LabVIEW FPGA synchronise un système radar d’étude des nuages

Author(s):
Jean-Pierre Vinson - CETP
S. Ruocco - CETP
C. Corbel - CETP
F. Boutet - CETP
M. Grall - CETP
L. Chardenal - CETP

Industry:
Aerospace/Avionics, Water/Wastewater, Research

Products:
High-Speed Digitizers, Data Acquisition, PXI/CompactPCI, Real-Time, LabVIEW, Modular Instruments

The Challenge:
un radar sol et aéroporté à 95 GHz pour la télédétection des propriétés nuageuses.

The Solution:
Utiliser une instrumentation PXI avec LabVIEW, et en particulier avec le module LabVIEW FPGA, pour intégrer les fonctions de synchronisation du radar (antennes, acquisition, traitement et communication avec un calculateur temps réel central).

Dans le cadre d'un projet météorologique à l'échelle européenne, le CETP (Centre d'Étude des Environnements Terrestre et Planétaires), laboratoire mixte (CNRS-Université Versailles St Quentin) de l'IPSL (Institut Pierre Simon Laplace), a développé un système nommé RASTA (Radar Aéroporté et Sol de Télédétection des propriétés nuAgeuses), destiné à l'étude des propriétés dynamiques, microphysiques et radiatives des nuages troposphériques faiblement précipitants. Il s’agit d’un radar impulsionnel monostatique. Une première version aéroportée, basée sur une plate-forme VXI, a déjà été développée par le CETP il y a cinq ans. Ce radar était embarqué dans un avion Fokker 27 de l'IGN. Cet avion ayant été réformé, une nouvelle version du système RASTA sera intégrée, avec le soutien du CNES, dans deux nouveaux porteurs - le Falcon 20 et l'ATR 42 du Service des Avions Français Instrumentés pour la Recherche en Environnement - lors de prochaines campagnes aéroportées. Les premiers tests seront effectués en octobre 2005 et une campagne de trois semaines sera effectuée en Afrique en juin 2006 pour étudier les conditions de développement de la mousson africaine.

Principe de fonctionnement
Le nouveau système, finalisé en juin 2005, présente des améliorations notables par rapport au précédent. Utilisant cinq antennes (3 en visée basse et 2 en visée haute) au lieu de deux, pour fournir des profils atmosphériques 3D, il est basé sur une plate-forme PXI pilotée sous LabVIEW et intègre les fonctions de traitement simultané en PPP (Pulse Pair Processing) et FFT (Fast Fourier Transform).
Le radar émet un train d'impulsions de puissance crête 2 kW à 95,04 GHz. Il reçoit les échos réfléchis par les nuages sur les cinq antennes, disposées à l'intérieur de la cabine de l'avion et qui visent à travers des hublots de quartz, en respectant à la fois les contraintes avioniques et électriques. Ces visées avec différents angles d'incidence permettent de reconstituer le profil du champ de vent. Pour traiter les échos reçus, un mélangeur ramène la fréquence de la porteuse de 95 GHz à 70 MHz. Ce signal FI porte le message des échos qui est constitué de l'information d'amplitude, correspondant à la puissance réfléchie, et de l'information de phase, correspondant à la vitesse (effet Doppler). Ces échos sont alors traités (analyse PPP et FFT) dans le calculateur PXI par LabVIEW, pour donner la puissance et la vitesse des échos des nuages. En outre, l'application LabVIEW communique avec un boîtier USB d'acquisition de données pour tester le radar en vol et en contrôler les paramètres d'émission.
Le PXI a été choisi pour sa compacité (3U au lieu de 6U pour le VXI), son coût réduit, son caractère standard et sa fiabilité. Le châssis contient un contrôleur, un récepteur FI (fréquence intermédiaire), un numériseur PXI-5122 pour l'acquisition de la FI, un module GPS, un module d'interface numérique et un module PXI-7831R chargé du séquencement de l’émission et de la réception de chaque antenne, réalisé au travers de commutateurs circulateurs hyperfréquences. à ce niveau, aucune erreur n'est permise, une mauvaise synchronisation risque de détruire le récepteur. Il convient donc de synchroniser parfaitement les commutations des différentes antennes (à 12,5 ns près). Le module de commande est doté d'un circuit FPGA programmé avec LabVIEW FPGA. Il a été choisi pour sa souplesse et sa fiabilité. Et LabVIEW FPGA permet d'en programmer les fonctionnalités sans avoir à passer par le langage VHDL.

Le système PXI, s'il est autonome, n'est qu'une partie du système complet, lequel est piloté par un calculateur temps réel maître, qui va intégrer d'autres informations, notamment en provenance de l'instrumentation de bord (vitesse, altitude, etc.). Ces fonctionnalités sont développées par une équipe de la Division Technique de l'INSU (Institut National des Sciences de l'Univers). Les deux équipes travaillent ensemble pour faire communiquer le calculateur maître et le contrôleur PXI via une liaison Ethernet, les deux calculateurs étant synchronisés par GPS.

LabVIEW a notamment été choisi car il a permis de tester l'instrumentation avant l'intégration dans le système complet. Il assure une totale autonomie de la partie PXI, qui est d'ailleurs utilisée seule dans le cadre d'une version sol du radar. Enfin, il a permis d'intégrer davantage de fonctions (comme le récepteur numérique) au sein de la même plate-forme matérielle.

Il est probable que l'application évoluera dans l'avenir, notamment en étant implantée dans d’autres types de radars, mais le système actuel doit pouvoir remplir sa fonction avec succès pendant une bonne quinzaine d'années.

Juin 2006

Author Information:
For more information on this Case Study, contact:
Jean-Pierre Vinson
CETP
10, avenue de l'Europe
Vélizy-Villacoublay 78140
France
Tel: +33139254885
jean-paul.vinson@cetp.ipsl.fr

Browse All Case Studies »