Brevet FR2219422A1 — publié le 19740920

Sa présente invention concerne un dispositif conçu pour détecter une distance pré-établie entre un émetteur-récepteur d'énergie électromagnétique et un obstacle propre à réfléchir vers ledit émetteur-récepteur au moins une fraction de l'énergie pelez tromagnétique incidente. Le dispositif suivart l'invention est agencé en vue de produire un signal quand la distance entre l'emetteur-récepteur précité et l'obstacle ou'unie cible atteint une valeur fixée d'avance, ce signal pouvant être utilisé pour actionner un avertisseur pour un operateur, ou bien un dispositif d'alarme, ou encore pour amorcer au autre processus ou opération quelconque, par exemple l'actionnement d'un détonnateur. Suivant la présente invention, l'émetteur produit des impulsions d'énergie électromagnétique saune fréquence constante de répétition tant que l'espace vers lequel s'effectue la propaga- tion de l'énergie électromagnétique est liore, ou si l'obstacle se trouve à une distance telle, ou présente des caractéristiques de nature telle, qu'il détermine un écho situé au-dessrus du seuiL de détection du récepteur; lorsque ce dernier capte des échos d'une intensité suffisante, il se produit un captage ou une détection de la part d'un circuit à boucle à accrochage de phase ("phase locked loop"), ce qui a pour effet d'asservir la fréquence de ré pétition des impulsions d'énergie émises au retour de l'écho au récepteur après réflexion par l'obstacle ou la cible.Tl s'ensuit que la fréquence de répétition des impulsions partant de l'émetteur est fonction de îa distance à laquelle se trouve l'obstacle ou la cible, cette fréquence croissant à mesure que diminue la distance entre le dispositif émeteur-récepteur et la cible ou l'obstacle. En conséquence, on peut établir d'avance un circuit pour détecter la fréquence pertîculiàre des impulsions émises à laquelle correspond une distance déterminée. Ce circuit produira le signal qui sera utilisé de diverses façons, ainsi qu'il été indiqué plus haut. Ce qui tec'de est valable pour n'importe quelle longueur d'onde des impulsions d'énergie électromagnétique, ce qui permet d'agencer le dispositif en vue d'en assurer le fonctionnement par des signaux dans l'infrarouge, la lumière visible, ou en micro-ondes. En utilisant des modifications qui viendront aisément à l'es- prit de tout spécialiste dans l'art, on peut égalenent réaliser ce dispositif en vue de le faire fonctionner avec une onde persis- tante modulée en amplitude. Ia présente invention sera maintenant décrite en se ré- férant à quelques modes préférés de réalisation donnés à seul titre d'exemple, que montrent schématiquement les dessins annexés, sur lesquels; La figure 1 montre le schéma synoptique du dispositif suivant l'invention, lequel comprend 'essentiellement un emeteur, un récepteur et un détecteur. La figure 2 montre des foimes d'ondes relatives au fonctionnement du circuit selon la figure 1. La figure 5 montre schématiquement l'agencement du dispositif optique associé à l'émetteur. La figure 4 montre schématiquement l'agencement du dispositif optique, associé au récepteur. La figure 5 montre le schéma électrique du circuit d'entrée du récepteur, La figure 6 montre le.schéma électrique circuits de retard et d'accrochage de phase du récepteur. la figure 7 montre le schéma électrique des circuits de seuil et générateur d'impulsions de l'émetteur. La figure 8 montre le schéma électrique de l'émetteur. La figure 9 montre le schéma électrique du circuit détecteur, selon un premier mode de réalisation. La figure 10 montre le schéma électrique du circuit détecteur selon un second mode de réalisation. Silon examine tout d'abord la figure 1, on voit que l'en- semble comprend un dispositif optique 1 qui sert à focaliser le rayonnement frappant une photo-diode 2 reliée à un amplificateur 3 suivi d'un cuit à seuil 4 dont le rôle consiste à assurer la discrimln-tion du signal utile par rapport au bruit de fond, et qui pilote un circuB linéaire 5. te signal issu du circuit linéaire 5 commande un mult ivibrateur monostable 6 qui transforme les crêtes du signal utile en impulsions à durée constante et dont l'amplitude dépend de celle du signal capté. Les impulsions provenant du circuit multivibrateur monostable 6 sont appliqués au circuit d'accrochage de phase 7 qui contient un oscillateur'interne dont la fréquence est contrôlée par une tension (VCO), afin d'engendrer une onde persistante de forme triangulaire. Le signal à onde trianguleire, en l'absence d'obstacle ou de cible, a une fréquence fixe réglée par les composants du circuit.Quand un signal est présent à l'en-/rée, l'onde triangulaire a la meme fréquence que le signal d'entrée; en outre elle est déphasée par rapport à ce signal dans une mesure que l'on peut réduire autant qu'on le désire. te signal de sortie du circuit 7 pénétre dans un circuit à seuil 8 qui se déclenche dès que la rampe montante de l'onde triangulaire atteint une valeur de référence fixée d'avance. te circuit à seuil 8 est suivi à son tour par un circuit linéaire 9 et par un circuit générateur d'im- pulsions 10, lequel produit des impulsions en avance par rapport au signal reçu.Ces impulsions sont amplifiées dans l'amplificateur de pul avance Il afin de piloter une diode photoémettrice 12 dont la sortie est collimatée par un dispositif optique 13. On a représenté figure 2 les formes d'onde A, 3, C, D, E, F, et , telles qu'on peut les relever aux points correspondants indiqués sur le schéma synoptique de la figure 1. On décrira maintenant brièvement l'aspect mathématique du fonctionnement de la partie du système oui a été décrite jusqu'à présent. Si on prend comme point de départ et de référence l'instant où se produit le rayonnement du front de l'onde de l'impulsion k émise, on peut établir le bilan ci-aores des retards, ou avances, des diverses formes d'onde à tous les points du circuit, jusqu'au r > or a Avant toute chose, il y a le temps de retard de la propa gation de l'impulsion, dû au temps nécessaire pour effectuer l'aller-retour entre les appareils et la "cible"; on a donc: c = 2R/ où e désigne la vitesse de la lumière et R la distance entre l'émetteur-récepteur et la cible Il y a ensuite un retard constant entre le front de l'impulsion captée et la crête de l'onde triangulaire sortant du circuit à accrochage de phase.Ce retard est égal à la moitié de la durée de l'impulsion qui commande ce circuit à accrochage de phase et il est dû au ftit que ce circuit à accrochage de phase se synchronise sur la fondamentale du signal d'entrée. On désignera ce retard par l'expression. kl= constante Un autre retard sera dû à tous les différents circuits amplificateurs ou d'élaboration du signal. C'est là un retard minime et constant, d*oins dans une première approximation. On pourra le désigner par l'expression: 4 k2= constante. Il existe enfin un retard négatif, ou avance, entre la crête positive de l'onde triangulaire et son point d'affleurement dont découle le front de l'impulsion émise. Cette avance est s égale à une fraction déterminée de. la période du signal triangulaire ; en effet, ce signal a une amplitude constante, entre deux niveaux déterminés, et par conséquent, le gradiert des rampes depend de la fréquence, ce qui s'applique donc aussi au retard ou à l'avance désiré; r s m soit une fraction 1/m de la période de répétition. On peut également écrire : 1 #s = m fr Or,. il est évident que la somme algébrique de tous les retards doit être nulle, c'est-a-dlre où l'on a retards constants. En dévelopant, avec de brefs passages, on obtient que l'on peut écrire égaiement Si, par exemple, le système est constitue de telle sorte que l'on ait m = 4 #k = 0,5 sec on obtient une fréquence maximale de répétition des impulsions, c'est-à-dire pour une distance nulle de la cible fr(o) = 500 KHz La variation de fréquence selon le changement de R se calcule en faisant la différentielle logarithmique de la formuleposée.On a donc avec les valeurs déjà écrites on a Tant que l'on peut négliger R par rapport à K1/K2, soit R dans le cas de faibles distance (au maximum de 10 à 15 m) la variation de fréquence est suffisamment Linéaire. Elle correspond, si # R = 1 m, à # f # 6,6 KHz/m Pour déterminer l'instant où la distance entre le dispositif et la cible ou l'obstacle atteint la valeur fixée d'avance on peut utiliser différentes techniques tant actives que passives, numériques o analogiques. On décrira maintenant à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation analogue et un mode de réalisation numérique de l'invention. Sur les figures 3 et 4 on a représenté respectivement un mode possible de réalisation du système optique pour l'émetteur et le récepteur. Ainsi que cela ressort notamment de la figure 3, le dispositif optique de l'émetteur comprend une diode photoémétrice (IED--Light Emitter Diode) 20, montée au point focal d'un miroir parabolique 21. Le support 22 de la diode 20 sert également d'élément de dissipation de la chaleur. 'optique réceptrice comprend un objectif 23 à grande ouverture. Au point focal de cet objectif 29 est disposé une photodiode réceptrice 24, par exemple du type DT 25 fabriqué par la Compagnie-E.G. & G. On décrira maintenant en détail une disposition possible du circuit dans un système organisé conformément à l'invention. Si l'on se réfère à la figure 5, on voit que la photodiode réceptrice D1, polarisée de fac on appropriée grâce à une tension (-15 V) et à la résistance de charge R1, fournit un signal à la porte du transistor T1 à effet de champs dont le drain est couplé, par l'intermédiaire d'un condensateur cî à l'amplificateur A1 constitué, par exemple, par deux circuits intégrés Motorola du type MC 1510G avec un gain total d'environ 10 000. La sortie de cet amplificateur A1 est reliée à l'entrée du circit à seuil S1 (figure 6), constitué par exemple par un circuit intégré A 710.L'une des bornes d'entrée du circuit à seuil est reliée au curseur du potes tiomètre P1 pour permettre le reglage du niveau du seuil.- La sortie du circuit à seuil St, différenciée par l'ensemble RC que forment le condensateur C2 et la résistance R2, est appliquée au cir cuit monostable MS composé d'un autre amplificateur A 710 associé au circuit à retard formé par les résistances R3 et R4-et par le condens teur C3. ta sortie du circuit monostable MU est reliée à Rentrée du comparateur de phase du circuit d'accrochage en phase Pt constitué par exemple par le circuit intégré NE 565 produit par la SIGNETICS.Le cir cuit d'accrochage de phase PL comprend, ainsi qutil est connu en soi, un comparateur de phase CP1, un amplificateur d'erreur, AE un filtre passe-bas FPB et un oscillateur contrôlé par la tension VCO, ces éléments étant reliés entre eux de façon à former un cir cuit en boucle fermée. On sait qu'en l'absence d'un signal appliqué à l'entrée extérieure au comparateur de passe, le circuit PL délivre à la sortie dé l'oscillateur VCO un signal-périodique à forme d'onde triangulaire et à fréquence const nte, déterminées par les com posants extérieurs du circuit. Lorsqu'à l'entrée précitée du comparateur de phase se pré sente un signal périodique dans la gamme de fréquences ou peut-se produire l'accrochage de phas-e, l'oscillateur VCO se synchronise sur ce signal avec un déphasage qui peut être aussi faible qu'on le désire. Dans le cas d'un signal à onde carrez. la synchronisa- tion se produit sur la composante fondamentale ou première hermonique du signal en forme d'onde rectangulaire. Dans le cas considéré, on se trouve en présence des rele-. tiors de phase qu'indiquent les formes d'onde D, E, F, de la fi gure 2, dans des conditions stationnaires. Cela correspond à l'in- traduction d'un retard de valeur fixe et constante entre le front intial des impulsions selon la forme d'onde E et la crête maximale de l'onde triangulaire F à la sortie de l'oscillateur.VCO. te signal qui provient de l'oscillateur VCO est appliqué à un circuit à seuil à ccmparateur différentiel S2 (figure 7) for mé par exemple par un circuit intégré A 710, dont une entrée est reliée au curseur du potentiomètre P2 pour permettre -le réglage du seuil. La sortie du cire là seuil 52 est appliquée à la base du transistor T2 monté en émetteur follower et par conséquent au différenciateur ou circuit linéaire formé par le circuit-RCi comprend la résistance R5 et le condensateur C4. l'e signal différencié est appliqué à l'entrée du circuit monostable MS' à là sortie duquel on obtient la forme d'nnde G. La structure de ce circuit monostable MS' est semblable à celle du circuit monostable MS décrit plus haut. A la sortie du circuit monostable MS' on dispose d'une impulsion rectangulaire de brève durée (forme d'onde G de la figure 2) qui est appliquée à ltentrée de commande de l'émetteur repré sensé sur la figure 8. A titre d'exemple, l'émetteur représenté sur la figure 8 comprend une chaine d'amplification constituée par les -tr--nsistors T3, T.', T5 reliés en cascade avec accouplement à courant, continu. Be transistor T6 sert d'interrupteur en déchargeant sur la diode photoémettrice D2 la charge emmagasinée par le condensateur C, ce qui fait passer le courant ayant l'intensité requise dans la diode D2 (par exemple une diode photoémettrice du type ME2). L'impédance de blocage L sert à empêcher le court-circuit de l'alimen station pendant le bref moment où le transistor T6 est conducteur. On décrira maintenant en se référant aux figures 9 et tO deux solutions possibles concernant le circuit DET figure 1 pour déterminer l'instant où l'on atteint une distance relative fixée d'avance, mesurée entre le dispositif suivant l'invention et la cible ou l'obstacle qui réfléchit l'énergie électromagnétique. Dans la première solution qui comprend un cirduit du type analogique , il est prévu un oscillateur constitué par un transir tor T7 fonctionnant en tant qu'élément actif dans un circuit oscar lant accordé, à résistance et capacité, de type connu, avec pré réglage de la fréquence d'oscillation grâce à une résistance va riable P7. Le transistor T8 est monté en émetteur follower et pilote la base du transistor-mélangeur T9. Sur l'émetteur du tran sistor T9 relié au point commun par la résistance R6 on inJecte le signal F provenant de l'oscillateur contrôlé en tension (VCO) du circuit accroché en phase que représente la figure 6. Sur la rcoistnce de charge R7 du collecteur du trarsis- tor-mélanteur T9 se trouvent les composants somme et différence des fréquences du signal provenant de l'oscillateur VCO et du si gnal en provenance de l'oscillateur T9. le collecteur du transistor T9 est relié à un filtre passe-bas PB dont la sortie est reliée à l'une des entrées du comparateur CP.L'autre entrée du comparateur CP est reliée au curseur du potentiomëtre P4 pour permettre le réglage du niveau du point d'affleurement. La sortie du comparateur CP est reliée à la porte redresseur contrôlé au silicium D3, qui est constitué par exemple par un thyristor triode à blocage inverse, lequel commande une charge CA, par exemple un dispositif d'alarme, un détonateur ou autre dispositif ou appareil selon l'application pratique particulière envisagée pour la présente invention. Sur la figure 10 on a représenté une solution différente pour réaliser le détecteur qui revele qu'une distance pré-établie est atteinte entre l'obstacle ou la cible et le dispositif suivant l'invention. Cette disposition représentée figure 10 est basée sur l'application de techniques numériques au lieu des techniques analogiques auxquelles se réfère la disposition représentée sur la figura 9. Ainsi que cela apparaît sur la figure 10, le signal F en provenance du VCO est appliqué à l'entrée d'un circuit monostable générateur d'impulsions MS" dont B sortie ost reliée à l'entrée de remise à zéro d'un compteur binaire BC. L'entrée de comptage de ce compteur est reliée à un oscillateur' de cadence fonctionnant par exempte à la fréquence de 70 MHz.Le compteur binaire BC est pourvu de sorties correspondant aux stades individuels de comptage binaire (2,4,8..., 128,...) reliés aux entrées d'un circuit de con- paraison numérique CG de type connu. Bes autres entrées du circuit de comparaison CC sont reliées aux sorties respectives- d'un circuit de mémoire M, lequel est reglé sur une expression binaire préfixée. Le fonctionaement de ce circuit est le suivant : la sortie du circuit monostable MS" opère comme signal de remise à zéro du compteur binaire BC. Par conséquent , lorsque la fréquenc4iu si gnal VCO est de 300 KHz, le comptéur BC comptera jusqu'3. 100, puis sera remis à zéro pour entamer un nouveau comptage à la cadense de 30 MHz, avant autre ultérieurement remis à zéro, et ainsi de suite. 3ur les sorties du compteur binaire BC on dispose par conséquent d'un nombre binaire dont la valeur maximale (c'est-àdire un instant avant la remise à zéro du compteur) correspond à un certain rapport entre r fréquence de l'oscillateur de cadence et la fréquence du signal dudit oscillateur VCO. C+ombrdbinaire est comparé au numéro ou à I'expression binaire enregistré dans la mémoire M, dans le circuit de comparaison CC, lequel, en cas d'identité des signaux binairespeésents à ses entrées, fournira un signal de sortie pour commander l'organe contrôlé. Un tel signal de sortie se produira pour une distance entre appareil et cible ou obstacle qui correspond à l'expression binaire posée ou enregistrée dans la mémoire M. Les circuits décrits ci-dessus constituent seulement un exemple-type de réalisation du dispositif détecteur de distance suivant l'invention. En effet, on peut, tout en maintenant le principe de l'utilisation du circuit accroché en phase, prévoir des variantes de circuit. On peut également prévoir que le même dispositif à semiconducteurs (diode) puisse fonctionner alternativement comme émetteur de rayonnements électromagnétiques et comme détecteur de l'énergie électromagnétique réfléchie par l'obstacle ou la cible. Dans ce cas, il faudra prévoir des circuits de commutation émission/réception, ainsi qutil apparaitrclairement à tout spécialiste en ce domaine. REVElrDICATIONS 1. Dispositif de détection de la distance entre un appareil émetteur-récepteur de rayonnements électromagnétiques et un obstacle ou cible propre à réfléchir au moins une partie de l'énergie électromagnétique incidente, caractêrisé en ce qu'il comprend un émetteur d'impulsions d'énergie électromagnétique, la fréquence de répétition des impulsions étant constante tant que l'espace vers lequel s'effectue la propagation de l'énergie électromagnétique est libre ou l'obstacle est à une distance, ou possède des caractéristiques telles qu'il se produit un écho au-dessous du seuil de détection d'un~récepteur associé audit dispositif, un circuit à accroche de phase, agencés de façon à pouvoir capter lesdites impulsions émises et à en contrôler la fréquence de répétition en fonction du temps d'aller et retour des faisceaux d'énergie élec tromagnétique le long du parcours émetteur-obstacle-récepteur, des moyens pour détecter une fréquence de répétition pré-réglée de l'émission des impulsions d'énergie électromagnétique sous le contrôle du circuit à accrochage de phase à mesure que décroît la distance entre ce dispositif émetteur-récepteur et l'ob- stacle, ces moyens de détection étant agencés de manière à commander un dispositif d'alarme, de signalisationou de commande lorsqu' une distance pré-établie a été atteinte entre ledit dispositif émet teur-recepteur et ledit obstacle ou cible. 2. Dispositif selon la revendication I, caractérisé en ce que ledit émetteur-d'énergie électromagnetique comprend un photoémetteur à semiconducteurs. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le récepteur comprend en tant qu'élément détecteur de l'énergie électromagnétique incidente un photodétecteur à semiconducteurs. 4. Dispositif selon l'ensemble des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que ledit photoémetteur et ledit photodétecteur sont associés à des dispositifs collimateurs optiques. 5.DispositiQ selon l'une quelconque des revendications pré cédentes, caractérisé en ce que les moyens détecteurs de la fr4- quence pré-établie comprenert un oscillateur stable agencé en vue d'osciller à une fréquence réglée d'avance qui correspond à-la fréquence de répétition des impulsions relative à la distance fixée pour l'intervention; des moyens mélangeurs de fréquences agencés de façon à produire un battement entre la fréquence du dit oscil lateur stable et la fréquence d'un générateur de cadence des im pulsions constitué par un oscillateur commandé en tension. prévu dans ledit circuit accroché en phase, et enfin des moyens pour détecter la présence d'un battement nul entre les deux fréquences précitées. 6.. Dispositif selon l'une quelconque des revendica tions 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens détecteurs de fréquence pré-établie comprennent un oscillateur stable fonction nant à une fréquence fixée d'avance, supérieure aux fréquences possibles de répétition des impulsions, un compteur nuL*ri(l^.teptr çanpter'les ipulsions dudit oscillateur stable, ce compteur étant remis périodiquement à zéro à la fréquence de répétition des impulsions de l'émetteur, des moyens comparateurs agencés en vue -de comparer le comptage dudit compteur, exprimé en termes binaires, à une expression numérique conterue dans une mémoire à pré-réglage, les moyens comparateurs étant agencés en vue de fournir un signal de sortie qui correspond à l'identité entre le comptage dudit comp teur et l'expression numérique enregistrée dans ladite mémoire à pré-réglage.