Brevet FR2061627A1 — publié le 19710625

t 2061627 L'invention concerne un système émetteur-récepteur servant à traiter des signaux Doppler. Dans le contrôle de surfaces qui se déplacent par rapport à une surface de référence, diverses techniques de détec-5 tion utilisant de hautes fréquences hertziennes (radar), des ultra-sons ou d'autres formes d'énergie sont tien connues# L'une de ces techniques qui est communément employée est la technique Doppler à onde entretenue fui um é?almtiya produit de modulation de l'énergie émise s'éfléehic-c QasM mi désire 10 une mesure précise 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 comptant les cycles ou les passages par zéro par unité de temps de la fréquence différentielle» 15 On utilise pour détecter les signaux décalés par effet Doppler des systèmes de démodulation d'amplitude qui comprennent des transducteurs séparés pour les fonctions d'émission et de réception. Un isolement est prévu entre les transducteurs pour assurer une faible fuite de porteuse non modulée vers le trans-20 ducteur de réception. Etant donné cette nécessité d'un isolement la construction du transducteur est plus difficile et on ne peut pas utiliser des éléments communs d'émission et de réception. Si l'on utilisait dans la technique antérieure un cristal commun d'émission et de réception, un faible pourcentage de modulation 25 de signal donnerait un rapport signal : bruit très médiocre étant donné la quantité relativement grande de bruit à modulation d'amplitude que comporte la forme d'onde émise. L'invention a pour but de fournir un système émetteur-récepteur destiné à détecter la fréquence décalée par effet 30 Doppler réfléchie par une surface en mouvement atteinte par des ondes entretenues ultrasonores ou électromagnétiques, le système utilisant une détection à modulation d'amplitude et des éléments transducteurs communs pour l'émission et la réception. Selon l'invention, on y parvient grâce à un système émetteur-récepteur 35 qui comprend des transducteurs communs servant à diriger de l'énergie vers une surface en mouvement et à recevoir l'énergie réfléchie par celle-ci, un émetteur servant à appliquer aux transducteurs un signal de radiofréquence élevée à onde carrée à amplitude 70 32453 2 2061627 limitée de manière à éliminer» 1® bruit à modulation d'amplitude de l'émetteur et un récepteur couplé aux transducteurs -d© manière à démoduler l'amplitude de signaux représentatifs de l'énergie réfléchie pour donner des sorties de fréquence Doppler-o Base un 5 mode d'exécution préférentiel de l'invention, 1'émetteur- comprend un générateur servant à engendrer une forme d.'onde sinusoïdale de radiofréquence élevée et un amplificateur conformât8ur relie au générateur de manier© à détecter les passages par zéro de 1!onde sinusoïdal© pour donner l'onde carrée de radiofréquence élevée et 10 il peut comprendre un amplificateur saturable de commutation relié à l'amplificateur conformateur de manière à limiter l'amplitude de l'onde carrée de radiofréquence élevée, et le récepteur comprend des moyens servant à former la dérivée des signaus démodulés en amplitude de manière à donner une sortie représentative de la 15 vitesse de la surface et des moyens de détection d'enveloppe couplés aux agencements de différenciation de manière à effectuer la démodulation d'amplitude. D'autres caractéristiques avantageuses de l'invention apparaîtront dans la description suivant© portant sur un mode 20 d'exécution représenté par les dessins annexés sur lesquels s - la figure 1 est un schéma d?un système émetteur-récepteur selon l'invention? - la figure 2 montre plus en détail une forme de circuit d'émission^ 25 - la figure 3 montre plus sa détail une forme de--circuit de réception °} - la figure 4 est une représentation graphique de l'atténuation en fonction de la fréquence dans le circuit récepteur représenté par la figure 3l 30 - la figure 5 montre une variante du détecteur de modu lation d'amplitude 46 du récepteur de la figure 1 % - • ~ la figure 6 montre une variante du système émetteur-récepteurs. " ■ ■ ' La figure 1 ' montre un générateur à- haute fréquence corn-35 prenant un oscillateur a cristal 11.qui a une fréquence de 2 MEfe par exemple et qui alimente un amplificateur conformateur-12 servant à détecter les passages par zéro de la forme d'onde sinusoïdale de sortie de l'oscillateur-11o Les sorties à onde carrée 70 32453 3 2061627 de l'amplificateur conformateur 12 sont reliées aux "bases des transistors 14 et 15 d'un amplificateur de commutation 13» Les émetteurs des transistors 14 et 15 sont reliés à la terre et leurs collecteurs sont reliés aux extrémités opposées d'une bobine 5 16 du transformateur 19 par l'intermédiaire de résistances respectives 17 et 18. le centre de la bobine 16 reçoit d'une source d'énergie appropriée un potentiel positif V si les transistors cc 14 et 15 sont NPN et un potentiel négatif si les transistors 14 et 15 sont PEP. 10 Une forme d'amplificateur conformateur 12 destiné à l'émetteur est représentée schématiquement sur la figure 2 en même temps que l'amplificateur de commutation 13 et le transformateur 19 et on y voit deux transistors 21 et 22. Le transistor 21 est couplé capacitivement à l'oscillateur 11. Les émetteurs 15 des transistors 21 et 22 sont couplés pour le courant alternatif par l'intermédiaire du condensateur 23 et en outre ils sont reliés, par l'intermédiaire de résistances respectives 24 et 25, à un potentiel fixe. Les collecteurs des transistors 21 et 22 sont reliés respectivement aux bases des transistors 15 et 14 et à la 20 terre par l'intermédiaire des résistances respectives 26 et 27. Les bases des transistors 21 et 22 sont reliées à la terre par l'intermédiaire des résistances respectives 28 et 29 pour un potentiel alternatif de référence, par l'intermédiaire du condensateur 31• Pour un oscillateur à cristal de 2 MHz, on donne ci-après 25 des valeurs choisies pour les composants E et C de l'amplificateur conformateur et de l'amplificateur de commutation î R24, R25 3,3 kjv R26, R27 1 kJL R17, R18 150 -CL 30 R28, R29 5,6 kJL R32 3,3 kJL C23 18 nF 031 100 nP impédance de transducteur 100 JL 35 Dans le fonctionnement du circuit d'émission, l'amplificateur conformateur 12 agit comme un limiteur sans saturation qui permet une meilleure précision dans la détection des passages par zéro et qui, alternativement, amène à la saturation et bloque les 70 32453 4 2061627 transistors 14 et 15» fournissant ainsi une énergie appropriée au transformateur 19 avec le minimum de bruit de modulation d'amplitude par le fait que la modulation d'amplitude est efficacement limitée« Par exemple, les transistors 22 et 21 sont initialement 5 polarisés dans le sens direct et conduisent des courants également fixes» Lorsque l'oscillation ascendante positive de la sortie sinusoïdale de l'oscillateur à cristal 11 passe par zéro, le potentiel à la base du transistor 21 devient plus positif ce qui fait que le courant de collecteur du transistor 21 tombe à zéro et que 10 le transistor 15 est ainsi bloqué. Le courant venant des résistances en parallèle 24 et 25 passe alors par le transistor 22 et la résistance 27 de sorte qu'un courant est fourni à la base du transistor 14 et que le transistor 14 limite la modulation d'amplitude et donne un signal amplifié d'émission de puissance suf-15 fisante dans la moitié supérieure de la bobine 16 du transformateur 19» De façon similaire, lorsque l'oscillation de sens négatif de la sortie sinusoïdale de l'oscillateur à cristal 11 passe par zéro, le transistor de limitation sans saturation 21 est rendu conducteur et le transistor 22 est bloqué ce qui fait que le transistor 20 d'amplification de puissance 15 est rendu conducteur et rapidement saturé, fournissant un signal dans la moitié inférieure de la bobine 16. On considérera à nouveau la figure 1 j au transformateur 19 est aussi couplée une bobine 41 qui est dans un rapport de 25 spires de 2:1 avec chaque moitié de la bobine 16. A la bobine 41 est relié en parallèle l'élément transducteur 42 conçu pour engendrer une configuration d'onde ultrasonique dirigée à travers un milieu à une fréquence déterminée par l'oscillateur à cristal 11. L'élément transducteur sert à émettre et à recevoir simulta-30 nément. En outre, il faut noter que la valeur de la résistance de sortie 17 ou 18 de l'émetteur, reliée à la bobine 16, doit être grande en comparaison de la résistance équivalente de transducteur indiquée en 44 de sorte que l'excès d'énergie reçue d'une surface en mouvement 43 dans un milieu, au transducteur 42, n'est pas 35 dérivé vers la terre. Dans le cas présent, quand la bobine 41 est dans un rapport de spires de 2:1 avec chaque moitié de la bobine 16, l'impédance de sortie de l'émetteur, telle qu'elle est vue aux bornes de sortie de la bobine, est égale au carré du rapport 70 32453 ■5 2061627 de spires multiplié par la résistance 17 ou 18, soit 4 x 150JL = 600 ju • A l'extrémité de réception de l'émetteur-récepteur se trouve une bobine 45 dont le rapport de spires avec la bobine 41 5 est suffisant pour harmoniser convenablement l'impédance de transducteur 44 avec l'impédance équivalente de récepteur 50. La bobine 41 est reliée à un détecteur à modulation d'amplitude 46 tel qu'un détecteur d'enveloppe^ un déteetaur û® produit utilisant une référence décalée de % /2 radians ou ua autss déteoissur 10 approprié. On décrira ci-après à propos de la figure 5 un détecteur à modulation d'amplitude spécialement mis au point qui complète l'invention en réduisant encore le bruit à modulation d'amplitude causé par les erreurs de passage par zéro introduites par l'amplificateur conformateur 12. Si on le désire, le câble de trans-15 ducteur à la bobine 41 peut être relié directement à l'entrée du récepteur, en parallèle à la bobine 41, ce qui élimine la nécessité de la bobine 45. Mais un avantage d'utiliser une bobine séparée 45 réside dans le plus grand isolement du transducteur, pour la sécurité du patient, lorsque l'émetteur-récepteur doit servir à 20 appliquer des ultrasons à un sujet humain. Un autre avantage est le plus grand facteur de différence vis-à-vis des signaux d'interférence. Un différentiateur 47 est couplé entre le détecteur à modulation d'amplitude 46 et un amplificateur de sortie 48 muni d'une borne de sortie 49» 25 La figure 3 illustre une forme que peut prendre le câbla ge de récepteur pour évaluer une surface en mouvement 43 lorsque le taux de modulation d'une porteuse de 2 MHz (fréquence Doppler) se situe dans une gamme de fréquences intéressantes d'environ 25 à 600 Hz. Sur la figure 3, le détecteur à modulation d'amplitude 30 46 comprend la diode 51, la résistance 52 et le condensateur 53* Le signal d'entrée est redressée par la diode 5"l et le condensateur 53 se charge jusqu'à la chute de tension aux bornes de la résistance 54 puis se décharge quand la diode 51 ne conduit pas pour donner une tension de sortie qui est essentiellement l'enveloppe de 35 la porteuse. Le réseau différentiateur 47 est formé du condensateur 54 et de la résistance 55 de sorte que la sortie est obtenue aux bornes de la résistance 55 et appliquée aux amplificateurs 56, 57 70 32453 6 2061627 reliés en cascade, de façon que les résistances 58s 59 et les condensateurs 61,62, avec l'impédance du différentiateur, soient définis par des valeurs préférentielles comme celles qui sont spécifiées ci-dessous, afin de donner la courbe d'atténuation 5 en fonction de la fréquence qui est représentée sur la figure 4. R 55 221 k A. G 54 0,82 ni* R 58 1 kIL C 61 2,2 nF R 59 100 Js.Su G 62 3,3 nF Ga autre mode d'exécution du détecteur à modulation 10 d'amplitude 46 qui accroît encore la limitation du bruit à modulation d'amplitude est représenté par la figure 5« Gomme on l'a indiqué plus haute, on fait fonctionner l'émetteur dans un mode de commutation de manière à réduire au minimum le bruit à modulation d'amplitude qui apparaît à l'émetteur mais cependant, le 15 bruit qui se produit dans la détection du passage par séro peut aussi causer un bruit.perçu au détecteur à modulation d'amplitude qui a pour résultat une forme d'onde asymétrique causé© par une variation de la référence de courant continu de la forme d'onde lorsqu'elle ©st couplée pour le courant alternatif par l'intermé-20 diaire d'un transformateur ou d'un condensateur. L'enveloppe résultante apparaît sous forme de modulation d'amplitude à un détecteur usuel à modulation d'amplitude mais cette "modulation" diffère d'une modulation d'amplitude véritable car les enveloppes positive et négative sont toutes deux en phase® Le détecteur décrit ci-après 25 ne tient pas compte de l'enveloppe produite par asymétrie. En ce qui concerne le détecteur représenté par la figure 5, on a indiqué deux diodes de polarité opposée 71,72 dont les sorties sont reliées à la terre par l'intermédiaire d'impédances respectives 73 et 74e La sortie de la diode 71 est aussi reliée 30 par l'intermédiaire de la résistance 75 à un amplificateur somma-teur 76 et la sortie d© la diode 72 est en outre reliée par l'intermédiaire de l'inverseur 77 et de là résistance 78 à l'amplificateur soamateur 76» En service, la portion positive du signal asymétrique est transmise par la diode 71, la portion négative 35 est transmise par la diode 72 et inversée de sorte que le signal est annulé par l'amplificateur sommateur 76. Si on le désire, on peut remplacer les résistances 75, 78? l'inverseur 77 et l'amplificateur sommateur 76 par un amplificateur différentiel à gain fixe. 70 32453 7 2061627 En service, on place le transducteur 42 dans ou auprès d'un milieu qui contient une surface en mouvement 43 dont il s'agit de détecter la vitesse. Si le milieu est un sujet humain, la surface 43 peut être par exemple une paroi artérielle, une partie 5 d'un coeur, un foetus etc. et la forme d'énergie émise par le transducteur 42 est l'énergie ultrasonique. Le signal de radiofréquence de 2 MHz engendré par l'oscillateur à cristal 11 est rendu carré par la détection du passage par zéro dans l'amplifioateur conformateur 12, puis limité et amplifié par l'amplificateur de 10 commutation 13 de manière à émettre, par l'intermédiaire d'un transformateur élévateur 19, une puissance suffisante pour amener le transducteur 42 à engendrer une onde ultrasonique de 2 MHz dirigée vers la surface 43'• L'énergie ultrasonique réfléchie par la surface en mouvement 43 est alors reçue par le même trans-15 ducteur 42 et amenée au câblage de récepteur par l'intermédiaire du transformateur 19» Etant donné que l'impédance effective de sortie de l'émetteur est élevée en comparaison de l'impédance du transducteur, une faible part du signal se perd par l'effet de dérivation de l'impédance d'émetteur. 20 Dans le câblage de récepteur, le signal reçu est démodulé en amplitude et la dérivée de son enveloppe est formée de manière à donner, en fait, le signal décalé par effet Doppler et représentatif de la vitesse de la surface 43, car on peut démontrer que si le signal décalé par effet Doppler qui est reçu a toujours une 25 grandeur très inférieure à celle de la porteuse non modulée présente pendant la démodulation (par exemple le rapport est 50:1), la modulation d'amplitude qui en résulte pour le signal complexe reçu est étroitement liée à l'intégrale de la modulation de fréquence. 30 La figure 6 montre une variante de l'invention dans la quelle l'amplificateur de commutation et le transformateur sont remplacés par un transistor d'amplification à commutation 81. En service, pendant la moitié négative de l'onde carrée à radiofréquence élevée appliquée à la base du transistor 81, le transistor 35 NPN est bloqué et un courant est fourni par une source de +40V au transducteur 42 par l'intermédiaire de la résistance 82 (600.il. ) de manière à engendrer une tension d'excitation aux bornes du transducteur 42 avec une fréquence de 2MHz. Pendant la moitié 70 32453 8 2061627 positive de l'oscillation à onde carrée, le transistor 81 est rendu conducteur, la source de +40 V est reliée à la terre et le transducteur se décharge à la terre. Un avantage de ce mode d'exécution est d'éliminer les erreurs de courant continu dans la détection 5 du passage par séro, à l'amplificateur conformateur, à cause de la référence de terre (pas de couplage pour le courant alternatif). Quand on applique des ultrasons à un sujet humain, un inconvénient de la variante est que le patient n'est pas isolé de l'émetteur et/ou du récepteur comme ce serait le cas autrement au moyen d'un 10 transformateur. 70 32453 9 2061627 REVENDICATIONS 1• Système émetteur-récepteur servant à traiter un signal Doppler et caractérisé en ce qu'il comprend des transducteurs communs servant à diriger de l'énergie vers une surface en mouvement 5 et à recevoir l'énergie réfléchie par celles-ci, un émetteur servant à appliquer aux transducteurs un signal de radiofréquence élevée à onde carrée à amplitude limitée de manière à éliminer le bruit à modulation d'amplitude de l'émettr-ïsr ©t aa réfc&p-ëom- ©ottplé aras transducteurs de manière à démodiiJLè.r l'aiaplitûï® de sigasus. repré 2» Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens permettant d'assurer une forte impédance de sortie d'émetteur en comparaison de l'impédance aux transducteurs 15 en permettant un transfert maximal d'énergie réfléchie des transducteurs au récepteur. 3» Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'émetteur comprend un générateur servant à engendrer une forme d'onde sinusoïdale de radiofréquence élevée et un amplifica-20 teur conformateur faisant suite au générateur et servant à détecter les passages par zéro de l'onde sinusoïdale pour donner l'onde carrée de radiofréquence élevée. 4» Appareil selon la revendication 3» caractérisé en ce que l'émetteur comprend un amplificateur saturable de commutation 25 faisant suite à l'amplificateur conformateur et servant à limiter l'amplitude de l'onde carrée à radiofréquence élevée. 5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le récepteur comprend des moyens permettant de former la dérivée des signaux à amplitude démodulée de manière à donner une sor- 30 tie représentative de la vitesse de la surface. 6. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un transformateur servant à coupler l'émetteur aux transducteurs. 7. Appareil selon la revendication 5» caractérisé en ce 35 que le récepteur comprend un détecteur d'enveloppe couplé aux moyens de différentiation de manière à effectuer la démodulation d'amplitude» 8. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce 70 32453 2061627 que le récepteur comprend un détecteur à deux canaux couplé aux transducteurs, présentant des diodes de polarité opposée clans des parcours parallèles et couplé à des moyens de différenciation de manière à éliminer le bruit à modulation d'amplitude causé par 5 des formes d'onde asymétriques à l'émetteur. 9. Procédé de traitement d'un signal Doppler résultant d'un décalage de fréquence d'un signal porteur par rlflaxion sur cas surfae© en mouvement* caractérisé en ce que l-@a applique à un tranadueteux» commun, d8 émission et de réflexion un signal de 10 radiofréquence élevée â onde carrée à amplitude limité© qui réduit au minimum le bruit d'émission â modulation d'amplitude, que l'on démodule l'amplitude de l'énergie réfléchie reçue par le transducteur commun de manière à obtenir une sortie de fréquence Doppler et que l'on présente à la sortie de l'étage d'excitation une im- 15 pédance de sortie élevée en comparaison de l'impédance de transducteur de manière â rendre masimal le signal d'énergie réfléchie transféré du transducteur afin d'être démodulé en amplitude® 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'on forme la dérivée du signal modulé en amplitude afin 20 d'obtenir une sortie représentative de la vitesse de la surface#