Brevet FR2135065A1 — publié le 19721215

La présente invention concerne un dispositif de mesure de temps procédant selon la méthode du vernier. Bsinvention stappli- que notamment à la mesure précise du retard subi par un signal dans un milieu de propagation. Il est fréquemment nécessaire de mesurer avec précision le temps écoulé entre deux évenements indépendants. Dans le cas de signaux électrique, les méthodes usuelles de visualisation sur un tube à rayons cathodiques ou de fractionnement d'un intervalle en sous-intervalles quantifiés ont une précision limitée nécessitant le recours à des méthodes indirectes de mesure. Lorsque les événements sont périodiques et qu'une valeur moyenne peut entre évaluée, une technique de comptage et d'intégration dans un intervalle courant plusieurs périodes peut entre utilisée. Dans le cas d'événements apériodiques ou, lorsqu'une mesure rapide est exigée, cette technique ne convient plus. Une mesure précise peut alors être obtenue en utilisant la technique du vernier. La précision atteint aisément une fraction de microseconde. Le principe de la mesure au moyen d'un vernier est connu, en particulier, pour effectuer une mesure de longueur en métrologie avec une précision déterminée (pied à coulisse, palmer etc... > . Ce principe a également été transposé dans le domaine électrique pour mesurer un écart temporel. Dans ce concept, la partie fixe du vernier correspond à un signal de référence de période Ti et la partie mobile du vernier à un signal retardé de période T2. La relation entre T1 et T2 est donnée par (n-l) T1 = n T2 et la précision de la mesure est définie par 2 - T2 = Tljn. Pour un décalage TR entre ces signaux de la forme K T1 +J T1/n (0 n Dans diverses applications, le signal de mesure se trouve mélangé avec des signaux parasites, ou bruit, qui, malgré des techniques de traitement sévères, altèrent la sécurité de la mesure du décalage temporel. Des performances élevées, du point de vue résolution temporelle et rapport signal sur bruit, sont obtenues selon des techniques connues de traitement de signaux par corrélation utilisées notamment dans le domaine radar. L'invention a pour but d'utiliser à la fois ces avantages et la précision du vernier en effectuant une détection de coincidence de phase par corrélation. Les caractéristiques de la présente invention apparaitront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple non limitatif, à l'aide des figures annexées qui représentent : - la figure 1 : un schéma rappelant le principe du vernier - la figure 2 : la localisation et 1' étendue de la plage de coincidence d'un vernier - la figure 5 : la composition générale d'un décalage temporel en un retard gros et un retard fin, ce dernier étant mesuré selon la méthode du vernier - la figure 4 : les signaux d'un vernier conforme à l'inven- tion - la figure 5 : un exemple de réalisation d'un dispositif de mesure selon l'invention, à corrélation optique - la figure 6 : une variante de réalisation de la piste de référence et des circuits associés ; - la figure 7 : une variante de réalisation de la piste de référence dans le cas notamment de sélection Doppler - la figure 8 : une solution à corrélation électronique entre des signaux anslogiques - la figure 9 : une solution à corrélation électronique entre des signaux logiques. Le principe du vernier est rappelé ci-après à l'aide de la figure i. I1 est utilisé pour mesurer un décalage compris entre 0 et Ti avec une précision 21 entre un signal de référence de période T1 et un signal de période T2, les périodes vérifiant la relation (n-1) Ti = n T2. Aux raies très fines du vernier correspondoat des signaux électriques S1, S2 élaborés généralement sous forme d'impulsions très brèves de marnière à effectuer commodément la détection précise de la coincidence de phase, la durée d'impulsion étant choisie suffisamment faible comparativement à la résolution Tni du vernier.Le calage relatif des signaux SI et S2 est réalisé en coincidence de phase à l'instant to initial de référence de la mesure correspondant à un décalage temporel nul . Le décalage ou retard à mesurer est considéré entre l'instant initial to connu où se produit un premier événement et un instant ultérieur ti, inconnu à priori, où se produit un second événement. Le décalage t1-to peut notamment être causé par la traversée d'un milieu de propaga tison par un signal, par exemple, la durée aller et retour d'une onde radar réfléchie par un objectif.Des moyens annexes non décrits sont prévus pour produire les signaux 81 et S2 en coincidence de phase à l'instant to de référence et pour appliquer le signal S2 retardé au dispositif de mesure à l'instant t1.La coÏncidence de phase entre le signal de référence S1 et le signal S2 retardé est détecté dans un intervalle de temps compris entre O et nT2 selon la valeur du décalage fixe qui peut être situé entre O et X La durée des signaux S1 et 52 à partir de l'instant t1 doit en conséquence entre au moins égale à une séquence de mesure nT2 ; si cette durée couvre plusieurs séquences, la coincidence de phase se trouve répétée avec la même récurrence n?2. On remarque à l'aide de la figure 2, qué la plage de coincidence d'étendue T1/n peut être considérée répartie symétriquement de part et d'autre de l'impulsion de coïncidence S1 de rang j considérée. En effet, si le décalage de l'impulsion correspondante du signal S2 devient supérieur à # T1/2n la coïncidence se trouve décalée d'un rang et s'effectue sur l'impulsion S1 adjacente de rang (j + 1) ou (j - 1) selon le signe + ou - envisagé. Le décalage temporel RT entre l'instant initial to de référence et l'instant t1 de mesure peut être décomposé, comme représenté sur la figure 3, par un retard gros RG égal à une pluralité K de périodes 1 et par un retard fin RF compris entre O et 1. Le retard gros RG est mesuré directement par comptage des périodes entières T1 successives du signal de référence S1 comprises entre l'instant initial t0 et l'instant t1. La mesure du retard fin RF est faite par la méthode de indirecte du vernier. En désignant RF par J21, à + 21 près et J n n entier compris entre 0 et n, la coïncidence s'effectuer pour l'impulsion de rang J du signal S1 après instant to + RG ou, du signal S2 après l'instant t1. La mesure de J peut par suite être obtenue par comptage à la cadence T1 des impulsions S1 après l'instant to + RG ou par comptage des impulsions S2 après t1 à la cadence T2. Dans un dispositif de mesure conforme à l'invention, la détection de coincidence de phase du vernier est faite par correla tionq Dans ce but, les signaux S1 et S2 ne sont pas constitués d ' impulsions brèves mais par du signaux longs notamment vis à vis de la résolution,T 1/n du vernier, et permettant l'obtention d'une fonction de correlation pratiquement idéale, cette dernière étant définie par un pic d'autocorrélation étroit et de grande amplitude et par des pics,ou lobes,secondaires les plus atténués possibles. Une fonction de ce type est obtenu en utilisant, selon des techniques connues, des signaux spéciaux tels que, par exemple, des signaux traduisant un code binaire pseudo-aléatoire à 2ss-1 digits. On sait par ailleurs que l'amplitude du pic de corrélation est lié directement à la durée d'intégration qui est choisie généralement au moins égale à la durée de la fonction à corrêler. Les signaux Slet S2 sont en cors équence formé à partir d'une fonction de variation identique répétés respectivement à la cadence T1 pour S1 et à la cadence T2 pour S2. La périodicité la plus courte des signaux S1 et S2, soit T2,définit la durée maximale pouvant être envisagée pour la fonction à corréler, ainsi que pour l'intégration. La durée de la mesure fine à partir de l'instant tj dépend du décalage fin et a pour valeur maximale une séquence de mesure nT2, cette n valeur est liée directement à n et par suite à la précision envisagée. La figure 4 représente schématiquement une configuration des signaux S1 et S2. La fonction à corréler y est figuréa symboliquement par un rectangle,de durée correspondant à la valeur optimale T2. Une séquence nT2 du vernier comporte la fonction à corréler repérée n fois à la période T2 pour le signal S2 et n-1 fois à la période T1 pour le signal S1.L'intervalle de temps, T1 dans le cas envisagé, n qui sépare, la fin d'une fonction de rang j donné du signal S1, du début de la fonction du rang j + 1 suivant de ce signal, est utilisé pour effectuer la lecture du produit de corrélation d'ordre j intégré pendant la durée de la fonction de rang j du signal S1 précédent ledit intervalle, et pour effectuer, après lecture, l'efface- ment de ce produit avant le début d'intégration du cycle suivant d'ordre j + 1. il est entendu que la fonction à corréler peut - être de durée inférieure à T2 ce qui permet d'accroître le temps disponible périodiquement à la lecture et à l'effacement mais ce qui par contre, dLzinue la sensibilité du dispositif de mesure par suite de la réduction temporelle de la fonction à corréler et de la durée d t intégration, La cotncidence de phase étant réalisée entre les signaux S1 et S2 à l'instant initial to, la mesure du retard fin est décomptée à partir de l'instant t1 selon la méthode du vernier en détectant la coïncidence de phase par auto-corrélation entre le signal S2 dsorigine retardé de-t1-tO (ou le signal S2 appliqué à l'instant t1 avec une phase correspondant à celle du signal S1 à l'instant origine to) et le signal de référence S1. Suivant la remarque faite à l'aide de la figure 2, la colncidence de phase doit pouvoir être détectée dans une plage d'amplitude 1 . Ceci sous entend que la n fonction d'auto-corrélation présente un rapport pic sur lobes important de manière à déterminer aisément et avec sécurité la valeur de seuil de comparaison auquel est comparé chaque produit de corrélation intégré ; si la fonction à correler traduit un code binaire, la durée d'un digit du code doit être faible et notamment inférieure ou au plus égale à 1 . Si N représente le nombre de digits du code, n il en résulte N supérieur ou au moins égal à n-1 pour satisfaire à un pic de corrélation de largeur à 3 dB inférieure à la plage T de n résolution. La figure 5 représente un exemple de réalisation d'un dispositif de mesure conforme à l'invention dans lequel, la coincidence est détectée par corrélation optique en éclairage non cohérent. Le signal de référence 5i défini précédemment est traduit optiquement sous forme de transparences variables et constitue une piste de ré férence 10 sur un support plan il déplacé à vitesse constante. Un code digital binaire est traduit par des transparences O ou 1. Les parties 12 extérieures à la piste sont opaques. Le support 11-peut être réalisé sous forme d'un disque ou d'un tambour. Des moyens annixes non figurés procurent le déplacement uniforme.La longueur de la piste de référence est choisie égale ou multiple de (n-i) Lj, L1 étant la distance entre deux débuts de codes successifs et étant défini par L1 = V.Tt pour produire une durée de défilement égale à T1 Le dispositif corrélateur optique comporte un seul traneduc- teur électro-optique 14, tel une diode solide électro-luminescente alimentée à l'instant t1 par le signal S2 qui traduit le code retardé. Les variations d'amplitude du signal électrique S2 sont traduites sous forme de variations correspondantes de l'intensité du rayonnement émis par ltélement 14.Le rayonnement instantané éclaire uniformément une bande transversale délimitée 13, au moyen gééra~ lement drun système optique interposé entre 11 élément photo-émissif 14 et le support mobile. Le système optique peut, par exemple, comporter un objectif optique et un cache ou diaphragme, il n'est pas représenté par simplification. La bande 13 a une largeur, selon l'axe de défilement, inférieure ou au plus égale à celle L1/n de la plage de T1 coïncidence T1/n et, déterminée en fonction de la largeur présentée par le pic dlauto-corrélation. La hauteur de la bande 13 est choisie de façon à procurer en défilement un éclairement sur toute la hauteur transversale de la piste 10.Le rayonnement traversant la zone 13 est reçu sur la surface sensible d'un transducteur photo-électrique 15. Celui-ci peut consister en une diode solide photorêceptrice as sociée à un objectif optique de focalisation non représenté. Une autre solution consiste à utiliser un photomultiplicateur en regard de la surface 13 à l'arrière du support 11. La signal détecté est appliqué à un circuit intégrateur 16 suivi d'un circuit de commutation 17 et d'un circuit de comparaison à seuil 18, Les autres circuits représentés comprennent un circuit de remise en forme 19, un compteur gros 20, un compteur fin 21, un circuit de commande de commutation 22 et un circuit de commande d'effacement 23. Le fonctionnement est le suivant, une impulsion de synchronisation ST produite par des moyens annexes,déclenche à l'instant to le démarrage du compteur gros 20 recevant par ailleurs un signal d'horlo- ge de référence StE de période T1. Les signaux SX et S1H sont en phase à l'instant to. Â l'instant t1 = to + R T le signal de mesure S2 est appliqué à la diode photo-émissive 14 et, par ailleurs aux compteurs de manière à déclencher l'arrêt du compteur grQs 20 et le démarrage du compteur fin 21. Cette commande des compteurs s'effec- tue par l'intermédiaire d'un circuit de remise en forme digitale 19, si nécessaire. Le circuit 19 ne doit pas introduire de retard préjudiciable à la mesure, en particulier, le retard introduit doit Cistre inférieur à la résolution T1 . Le comptage fin est cadencé au ryth- n me de l'horloge S1Hqui est appliquée également aux circuits de commande 22 et 23. La sortie du circuit 22 commande le circuit de commutation et autorise le transfert d'intégration à la cadence après chaque passage de code de la piste 10. La sortie du circuit 23 commande ensuite l'effacement ou remise à zéro du circuit d' in- tégration 16 qui est prêt à enregistrer le produit de corrélation suivant.Lors de la ootncidence, le niveau d'auto-corrélation dépasse le niveau de seuil V5 et un signal est délivré en sortie du comparateur 18 déclenchant l'arrêt du compteur fin 21. Le nombre J affiché correspond au nombre entier de décalages T1 inclus dans le n retard fin RF, la durée de cette mesure ayant été de J périodes T1 est à dire n fois plus élevéei Le compteur gros affiche le nombre K de périodes entières T1 incluses dans le retard gros RG. Les résultats J et K sont transmis à des circuits annexes pour exploitation directe ou, différée par mise en mémoire. Ces circuits d'exploitation ne sont pas représentés. Des pistes auxiliaires, non figurées, peuvent être utilisées pour produire les signaux ST et S1H. L a piste ST peut consister, par exemple, en une raie fine calée de sorte que lorsque cette raie est positionnée suivant l'axe médian Z de la fenêtre d'éclairement 13, le début d'un code de la piste 10 se trouve placé à l'entrée de la fenêtre. Une troisième piste peut comporter le signal S2 sous forme de codes binaires successifs, en concordance de phase avec la piste S. Cette dernière piste peut ainsi fournir un signal de modulation d'une porteuse.haute-fréquence de propagation. Après traversée d'un milieu retardateur, le code retardé est récupéré par démodulation du signal haute fréquence et est appliqué au dispositif de mesure. La largeur de la bande 13 est en général déterminée au moins égale à la largeur d'un digit du code soit L2/N dont la durée de défilement est T2. Dans ces conditions un compromis satisfaisant N est obtenu entre la sensibilité du système et la sécurité de fonctionnement par détermination du seuil de comparaison VS . La durée d'intégration d'un code de durée T2 est égale à T2 + T2/N et le temps disponible pour la lecture et l'effacement précédant Me cycle d'intégration suivant est déterminé par U 2 . .Pour la valeur n N limite N = n-l ce dernier temps devient nul ; ceci peut se produire notamment lorsque la précision recherchée et par suite la valeur de n est élevée que, la largeur du digit ne peut être diminée pour des considérations d'ordre technologiques. Une solution consiste alors à diminuer la longueur 12 du code au détriment de la sensibilité. Une autre solution, représentée sur le schéma de la figure 6, consiste à alterner les codes successifs de la piste 10 (fig.5) sur deux pistes juxtaposées 10a et 10b, la longueur de code étant égale à 12. Les moyens de photo-réception isba, 15b, d'intégration 16a, 16b et de commutation 17a, 17b sont doublés.Les circuits de commande de lecture 220 et d'effacement 230 produisent des signaux alternés de commande respective deux deux voies considérées. Le résultat dtintégration d'un code tel j-l de la piste 10a peut être lu et effacé pendant la durée d'intégration du code j situé sur l'autre piste 10b ; le temps disponible pour la lecture et l'effa- ceignent est ainsi important et de l'ordre de tu,. .. au plus égal à cette valeur. Dans des cas d'application à des signaux radar, il est parfois envisagé uneaél.ctiontemporelle donnant la distance conjointement avec une sélection en fréquence de la dérive Doppler tra duisant la vitesse radiale d'une cible. La sensibilité du système s'en trouve améliorée. Le dispositif corrélateur optique comporte dans ces cas, une pluralité de pistes de référence juxtaposées et éclairées simultanémentf chaque piste étant relative à un canai Doppler. La figure 7 représente un schéma d'une variante conforme à l'invention et répondant à une telle application. Le nombre total des pistes 10-1 à 10-P est égal à celui P des canaux Doppler.La détection utilise une mosaïque linéaire de P diodes 15-1 à 15-P, associées respectivement à des circuits dsintégration, de commutation et de comparaison. Les P sorties de comparaison sont appliquées à un circuit de décision 30 qui sélectionne, le cas échéant, le rang de plus fort niveau at qui, d'une part, transmet le signal d'arrêt de comptage au compteur fin 21, d'autre part fournit l'in- formation de rang Dopplar lorsque catte information est désirée. Une autre solution peut être envisagée pour le dispositif de mesure de la figure 7, consistant à utiliser une cible de photo-réception et d'intégration exploréepar balayage électronique telle la cible d'un tube de prises de vues de télévision. Les figures 8 et 9 ont trait à des solutions de type électronique. Dans le cas de signaux analogiques, le dispositif de mesure peut comporter comme représenté sur la figure 8, un circuit multiplicateur 40 délivrant le produit de corrélation Sr x S2 appliqué à un circuit intégrateur 41. Celui-ci est commandé séquentiellement à la lecture et à l'effacement et sa sortie est comparée au seuil VS dans un comparateur 42. La sortie du comparateur est connectée comme précédemment au compteur fin. Dans la cas de signaux S1, S2 logiques, selon un codage binaire, le dispositif de mesure peut comporter un circuit "OU exclusif" 50 délivrant le produit de corrélation S1 G S2, soit I lors de concordance de phase et O lors d'opposition de phase entre les digits St et S2. La sortie du circuit 50 alimente un circuit compteur-décompteur 51 recevant un signal d'horloge en 52 at un signal de prépositionnement en 53. A la cosncidence de phase, le basculement du compteur 51 délivre en 54 le signal de commande dtarreAt du compteur fin. Parmi les variantes de réalisation d'un dispositif de mesure conforme à l'invention, on peut citer l'application de la variante à pistes alternées décrite à l'aide de la figure 6 à la solution multipistes Doppler de la figure 7 et, des transpositions temporelles équivalentes aux solutions électroniques des figures 8 et 9. Dans le cadre d'une application à des signaux radar, un avantage important résulte de l'unicité du circuit de détection pour déterminer la distance avec une résolution If dans une plage n fois plus grande. Malgré un accroissemefi1 de la durée de la mesure comprise sensiblemznt entre t et (n-I. )/ selon le décalage fin existant, les circuits sont grandement simplifiés. A titre d'exemple, un radar à corrélation optique utilise de manière équivalente une mosai- que linéaire de n photo détecteurs décalés de l'un au suivant du pas 1 selon le sens de défilement, la piste de référence traduisant la n réplique exacte du signal de mesure continu émis, chaque photodiode étant associé à un circuit de traitement. Le nombre de diodes détectrices et de circuits en aval est réduit ainsi dans le rapport n dans un dispositif conforme à l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de temps procédant selon la méthode du vernier pour mesurer à Ti/n près un retard subi par un signal en n tre un instant d'émission et un instant de réception, utilisant un signal de référence (si) de période TI déclenché à l'instant d'émission et un signal dit"retardé" (S2) de période T2 produit à l'instant de réception, les périodes vérifiant (n-i)Tj = n T2, la mesure s'effectuant par comptage du nombre d'intervalles T1 augmenté du nombre d'intervalles Ti/n formant ensemble ledit retard, le comptage étant arrenté lors de 'a détection de coSncidence de phase entre lesdits signaux périodiques, caractérisé en ce que des moyens de corrélation effectuent la détection de coincidence de phase par autocorrélation des dits signaux périodiques, lesquels traduisent une même fonction de durée égale à T2 et répétée à la période respective desdits signaux, ladite fonction étant du type code digital pseudo-aléatoire et composée d'un nombre de digits au moins égal à(n - 1 )par durée T2. 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de corrélation comportent, en série, un dispositif corrélateur, un dispositif intégrateur et un dispositif comparateur à seuil, ainsi que des moyens de commande cyclique de lecture puis d'effacement de 1' intégrateur permettant le prélèvement périodique du résultat d'intégration dans l'intervalle séparant deux fonctions à corréler de rangs successifs de signal de réf é- rence (si) et l'effacement dudit résultat avant le début d'intégration de la fonction de rang suivant considérée. 3. Dispositif de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce que la sortie du comparateur à seuil est connectée à un compteur fin (21) quelle commande "à l'arrêt" lors de la coïncidence de phase, le compteur fin étant par une deuxième entrée commandé "au démarrage" à l'instant de réception et recevant par une troisième entrée un signal d'orloge (SE 1) de période Tt, un compteur gros (20) redevant par une entrée ledit signal d'horloge et étant déclenché, respectivement par deux autres entrées, "au démarragen à l'instant d'émission et "à l'arrêt"à l'instant de réception. 4. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le dispositif corrélateur est du type corrélateur optique en éclairage non cohérent, le signal de référence (Si) étant reproduit optiquement sur une piste (10) d'un support (îi) en mouvement uniforme, un transduoteur électro-optique (14) recevant le signal retardé (52), un transducteur opto-électrique (15) recevant le produit optique de corrélation et alimentant un circuit intégrateur (16) lequel est connecté, par l'intermédiaire d'un circuit de commutation (17), à un circuit de comparaison à un seuil (18). 5. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le dispositif corrélateur est du type corrélateur optique en éclairage non cohérent, le signal de référence (S1) étant reproduit optiquement sur deux pistes (iota, jOb) d'un support (t1) en mouvement uniforme, en alternant une fonction sur deux successives du signal de référence sur chaque piste, un transducteur électro-optique (14) recevant le signal retardé (S2), deux transducteurs opto-électriques (15a, 15b) respectivement associés auxdites pistes étant suivis, chacun, dlun intégrateur (16a, 16b) en série avec un commutateur de lecture, les sorties desdits commutateurs (17a, i7b) étant regroupés à I1 entrée d'un comparateur à seuil (18). 6. Dispositif de mesure selon la revendication 4, appliqué à des signaux de mesure susceptibles de transporter une information de dérive en fréquence du type effet Doppler, caractérisé en ce que le signal de référence affecté de différentes valeurs de dérive est reproduit au moyen d'une pluralité de pistes juxtaposées (ioi,... 10-P) correspondant à P canaux Doppler, les moyens de détection photo-électriques comportant une monarque linéaire de P diodes (15-1,... 15-P) connectés séparément à des circuits d'intégration, de commutation et de comparaison. 7. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif corrélateur du type électronique (40)recevant les signaux à correler (Si, S2) sous forme analogique et délivrant le produit (S1 x 52) à un circuit in tégrateur (41). 8. Dispositif de mesure selon l'une des revendicationsl ou 2, caractérisé en ce quvjl comporte un dispositif corrélateur du type électronique constitué par un circuit "OU exclusif" (50) alimenté par les signaux à corrcler. (Si, 52) sous forme digitale binaire, la sortie dudit circuit alimentant un compteur-décompteur (51) lequel commande par une sortie (54) l'arrêt de comptage fin du décalage temporel à mesurer