Brevet FR2106594A1 — publié le 19720505

La présente invention concerne tin système de radar doppler pour détecter des cibles présentes à une faible distance. l'utilisation des diodes Gunn comme source d'émission dans des systèmes de radar doppler est une texjhnique relativement nouvëLl^ 5 mais néanmoins-bien connue. Dans les systèmes de radar employant des diodes G-unn, la diode est placée dans l'antenne où elle sert à la fois d'oscillateur d'émission et de convertisseur de fréquence, lequel développe la sortie à fréquence intermédiaire ou à fréquence doppler. Par conséquent, lorsqu'elle est utilisée à de tels usages, 10 la diode sert également de convertisseur de fréquence dans lequel le signal d'oscillateur relativement grand est combiné à un signal entrant, et une composante de fréquence différentielle, normalement appelée la fréquence doppler, est engendrée. Le signal entrant est un signal réfléchi qui est provoqué par la réflexion du signal émis 15 à partir d'une cible ayant une vitesse relative .par rapport au système de radar. Bien que les systèmes de radar doppler comportant des diodes Gunn aient certaines applications comme systèmes de radar à courte distance, ils souffrent de la limitation inhérente constituée par le 20 fait qu'ils ont une sensibilité de détection des cibles assez faible. Les tentatives faites pour augmenter la sensibilité des systèmes de radar sont généralement orientées vers l'augmentation de la puissance émise depuis l'antenne. C'est là une approche logique, parce que, par intuition, il semble que si la puissance rayonnée est portée à un 25 maximum, le signal réfléchi sera également porté à un maximum et la sensibilité sera portée à un maximum de manière correspondante. Le système de radar doppler selon l'invention est du type qui comporte une diode G-unn décrite ci-dessus. Cependant, le système de radar doppler selon l'invention a une plus grande sensibilité de 30 détection des cibles mobiles que n'importe lequel de ceux précédemment connus. L'augmentation de la sensibilité de détection des cibles est obtenue par l'utilisation d'une discontinuité pour les microondes qui rend optimum le signal à fréquence doppler, sans qu'une tentative soit faite pour porter à un maximum la puissance rayonnée. 35 II a été constaté que la sensibilité de détection optimum d'un système de radar doppler à diode Gunn correspond généralement au fonctionnement le plus efficace de la diode Gunn comme oscillateur. Cependant, ceci n'a pas nécessairement pour résultat le rayonnement d'une puissance maximum par le système de radar. Des essais ont 40 montré qu'une amélioration d'au moins 5 dB de la sensibilité de dé 71 24126 2 2106594 tection des cibles peut être obtenue par l'inclusion d'un dispositif d'accord à fréquence doppler dans le circuit de micro-ondes du radar. Ce dispositif se compose d'une discontinuité pour les micro-ondes qui est placé entre la cavité de la diode G-unn et l'antenne émettrice-5 réceptrice, la discontinuité peut être constituée par une paire de vis en métal dont l'espacement est égal à un quart de la longueur d'onde de la fréquence émettrice. Comme alternative, une unique vis peut être utilisée comme élément d'accord, et son emplacement exact entre la cavité et l'antenne n'est pas critique, à condition qu'elle 10 ne soit pas placée à une distance de la cavité égale à une demi-longueur d'onde ou à un multiple entier d'une demi-longueur d'onde. la présente invention est différente des systèmes précédemment connus principalement par la manière dont 2a sensibilité de détection des cibles est portée à un maximum. Précédemment, on esti-15 mait couramment que la meilleure manière de porter à un maximum la. sensibilité du système de radar consistait à porter la puissance de sortie au maximum. Du fait que la puissance de sortie est portée au maximum, on estime que la puissance réfléchie est également portée à un maximum et que ceci aurait, par conséquent, naturellement pour 20 résultat un signal doppler maximum, et, de ce fait, une sensibilité maximum de détection des cibles. C'est pourquoi, dans les systèmes antérieurs, des dispositifs d'accord sont ordinairement utilisés pour accorder le mécanisme oscillant de manière telle que la puissance rayonnée soit portée à un maximum, l'accord est réalisé en 25 utilisant un élément d'accord pour les micro-ondes qui adapte l'impédance de l'oscillateur à l'impédance de l'antenne. la présente invention diffère de cette conception par le fait qu'une discontinuité pour les micro-ondes est réglée jusqu'à ce que la puissance à fréquence doppler soit portée à un maximum. Ceci 30 a invariablement pour résultat un fonctionnement.à un niveau-de puissance rayonnée qui est inférieur à la puissance obtenue lorsque la puissance rayonnée est accordée pour être maximum,, et en conséquence, il en résulte également" une "diminution de ,1a.-puissance du signal réfléchi par la cible. Cependant, du fait ,,que la,.composante 35 de fréquence doppler est rendue optimum, la sensibilité/du.système est également rendue optimum, en dépit" du fait que,, la-.puissance :. rayonnée ail: été- quelque peu diminuée par la 'discontinuité^;p,qur les • micro-ondes, le dispositif' d'accord'a fréquence dop^er^t-^églé' de v.j. .mahièré-qu'ime--sensibilité accrue du système soit .oj3t,§nue, ppur .'Imputes 40 les aonaaiorfs. différentes rdë "charge, la condition de charge peut 71 24126 3 2106594 varier entre un taux d'ondes stationnaires de 1 à oo . Des essais expérimentaux montrent que porter au maximum la puissance de sortie doppler a pour résultat une augmentation de 5 à 10 dB de la sensibilité radar du système. lorsqu'on traduit ceci 5 en paramètres, du système, il devient évident qu'un système accordé conformément à la technique antérieure consistant à porter au maximum la puissance rayonnée, et qui a alors une portée maximum de 30 mètres par exemple, peut avoir sa portée augmentée à 45-60 mètres en accordant le système conformément à la conception de la présente 10 invention consistant à porter au maximum la composante de fréquence doppler par l'utilisation d'un dispositif d'accord pour les microondes. Sur les dessins : La figure 1 est une forme de réalisation préférée de 15 1'invent ion. La figure 2 est un graphique montrant la sensibilité à la fréquence doppler avec et sans dispositif d'accord, et la puissance rayonnée avec un dispositif d'accord. La figure 3 est un graphique montrant l'amélioration de la 20 sensibilité réalisée par le système selon l'invention. La figure 4 montre un circuit d'essai utilisé pour obtenir les données depuis lesquelles les courbes de la figure 3 sont tracées. Le système de radar doppler représenté à la figure 1 com-25 prend une diode G-unn 11 qui est placée dans une cavité résonnante 12. La diode Gunn 11 est supportée mécaniquement à l'intérieur de la cavité résonnante 12 au moyen d'un support de mise à la masse 13 qui sert également de dissipateur thermique pour empêcher un sur-échauffement de la diode 11. 30 La cavité 12 est couplée à une antenne émettrice-réceptrice 14 par l'intermédiaire d'un guide d'ondes 16. Deux vis mécaniques, 17 et 18, sont disposées à l'intérieur du guide d'ondes 16. Ces vis servent de discontinuité pour les micro-ondes, et, par conséquent, peuvent être utilisées pour accorder le système de radar doppler de 35 manière à porter au maximum la composante de fréquence doppler et, par la, a augmenter la sensibilité de détection des cibles du système. En conséquence, les deux vis 17 et 18 sont séparées par une distance qui est égale à un quart de la longueur d'onde de la fréquence émise. Il faut noter que l'emplacement exact de la paire de vis entre la 40 cavité résonnante 12 et l'antenne 14 est sans importance. 71 24126 4 2106594 Il faut également noter qu'une unique vis peut être utilisée comme discontinuité pour les micro-ondes, et peut" servir de manière adéquate comme dispositif d'accord pour augmenter la sensibilité de détection des cibles du système. Dans les cas pour lesquels une 5 unique vis est utilisée, l'emplacement exact de la vis entre la cavité résonnante 12 et l'antenne 14 n'est pas critique, comme ex- . pliqué précédemment. Une batterie de polarisation connectée en série, 19, et une résistance de charge 21, sont connectées à la diode Gunn 11. 10 les valeurs de la batterie 19 et de la résistance de charge 21 sont choisies de manière à faire entrer la diode Gunn 11 en oscillation continue à une fréquence pré-sélectionnée. On peut faire varier la fréquence d'oscillation dans des limites raisonnables en faisant varier la tension appliquée à la diode. Il est évident que ceci l5 peut être réalisé en utilisant une résistance variable à la place de la résistance de charge 21 ou en prévoyant un mécanisme pour faire varier la tension de sortie de la source de polarisation 19. la chute de tension de la composante à courant alternatif aux bornes de la diode Gunn 12 est appliquée à l'entrée d'un ampli-20 ficateur 22. Un condensateur 27 empêche la composante à courant continu d'apparaître à la borne d'entrée de l'amplificateur 22. Après amplification, un filtre 23, un limiteur 24, et un compteur de fréquence 25 agissent sur le signal doppler. Ces circuits fonctionnent d'une manière connue pour traiter la fréquence 25 doppler développée dans la diode Gunn 11 de manière que la sortie du compteur de fréquence 25 indique la distance jusqu'à une cible détectée. la sortie du compteur de fréquence 25 devient' alors l'entrée d'un indicateur de vitesse 26 qui est utilisé pour fournir une indication de la vitesse de la cible par une indication visuelle 30 ou audible, ou de n'importe quelle manière désirée. le filtre 23 est utilisé pour filtrer la sortie de l'amplificateur" 22 afin d'éliminer des signaux étrangers et de limiter les fréquences injectées dans le compteur de fréquence à celles désirées, en d'autres termes, à la fréquence doppler. le limiteur 24 peut être 35 utilisé pour limiter l'amplitude du signal injecté dans le compteur de fréquence 25, et, par conséquent, pour écrêter la sortie du filtre 23 de manière qu'une onde essentiellement carrée soit introduite dans le compteur de fréquence 25. le compteur de fréquence 25 fonctionne d'une manière connue pour compter les impulsions qui lui 40 sont appliquées par la sortie du limiteur 24 de manière que le nombre 71 24126 5 2106594 d'impulsions comptées indique la fréquence doppler. Cette dernière indique elle-même la vitesse de la cible détectée par rapport au système de radar. En conséquence, l'indicateur de vitesse 26 recevra la sortie du compteur de fréquence et donnera un signal visuel ou 5 audible qui indique la vitesse de la cible. L'application de la tension de polarisation 19 à la diode Gunn 11 fait passer cette dernière à l'état d'oscillation à une fréquence pré-sélectionnée. L'énergie d'oscillation à haute fréquence est couplée à l'antenne 14 par l'intermédiaire de la section 10 de guide d'ondes 16. L'antenne 14, qui peut être un cornet comme représenté sur la figure 1, est alors utilisée pour propager l'énergie émise à travers l'espace, où elle heurte une cible et est réfléchie et reçue par l'antenne 14. L'énergie reçue est alors transmise à la diode Gunn 11 par l'intermédiaire du guide d'ondes 16. La 15 diode Gunn 11 mélange le signal réfléchi reçu avec le signal émis, ce qui a pour résultat une sortie à fréquence de battement ou fréquence doppler. La sortie à fréquence de battement est ensuite injectée dans l'entrée de l'amplificateur 22 d'où elle est traitée de la manière décrite plus haut et fournit finalement une indication 20 de la vitesse de la cible détectée. Afin d'augmenter la sensibilité de détection des cibles du système, il est nécessaire d'augmenter le niveau de sortie de la fréquence convertie ; c'est-à-dire la fréquence doppler. Ceci peut être réalisé en introduisant une discontinuité pour les micro-ondes 25 dans le guide d'ondes 16 qui connecte électriquement la cavité résonnante 12 et l'antenne 14. Une discontinuité pour les micro-ondes simple et peu coûteuse qui peut être introduite dans le guide d'ondes 16, se compose d'une simple vis métallique qui est introduite dans le guide. La vis 30 est ensuite ajustée par vissage ou dévissage jusqu'à ce que le niveau de la sortie à fréquence doppler soit rendu optimum dans toutes les conditions de charge. Ceci peut être facilement réalisé en excitant le système entier et en réglant la vis pendant la réception du signal d'écho depuis 'une cible ayant un mouvement relatif. Le réglage se 35 poursuit jusqu'à ce que le niveau de sortie doppler soit rendu optimum. Cette opération peut provoquer une diminution de la puissance totale de sortie émise'par l'antenne 14. Cependant, ceci ne- constitue ■ pa~s uir inconvénient, parce qu'il y a néanmoins une puissance '-"rayonnée suffisante pour réaliser une déteçtion effic^e des cibles. 40 L'expédient simplè consistant à introduire discontinuité poup les 71 24126 6 2106594 micro-ondes dans le guide 16 est efficace pour augmenter de 5 à 10 dB la sensibilité'de détection des cibles du système de radar doppler. Un autre type efficace de discontinuité qui peut être 5 utilisé pour réaliser l'augmentation de la sensibilité de détection des cibles comprend l'introduction dans le guide d'ondes 16 de deux vis métalliques identiques qui sont espacées d'un intervalle d'un quart de longueur d'onde. Bien que cet intervalle d'un quart de longueur d'onde entre les vis soit important, l'emplacement exact 10 de la paire de vis à l'intérieur du guide d'ondes 16 est sans importance. Dans ce cas, les deux vis sont réglées pendant que la sortie à fréquence doppler est détectée et lue. Le réglage se poursuit jusqu'à ce que la sortie doppler soit rendue optimum, auquel moment les vis peuvent être définitivement maintenues dans leur 15 position finale. Le graphique de la figure 2 est utile pour comprendre la manière dont l'accord pendant l'observation de la sortie doppler, en opposition avec la sortie de puissance rayonnée, est efficace pour obtenir du système une sensibilité optimum. Sur cette figure, 2 0 la sensibilité relative du signal doppler est portée en ordonnée (à gauche) et la tension de polarisation appliquée à la diode G-unn est portée en abscisse. Les valeurs portées sur le graphique ont été lues lors de l'utilisation d'un oscillateur à diode Gunn à bande X. Sur le graphique, la sensibilité du signal doppler est 25 tracée en fonction de la tension de polarisation, avec et sans discontinuité pour les micro-ondes comme dispositif d'accord doppler. Le courbe 31 montre la sensibilité, du signal'doppler obtenue sans l'utilisation d'un dispositif d'accord. La courbe présente une légère augmentation de la sensibilité pour une tension 30 de polarisation d'environ 6 volts. A part cette légère augmentation, la sensibilité est relativement constante. La courbe 32 montre la sensibilité du signal doppler obtenue en utilisant un dispositif d'accord. Deux facteurs sont facilement évidents d'après la courbe 32. Premièrement, une'compa-35 raison point pour point de la courbe 31 et de la co-urb'e '52 Montre que l'utilisation d'un dispositif d'a'ûcord a pour -résultat une augmentation substantielle de. la. sensibilité quellë que :soit""ia: tension de polarisation appliquée à. la:,.dio;der Gunn. .•Detœièm'emé!ht>:--'la tîOurbe 32 présente, uae crête aiguë pour.june..tension-de-pôlàrisàtiôrrd'en-40' viron 7 volts. En ce point, la sensibilité relâtiVe: dû-Signai 71 24126 7 2106 S0 4 doppler est maximum, et par conséquent, est définie comme étant de 100$ sur le graphique. Ceci est très important, parce que la sensibilité la plus élevée enregistrée sans l'utilisation d'un dispositif d'accord n'atteint pas 20$ du maximum. 5 La cûurbe 33 montre la puissance de sortie rayonnée (portée en ordonnée à droite) tracée en fonction de la tension de polarisation avec un dispositif d'accord introduit dans le guide d'ondes 16. Lorsqu'on examine ensemble les courbes 31» 32 et 33s la nouveauté de l'invention est facilement apparente. Si l'enseignement de la 10 technique antérieure avait été suivi, le système de radar serait accordé sur une puissance rayonnée maximum. En conséquence, une polarisation de 9 ou 10 volts serait utilisée, et le dispositif d'accord serait réglé pour obtenir environ 65 milliwatts de puissance rayonnée. La courbe 32 montre que ce n'est pas là le réglage 15 nécessaire pour une sensibilité maximum de détection des cibles. Ceci parce que la puissance à fréquence doppler, aux réglages indiqués comme optimums par la courbe 33j n'atteint pas 70$ de celle qui peut être obtenue en accordant sur la puissance doppler maximum. En conséquence, le système de radar doit utiliser une polarisation 20 de 7 volts et le réglage du dispositif d'accord doit être différent du réglage pour une puissance rayonnée maximum. La puissance rayon-née au réglage correct est d'environ 40 milliwatts, ce qui est une diminution substantielle d'environ 25 milliwatts par rapport à la valeur dictée comme étant idéale par la technique antérieure. 25 " L'augmentation importante de la sensibilité de détection des cibles obtenue en suivant le principe enseigné par la présente invention est illustrée par la figure 3 qui présente des courbes de puissance doppler relative, tracées en fonction de l'atténuation des signaux doppler obtenus avec et sans dispositif d'accord. Sur cette 30 figure, la tension du signal doppler relative en dB est portée en ordonnée tandis que l'atténuation en dB du signal réfléchi est portée en abscisse. La figure 4 est utile pour comprendre pleinement les courbes de la figure 3 et elle montre également comment les essais ont été 35 effectués. La diode Gunn 11 et plusieurs autres éléments sont identicjes à ceux de la figure 1 et, en conséquence, portent les mêmes numéros de référence. L'alimentation en tension 19 est variable, de sorte que la tension de polarisation appliquée à la diode 11 peut être 40 facilement réglée. 71 24.126 8 2106594 La sortie de la diode G-unn 11 est injectée dans un filtre passe-bas 37 et est ensuite acheminée dans l'atténuateur variable 38 pour rayonnement par l'antenne 14. Un simulateur rotatif doppler 39 réfléchit l'énergie vers l'antenne 14. 5 l'énergie réfléchie repasse à travers ^atténuateur 38 et le filtre 37 vers la diode Gunn 11 où sa fréquence est convertie. La sortie à fréquence doppler est ensuite appliquée à l'amplificateur 22 et mesurée avec un voltmètre à tension efficace 36. Les valeurs pour les courbes"de la figure 3 ont été obte-10 nues en réglant d'abord l'atténuateur 38 sur ^,éro, et la source de tension 19 à une tension de polarisation de 7,5 volts. En utilisant un dispositif d'accord pour porter au maximum la sortie doppler, une puissance émise de Pq a eu pour résultat une tension doppler mesurée maximum aux bornes de la diode Gunn, qui est indiquée comme 15 étant de zéro dB à la figure 3, et par conséquent, cette tension sert de référence. L'atténuateur 38 est ensuite réglé sur une atténuation de 5dB de sorte que le signal réfléchi est de 10 dB au-dessous de la puissance rayonnée initiale Pq. (voir la courbe 35). L'opération se poursuit par des réglages successifs de 20 5 dB chacun de l'atténuateur 38, jusqu'à ce qu'une atténuation totale de 50 dB soit obtenue. Pour cette atténuation de 50 dB, la tension doppler relative est d'environ -48 dB. Il faut noter que pour chacun des points portés sur le diagramme, le dispositif d'accord était réglé pour une sortie doppler maximum. Dans un sys-25 tème fabriqué en série, le dispositif d'accord serait réglé pour une certaine sortie doppler optimum, pour toutes les conditions de charge, et maintenu de manière permanente dans cette position. La courbe 34 de la figure 3 a été obtenue de la même manière que la courbe 35, sauf que le dispositif d'accord a été 30 ôté du système. Avec l'atténuateur 38 réglé sur zéro, la tension à fréquence doppler était de 10 dB inférieure à ce qu'elle était pour la même puissance rayonnée Pq avec un dispositif d'accord. De manière analogue, avec une puissance rayonnée de Pq - 10 dB, la tension doppler, sans dispositif d'accord, est inférieure d'environ 35 10 dB à celle avec un dispositif d'accord. En comparant les courbes 34 et 35, on voit que pour chaque réglage de l'atténuateur 38, une amélioration de la sensibilité d'environ 10 dB peut être obtenue en utilisant un dispositif d'accord. Il est également évident que la tension à fréquence doppler maximum a été obtenue avec un dispositif cfaccord 40 et avee un atténuateur 38 réglé sur une atténuation de zéro dB. 71 24126 9 2106594 Nous soulignons à nouveau que la technique antérieure d'accord comprend l'adaptation de l'impédance de l'oscillateur à celle de l'antenne. Ceci porte à un maximum la puissance rayonnée mais ne porte pas à un maximum la tension de sortie à fréquence 5 doppler comme on l'a toujours supposé jusqu'à maintenant. La technique selon la présente invention utilise une discontinuité pour les micro-ondes pour porter à un maximum la sortie doppler, parfois aux dépens de la puissance rayonnée. En conséquence, un défaut d'adaptation entre l'impédance de l'oscillateur et l'impédance de l'an-10 terme se produira normalement pour la puissance à fréquence doppler optimum. 71 24126 10 2106594 REVENDICATIONS 1. Procédé pour rendre maximal le niveau de puissance doppler d'un système de radar doppler caractérisé en ce qu'il comprend : la production d'un signal à.très haute fréquence et la ré-5 ception d'un signal réfléchi afin de produire un signal à la fréquence doppler ; la détection du signal à la fréquence doppler ; et l'accord du système de radar pour obtenir un niveau de puissance ma.Yimal pour le signal à la fréquence doppler indépendamment du niveau de puissance du signal à très haute fréquence. 10 2. Système de radar doppler possédant une sensibilité de détection"de cibles maximale comprenant un moyen pour engendrer un signal à très haute fréquence et pour produire un signal à la fré ' quence doppler lors de la réception d'un signal réfléchi par une cible, caractérisé en ee qu'il est prévu une discontinuité micro- 15 onde réglable qui est destinée à rendre maximal le niveau de puissance du signal à la fréquence doppler au détriment possible d'une diminution du niveau de puissance du signal à très haute fréquence. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de génération de signal à très haute fréquence comprend une 20 diode G-unn, cette dernière servant simultanément d'oscillateur et de mélangeur. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il est prévu une source de polarisation réglable destinée à encore augmenter le niveau de puissance du signal à la fréquence doppler, la 25 source de polarisation étant branchée aux bornes de la diode Gunn. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il est prévu une antenne pour transmettre le signal à très haute fréquence et recevoir le signal réfléchi, et un guide d'ondes reliant électriquement la diode Gunn et l'antenne, la discontinuité micro- 30 onde réglable étant agencée dans ce guide d'ondes. 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que la discontinuité micro-onde réglable comprend une vis agencée de manière à se prolonger dans le guide d'ondes, de sorte que cette vis provoque un défaut d'adaptation d'impédance qui diminue le niveau de 35 puissance du signal à très haute fréquence mais qui rend maximal le niveau de puissance- du signal à la fréquence doppler. 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il est prévu une seconde vis se prolongeant dans le guide d'ondes et espacée de la première vis d'un quart de la longueur d'onde du 40 signal à très haute fréquence, cette seconde vis permettant également 71 24126 H 2106594 de rendre maximal le niveau, de puissance du signal à la fréquence doppler.