtrage temporel
‣Gain de temps important vis-à-vis
des techniques harmoniques
‣Coût des infrastructures faible
Inconvénients/harmonique
‣ Plus faible dynamique

Principal avantage des techniques Impulsionnelles
• Dissociation des réponses des cibles et des signaux parasites
• En utilisant un fenêtrage adapté, seule la réponse utile est conservée. Idéal
pour les mesures hors chambre anéchoïque => adapté aux mesures out-door
Réponse de la cible
Echos parasites
Amplitude
Fenêtrage temporel
Temps

xemple 1 : Banc de mesure transitoire de Surface Equivalente Radar
Attenuators
Kentech 6 & 20 dB
Kentech 4KV
pulse generator
Receiver
(Ampli, switch)
UWB Antennas & Baluns
Position
Controlling System
GPIB
IEEE
Stanford Sequencer
Digital Oscilloscope
Tektronix TDS 820
Recording & Processing Unit
Characteristics of the measurement RCS system
Frequency range : 100 MHz - 1 GHz
Rise Time : 220 ps
XLIM/DGA/CELAR

Exemple 1 : Banc de mesure transitoire de Surface Equivalente Radar
1
0.5
V)
0
-0.5
Reception signals
Coupling between
antennas
Chamber without target
Chamber with target
Target
Residual
oscillations
-1
0 20 40 60 80 100
Time (ns)
0.06
0.04
0.02
(V)
0
-0.02
-0.04
Signal after substraction
Response of a sphere
Useful
echo
Multiple
way
-0.06
0 20 40 60 80 100
Time (ns)
1- => SOUSTRACTION DANS LE DOMAINE TEMPOREL
Soustraction : élimine les couplages antenne et environnement
Fenêtrage temporel : sépare la réponse utile (cible(
cible) ) des échos
parasites (environnement(
environnement)
2- => FENETRAGE
TEMPOREL
(V)
0.05
Time window :
25 ns
0
Signal forced to zero
-0.05
0 10 20 30 40 50 60

xemple 1 : Banc de mesure transitoire de Surface Equivalente Radar
with
RCS
E meas.
meas.target
Détermination de la SER
( θ , f )
=
FFT E
FFT E
(
meas. target
( θ , t)
)
( θ , t)
( )
meas. calibrator
2
2
× RCS
theo. calibrator
( θ , f )
• target : time response of the target of interest for various azimuth
angles θ and versus time t, minus the empty chamber response
E meas. calibrator
• : time response of a standard target, under these conditions
RCS theo.
•
calibrator
: RCS of the previous standard target, accurately known
either analytically or using a computation code

xemple 1 : Banc de mesure transitoire de Surface Equivalente Radar
Comparison between computed and
measured RCS of a 200 mm diameter sphere
(mV)
50
40
30
20
10
0
-10
-20
Transient response
FDTD simulation
Measurement
(dB.m 2 )
0
-10
-20
-30
-40
RCS
-30
-40
-50
5 10 15 20 25
Time (ns)
-50
Mie series
Measurement
-60
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
Frequency (GHz)

xemple 1 : Banc de mesure transitoire de Surface Equivalente Radar
Comparison between computed and
measured RCS of a 2.6 m length cylinder
Transient response
RCS
(V)
0.2
0.15
0.1
0.05
0
-0.05
-0.1
-0.15
FDTD simulation
CHEOPS measurement
17.4ns = 2,6*2/c
specular
reflection
Progressive
wave
-0.2
0 5 10 15 20 25 30 35 40
time (ns)
(dB.m 2 )
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
FDTD simulation
CHEOPS measurement
-40
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
frequency (GHz)

Exemple 2 : Base de mesure out-door de caractérisation
d’antennes ULB
Caractérisation de toute la bande de fréquence instantanément et
sans la nécessité d’une chambre anéchoïque
TDS 6804B 7GHz
2m 3
CH2
CH3
10m 2
Générateur APG1 230 V
SONDE EUROPULSE
1m 2
15m 2
10m 1
Distance entre antennes balun – balun : 7m20
Hauteur balun – sol : 2m80

Exemple 3 : BASE de mesure outdoor d’antennes pour l’automobile
dans leur contexte d’utilisation
Antennes sous Test
Antenne d‘émission
5 mètres
Oscilloscope +
Ordinateur
d ’acquisition
30°

Exemple 3 : BASE de mesure outdoor d’antennes pour l’automobile
dans leur contexte d’utilisation
Les 2 antennes sont mesurées simultanément sur le même véhicule
315°
0,8
0,6
0,4
0°
1
45°
Antenne Patch
315°
0,8
0,6
0,4
0°
1
45°
Antenne Toit
270°
0,2
0
90°
Diagramme de
Rayonnement de
l'antenne Patch =
840MHz
270°
0,2
0
90°
Diagramme de
Rayonnement de
l'antenne 'Toit' à
867MHz
225°
135°
225°
135°
180°
Diagramme Normalisé (linéaire)
180°
Diagramme Normalisé (linéaire)
– Antenne patch : antenne qui émet vers l ’avant du véhicule
– Antenne toit : antenne omnidirectionnelle

Exemple 4 : Banc de caractérisation de
connecteurs multifilaires (100 Ω)
Generator
Probe
Bifilar line
Probe
50 Ω
DUT
Zc = 100 Ω
Oscilloscope
Baluns
50 Ω 100 Ω
50 Ω

Conclusion
• Les RADARS ULB impulsionnels présentent de très bonnes garanties en
terme de détection, de localisation et d’identification de cibles vis-à-vis des
nouvelles contraintes imposées aux futurs moyens de détection
• Les moyens probatoires de ces dernières années ont validé les performances
attendues de ces systèmes
• Améliorations essentielles à apporter aux systèmes actuels :
– La miniaturisation des composants :
• Les antennes
• Les générateurs opto (lasers)
– La dynamique des moyens d’acquisition
• Les perspectives :
– Agilité du faisceau en temps réel
– Agilité en forme d’onde
– Fusionner les données avec d’autres systèmes (fausses alarmes)
• La Métrologie Transitoire présente des avantages vis-à-vis des techniques
purement harmoniques, notamment en CEM.
– La rapidité (1 seule mesure)
– Pas de chambre anéchoïque (faible coût)
– Détection des non-linéarités
– MAIS une limitation importante : le peu de dynamique

Bibliographie
Y CHEVALIER
« Contribution à l’étude et au développement d’expérimentations destinées à la mesure en régime impulsionnel de surfaces équivalentes radar basses
fréquences (VHF et UHF) »
Thèse de doctorat, Université de Limoges, 1998
F. GALLAIS
« Etude et réalisation d’un radar SAR en régime transitoire : Application à la détection de cibles dans le fouillis de sol »
Thèse de doctorat, Université de Limoges, 2002
J. ANDRIEU, S. NOUVET, V. BERTRAND, B. BEILLARD AND B. JECKO
“Transient characterization of a novel ultra-wide band antenna : the scissors antenna”
IEEE Transactions on Antennas and Propagation, volume 53, N°4 - pp 1254-1261, Avril 2005
[ 1 Igor Ya. Immoreev
“Main Features Ultra-Wideband (UWB) Radars and Differences from Common Narrowband Radars”
“Feature Detection in UWB Radar Signals”
Livre : "Ultra-Wideband Radar Technology", CRC Press, USA, edited by James D. Taylor, 2001.
[ 1 ] Immoreev I.Ya., James D. Taylor
“Future Of Radars”
Conference Ultra Wide Band and Ultra Short Impulse Signals, 2002
[ 1 ] R. Guern, M. Lesturgie, J. Derosch, P. Borderies, L.C. TAi, H.L. Chan, H.W. Seah , Y. Lu, W. Liu
“Benefits of Ultra Wide Band for radar imaging through the forest : examples from a BoomSAR experimentation”
International Conference on Radar Systems, 2004
[ 1 ] P DELMOTE
« Etude et réalisation d’antennes ULB pour applications radar et communications »
Thèse de doctorat, Université de Limoges, avril 2006
[ 2 ] B VERGNE
« Réalisation de photoswitchs pour une application radar UWB »
Thèse de doctorat, Université de Limoges, septembre 2006
B JC DIOT
« Conception et réalisation d’un radar Ultra Large Bande impulsionnel optoélectronique »
Thèse de doctorat, Université de Limoges, septembre 2006