Brevet FR2045857A1 — publié le 19710305

L'invention concerne un procédé et un appareil pour le traitement à'un signal Doppler résultant d'un décalage de fréquences d'un signal porteur par réflexion sur une surface en mouvement. 5 Dans le contrôle de surfaces qui se déplacent les unes par rapport aux autres,• diverses techniques se détection utilisant de hautes fréquences hertziennes (radar), des ultrasons ou d'autres formes d'énergie sont bien connues.' L'une de ces techniques que l'on emploie couramment est la technique Doppler à onde continue qui 10 comporte une évaluation du produit de modulation de l'énergie émise et réfléchie. Lorsqu'on désire une mesure exacte de la distance parcourue en fonction du temps, on compare la fréquence de l'énergie décalée par effet Doppler à la fréquence de l'énergie émise et on mesure la différence de fréquence, généralement en 15 comptant les cycles ou les passages par zéro de la fréquence différentielle par unité de temps. Mais ces procédés ne donnent pas une fonction continue proportionnelle au mouvement de la surface. En outre, la plupart des techniques Doppler connues ne peuvent pas détecter la direction, étant donné leur incapacité de distinguer 20 entre les décalages positifs et négatifs de fréquence. De plus, ces procédés sont seulement satisfaisants dans les cas où la vitesse à détecter est constante au moins sur la distance équivalente à plusieurs cycles de la fréquence différentielle, car ils sont fondés sur la formation d'une valeur moyenne. Mais, en ce qui 25 concerne cette dernière, on a trouvé que dans "bien des cas la vitesse ne peut pas être considérée comme constante sur la distance de plusieurs longueurs d'onde. Dans certains cas, on peut facilement remédier à cet inconvénient en opérant à des fréquences plus . élevées mais, souvent, ces opérations entraînent de sérieuses dif-30 ficultés en ce qui concerne la conception des circuits ou des transducteurs, une trop grande atténuation de l'énergie émise (par exemple atténuation des ultrasons dans le corps humain) et par suite, une plus grande résolution de mouvements transitoires est désirable. 35 Le but de l'invention est donc de fournir un procédé et un appareil permettant d'assurer une mesure exacte et directionnelle 70 20517 2 2045357 continue de la vitesse et du déplacement d'une surface en mouvement par rapport à une source, même pendant un petit nombre donné de cycles de .fréquence Doppler» On y parvient en détectant l'information de modulation de fréquence et de modulation d'amplitude 5 contenue dans le signal Doppler et en effectuant une division analogique de l'information de modulation de fréquence détectée par l'information de modulation d'amplitude de manière à obtenir un signal de sortie représentatif de la vitesse de la surface. En intégrant simultanément la fonction de vitesse, on peut obtenir 10 le déplacement en fonction du temps. On peut prévoir une bande préétablie autour de zéro pour inhiber la division par l'information de modulation d'amplitude au voisinage de zéro ou à zéro. On décrira ci-après un mode d'exécution préférentiel de l'invention à propos des dessins annexés sur lesquels : 15 La figure 1 est un diagramme vectoriel illustrant les re lations de tension et de phase de l'énergie réfléchie ; La figure 2 est un schéma d'un circuit récepteur destiné à servir avec des ultrasons Doppler à onde continue ; La figure 3 montre plus en détail "une forme de circuit 20 d'établissement de ligne de base de zéro, 28 ; La figure 4 illustre, pour une vitesse supposée de la surface, -une série de formes.de signal à différents étages du circuit récepteur. Le circuit que l'on décrira ci-après illustre aine façon 25 de résoudre la détermination par calcul des paramètres de vitesse v (t) et de déplacement x (t) d'une surface à surveiller, en utilisant une énergie réfléchie 'décalée par effet Doppler. Dans le cas particulier, l'émetteur et le récepteur sont situés l'un près de l'autre. 30 "A propôs de ce qui précède, on se réfère à la figure 1 qui montre un diagramme vectoriel-qui sera utile pour étudier la vitesse de la surface réfléchissante en fonction du temps, exprimée par l'information de modulation de fréquence qt de modulation d'amplitude contenue dans la forme d'onde complexe .e,, (t) tirée d'un 35 transducteur ultrasonique fonctionnant dans le mode'd'onde continue. Le vecteur composant e^ représente l'onde réfléchie directement par 70 20517 3 2045857 la surface en mouvement considérée lorsque l'angle 0 (t) est relié au mouvement de la surface réfléchissante. Le vecteur eT repré- 11 sente la somme de toutes les ondes non modulées reçues par le transducteur. En "bref, l'équation : 5 (I) r(t) - d x (t) - A ^ 0 (t) dt 4 dt représente la vitesse de la surface réfléchissante, X étant la vitesse du son divisée par la fréquence porteuse. Bans les cas où l'amplitude du vecteur e^ est considérablement inférieure à l'amplitude du vecteur e^f l'angle de déphasage 0 (t) ne peut pas être 10 mesuré directement. En conséquence, la vitesse de la surface réfléchissante, qui est liée à l'angle de phase 0 (t), équation I ci-dessus, ne peut pas être mesurée directement et il convenait de reconstruire la vitesse de la surface réfléchissante en partant des quantités mesurables qui sont la modulation d'angle 0 (t) et l'am-15 plitude d'onde complexe e^(t). Par substitution, on obtient : •X d 0 (t) « d© (t) (II) v(t) = -A_ eL dt 4 cos (t) et si l'on note que dQ/dt est l'information de modulation de fréquence et que e^ cos 0 (t) est l'information de modulation d'amplitude contenue dans e^(t), on peut écrire : x eEM ^ (III) v(t) = —— e — ttt- 4 L ®AM Par des calculs mathématiques, on a trouvé que lorsque 20 e^ de modulation de fréquence ou à la modulation d'angle et que d t e^ n'apparaît plus dans l'équation ei-dessous parce que e^ cos 0 (t) ou e.M(t) ne dépend pas de eT étant donné que e./eT«1 : 70 20517 4 2045857 (IV) y(l)_^ ^ ^"eA sin 0 (t)-7 A A £em (t)" 2V 4 eA cos 0 (t) 4 ®ajï ("t) Ainsi, en effectuant une division analogique de la forme d'onde à modulation de fréquence par la forme d'onde à modulation d'amplitude, on peut obtenir ime reconstruction quadrant par quadrant de la phase variable de l'onde modulée par la surface réflé-5 ehissante. Cette reconstruction est très désirable pour l'analyse de surfaces ayant une vitesse constante pendant quelques cycles seulement de la fréquence porteuse. La multiplication par une constante donne alors la vitesse de la surface en fonction du temps de sorte que la sortie est étalonnée en vitesse absolue et conserve 10 une information directionnelle. On peut obtenir le déplacement en fonction du temps par intégration de la courbe de vitesse. On décrit ci-après un mode d'exécution fondé sur la méthode de mesure de surfaces en mouvement qui est exposée ci-dessus. Le mode d'exécution ci-après convient spécialement au contrôle de 15 surfaces d*organismes*vivants, par exemple lorsqu'il s'agit de mesurer : l'écoulement du sang d'après l'énergie ultrasonique réfléchie par des globules sanguins en mouvement ; la vitesse et le déplacement de la paroi cardiaque ; le mouvement d'un foetus ; le mouvement des parois artérielles pendant l'ouverture et la ferme-20 ture d'tuie artère bouchée par line pression appliquée extérieurement , etc. Comme le montre la figure 2, un oscillateur 12 est relié à tin cristal d'émetteur 13 st à un canal de modulation de fréquence 11 comprenant une unité de déphasage 1T/2, 14, couplée à l'entrée 25 15 d'une unité détectrice à modulation d'amplitude 17. Une deuxième entrée 16 de l'unité détectrice 17 est alimentée par un canal de modulation d'amplitude 21 décrit ci-après. La sortie du détecteur 17 est reliée à une unité différentiatrice 18, cette sortie étant appliquée en tant que signal d'entrée à modulation de fréquence à 50 une borne d'entrée 19 d'un étage diviseur analogique 41. Pour en revenir au canal de modulation ds amplitude 21, on a prévu un cristal de récepteur 23 relié à un amplificateur à haute fréquence 24. La sortie de l'amplificateur à haute fréquence 24 est couplée par 70 20517 5 2045857 parcours à l'entrée 25 d'un étage détecteur à modulationd 'amplitude 27 et par un deuxième parcours à l'entrée' 16 de l'unité détectrice 17 comme on l'a dit plus haut. Une deuxième entrée 26 du détecteur 27 est représentée reliée à la sortie de l'unité oscil-5' latrice 12. La sortie du détecteur 27 est reliée à une unité d'établissement de ligne de base 28. La figure 3 montre un schéma de câblage de l'unité d'éta-blissemènt de ligne de base de zéro, 28 qui comprend une impédance de couplage 61 reliée à l'entrée 62 d'un amplificateur différentiel 10 64 et dont la deuxième entrée 63 est reliée à la terre. Un premier parcours de réaction 66 partant du conducteur de sortie 65 de l'amplificateur différentiel comprend un condensateur 67 et une résistance 68 reliés en série et une deuxième cathode de parcours de réaction 70 reliée en parallèle relie le-conducteur de sortie 65 à 15 l'anode de la diode 69 et à la diode 71. La deuxième borne de chaque diode est séparée de la terre par les condensateurs 72 et 73 et reliée à l'entrée 62 par des résistances respectives 74 et 75. Le câblage de réaction passant par le parcours 70 forme la différence entre les pointes positive et négative intégrées de la forme 20 d'onde à modulation d'amplitude et établit ainsi la ligne médiane relative aux excursions de crête à crête de la forme d'onde à modulation d'amplitude. On reviendra maintenant à la figure 2 ; le conducteur de sortie 65 de l'unité d'établissement de ligne de base 28 est relié 25 à une unité d'inhibition de passage par zéro 29 par deux paires de parcours parallèles. Une première paire est constituée par une porte analogique 31 prévue dans le premier parcours et un inverseur 32 et une porte analogique 33 dans le deuxième parcours, de sorte que les sorties des portes analogiques 31, 33 sont couplées à 30 l'entrée à modulation d'amplitude d'une deuxième borne d'entrée 39 de l'étage diviseur analogique 41. La deuxième paire de parcours partant de l'unité d'établissement de ligne de base de zéro 28 comprend dans un parcours un comparateur positif 36 et dans le deuxième parcours un comparateur négatif 37. Les comparateurs 36 et 37 35 comprennent chacun un potentiomètre réglable branché entre la terre et une tension respectivement positive et négative. Le potentiel de 70 20517 6 2045857 référence de sortie du comparateur 36 est relié à l'entrée de commande 34 de la porte 31 tandis que le potentiel de référence de sortie du comparateur 37 est relié de façon similaire à l'entrée de commande 35 de la porte 33. Des deux sorties sont aussi reliées 5 respectivement à des portes analogiques 43 et 46 du côté de la sortie de l'étage diviseur analogique 41. Le diviseur 41 présente une seule borne de sortie qui est reliée par deux parcours parallèles à un filtre passe-bas 48. Le premier de ces deux parcours comprend une porte analogique 43 10 dont l'entrée de commande 44 est reliée au comparateur 36 de l'unité d'inhibition 29. Le deuxième parcours partant de la sortie du diviseur analogique comprend un inverseur 45 et une porte analogique 46 reliés en série, l'entrée de commande 47 de la porte analogique 46 étant reliée au comparateur 37 de l'unité d'inhibition 15 29. Les sorties des portes analogiques 43 et 46 sont reliées ensemble et ensuite, par l'intermédiaire du filtre passe-bas 48, à une borne de sortie 49 du dispositif, appelée sortie de vitesse. La borne de sortie 49 est couplée à un intégrateur 51 qui présente une borne de sortie 52 appelée sortie de déplacement. 20 Pour passer en revue le fonctionnement du mode d'exécution ci-dessus, on supposera que la surface considérée présente une forme d'onde caractéristique de déplacement comme celle que montre la figure 4(a) et une forme d'onde caractéristique de vitesse comme celle que montre la figure 4(b). L'oscillateur d'émetteur 12 en-25 gendre un signal de haute fréquence qui sert à activer le cristal 13 pour émettre une énergiè ultrasonique ayant une certaine fréquence vers la surface à observer. En même temps, le signal à haute fréquence est appliqué au détecteur 26 et au détecteur 17 par l'intermédiaire d'un déphasage de "T dans l'unité 14. Le cristal ,2 30 de récepteur 23 recueille alors l'énergie ultrasonique réfléchie ayant une forme d'onde complexe dont la fréquence, dans le cas d'une surface réfléchissante én mouvement, est décalée relativement à la fréquence porteuse;émise. Après amplification par l'unité à haute fréquence 24, le signal est appliqué aux détecteurs 17 et 27 35 ûe qui fait que dans chaque détecteur'le signal reçu .est démodulé en amplitude de façon synchrone avec le signal drémetteur. Le dé 70 20517 7 2045857 tecteur 27 engendre une forme d'onde comme celle que représente la figure 4 (d), représentative de l'information de modulation d'amplitude contenue dans la forme d'onde complexe réfléchie, similaire à la sortie du détecteur 17 si ce n'est que cette dernière 5 sortie est déphasée de 902. Le signal déphasé et démodulé en amplitude est alors différencié dans l'unité 18 de manière à donner à la "borne 19 du diviseur analogique un signal d'entrée représentatif de l'information de modulation de fréquence de la forme d'onde complexe, telle qu'elle est représentée par la figure 4(c). 10 Si l'information de modulation d'amplitude qui constitue la sortie du détecteur 27 contient normalement un grand nombre de cycles Doppler pour tous les cas intéressants, il est facile d1établir la référence de zéro par couplage usuel à courant alternatif, par exemple au moyen d'on condensateur. Toutefois, pour les 15 mouvements du type dont on parle plus haut, où un nombre donné et limite de cycles seulement sont engendrés, un couplage usuel à courant alternatif ne donnerait pas une référence exacte de zéro. Ainsi, le présent mode d'exécution qui est conçu pour contrôler des surfaces intérieures d'un corps comprend l'unité d'établissement 20 de ligne de base de zéro 28 qui fournit une référence de zéro pour quelques cycles d'information à modulation d'amplitude en détectant les pointes positive et négative de la forme d'onde à modulation d'amplitude et en établissant une ligne de base de zéro à mi-chemin entre ces tensions de pointe. 25 Comme on l'a indiqué plus haut, on a trouvé désirable d'avoir une sortie proportionnelle au mouvement de la surface, ce qui donne un système sensible aux variations transitoires de vitesse. Toutefois, avec une division point par point de l'information de modulation de fréquence par l'information de modulation d'ampli-30 tude dans le diviseur analogique 41, aux points de passage par zéro de la forme d'onde à modulation d'amplitude le quotient résultant de la division serait discontinu ou infini. En faisant passer la forme d'onde à modulation d'amplitude par l'unité d'inhibition de passage par zéro, 29, on évite la division par zéro car cette unité 35 a pour effet d'inhiber le calcul pour une bande préétablie autour de zéro. On y parvient en réglant convenablement les potentiomètres 70 20517 8 2045857 situés à l'entrée des unités de comparaison. Le comparateur 36 ouvre la porte 31 quand la forme d'onde d'entrée à modulation d'amplitude se situe au-dessus du potentiel de bande préétablie d'inhibition. De façon similaire, le comparateur 37 ouvre la 5 porte 33 quand la forme d'onde d'entrée à modulation d'amplitude se situe en-dessous du potentiel de bande préétablie d'inhibition. Ainsi, la polarité de la forme d'onde est détectée par les comparateurs 36 et 37 et en conséquence, les portions positives de la forme d'onde passent par la porte 31 comme l'illustre la figure 4 10 (e) tandis que les portions négatives de la forme d'onde passent par l'inverseur 32 et la porte 33. L'inverseur 32 change toutes les portions négatives de la forme d'onde à modulation d'amplitude en une forme d'onde positive comme le montre la figure 4(f) de manière à remplir la condition des unités diviseuses usuelles qui 15 n'acceptent pas d'entrées à dénominateur négatif. La sortie du diviseur analogique 41 est amenée à une unité de rétablissement 42 qui, grâce à l'inverseur 45 et à la commande de la porte 46 par la sortie de comparateur 47, rétablit la caractéristique négative de l'information négative à modulation d'ampli-20 tude, après la division dans le diviseur 41• De façon similaire, la commande de la porte 43 par la sortie de comparateur 44 rétablit 1'information positive à modulation d'amplitude, après la division dans le diviseur 41, ce qui donne une sortie typique.telle que la forme d' onde représentée par 3aîte4(g). Le filtre passe-bas nivelle 25 les courtes interruptions de la forme d'onde de sortie de la figure 4(g), causées par l'unité d'inhibition de passage par zéro, 29, de manière à donner à la sortie 49 une forme d'onde comme celle de la figure 4(h)„ On peut voir que la sortie 49 donne la vitesse en fonction 30 du temps et conserve une information directionnelle sur la surface à mesurer. Comme on l'a indiqué, une vitesse constante d'une durée déterminée est représentée par une fonction de tension continue qui a une hauteur constante d'amplitude durant un temps égal à la durée de la vitesse. Le sens de la vitesse est indiqué par la polarité 35 de la fonction respective de tension. L'intégrateur 51 permet l'intégration du signal de sortie v(t) à la borne 49 de manière à donner à la sortie 52 une tension 70 20517 9 2045857 en fonction du temps, x(t), qui est une représentation exacte du déplacement, en fonction du temps, de la surface à observer. Il est entendu que l'invention peut servir aussi avec des formes d'énergie autres que les ultrasons, et à la mesure de 5 surfaces en mouvement autres que celles d'organismes vivants. D'autre part, on peut apporter de nombreuses modifications au circuit sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, on peut effectuer une modification en remplaçant les deux cristaux 13 et 23 par un seul cristal pour les deux fonctions. On peut aussi 10 établir des expressions de x(t) et v(t) uniquement sur la base de eiM( t) ' e"k on peut obtenir la dérivation de 1' information à modulation d'amplitude par des diseriminateurs en déphasant de If/2 la référence de porteuse et en intégrant l'information de modulation de fréquence obtenue. 70 20517 10 2045857 Revendications 1. Procédé de traitement d'un signal Doppler résultant d'un décalage de fréquence d'un signal porteur par réflexion sur une surface en mouvement, caractérisé en ce que l'on détecte l'in- 5 formation de modulation de fréquence et l'information de modulation d'amplitude contenues dans le signal Doppler et que l'on effectue une division analogique de l'information de modulation de fréquence détectée par l'information de modulationd 'amplitude détectée, pour obtenir un signal de sortie représentatif 10 de la vitesse de la surface. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on intègre la sortie de l'étape de division analogique pour obtenir un signal de sortie représentatif du déplacement de la surface. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la dé-15 tection de l'information de moctolation d'amplitude consiste à démoduler en amplitude le signal Doppler par le signal porteur et que la détection de l'information de modulation de fréquence consiste à démoduler en amplitude le signal Doppler par le signal porteur déphasé pour obtenir tin signal à modulation d'am-20. plitude, puis à différencier celui-ci. 4. Appareil servant à traiter un signal Çoppler résultant d'un décalage de fréquence d'un signal porteur par réflexion sur une surface en mouvement, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour engendrer et émettre le signal porteur, des moyens 25 pour détecter l'information de modulation de fréquence et de modulation d'amplitude contenues dans le signal Doppler et des moyens couplés aux moyens de détection afin d'effectuer une division analogique de l'information à modulation de fréquence par l'information à modulation d'amplitude pour donner un signal de 30 sortie représentatif de la vitesse de la surface. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour intégrer le signal de vitesse de sortie afin, de donner un signal de sortie représentatif du déplacement de la surface. 35 6. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de détection comprennent des moyens pour recevoir le si 70 20517 n 2045857 gnal Doppler, un premier dispositif de démodulation couplé aux moyens de réception et aux moyens générateurs de manière à démoduler en amplitude les signaux Doppler pour donner une sortie d'information à modulation d'amplitude, des moyens de dé-5 phasage reliés aux moyens générateurs, un deuxième dispositif de démodulation couplé aux moyens de réception et aux moyens de déphasage de manière à démoduler en amplitude les signaux Doppler et des moyens de différentiation reliés au deuxième dispositif de démodulation de manière à donner une sortie d'in-10 formation à modulation de fréquence. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de détection comprennent en outre des moyens d'inhibition couplés au premier dispositif de démodulation de manière à exclure de la sortie d'information à modulation d'amplitude les 15 données de passage par zéro afin d'éviter la division par zéro. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'établissement de ligne de base de zéro reliés au premier dispositif de démodulation et aux moyens d'inhibition . 20 9. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens d'inhibition comprennent une porte analogique branchée entre le premier dispositif de démodulation et les moyens de division analogique et un comparateur branché entre le premier dispositif de démodulation et la porte analogique de manière à 25 modifier les indications primitives de polarité de la sortie d'infoimation à modulation d'amplitude en vue de l'uniformité d'application aux moyens de division analogique. 10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de rétablissement reliés à la sortie des 30 moyens de division analogique et au comparateur de manière à rétablir les indications primitives de polarité. 11.Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend un filtre couplé aux moyens de rétablissement de manière niveler les interruptions causées par les moyens d'inhibition. 35 12.Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'intégration couplés au filtre de manière 70 20517 12 2045857 à donner un signal de sortie représentatif du déplacement de la surface. 13-Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens d'émission comprennent des moyens permettant d'engen-5 drer le signal porteur sous la forme d'énergie ultrasonique.