Brevet FR2288986A1 — publié le 19760521

L'invention concerne un dispositif électronique destiné à mesurer avec précision la distance et la vitesse d'approche ou d'éloignement d'un mobile. Le dispositif de l'invention s'applique particulièrement aux mesures de distance et de vitesse à'un mobile relativement proche et à déplacement lent. On a besoin notamment d'un tel dispositif sur le quai d'un port, pour obtenir des indications précises sur la position et le mouvement d'un navire, un gros pétrolier par exemple, pendant les manoeuvres d'accostage. D nus ce cas les distances vont de zéro à quelques centaines de mètres et les vitesses de zéro à quelques m/s. Pour diverses raisons, les dispositifs connus jusqu'à présent conviennent mal à ce genre d'application. Ainsi un appareil connu sous le nom de SONAR et qui utilise la propagation des ondes ultrasonores dans l'eau, fournit une mesure de distance fortement perturbée par la pollution et le brassage de l'eau par l'hélice du navire et des remorqueurs qui l'entourent ; il est alors difficile d'en déduire une information de vitesse. On cornait aussi les Radars utilisant l'effet Doppler qui fournissent essentiellement une mesure de vitesse. Mais cette mesure peut etre perturbée par les vibrations du radome et l'agitation de la surface de l'eau de sorte que l'information de distance que l'on peut en déduire a une valeur douteuse. Enfin les dispositifs utilisant des faisceaux laser ont l'inconvénient d'etre très sensibles au brouillard et aux fumées existant souvent dans un port. L'invention vise å fournir un dispositif électronique fournissant des mesures précises de la distance et de la vitesse d'un mobile, notamment d'un navire en mouvement dans un port, sans que ces mesures soient sensiblement affectées par les conditions d'environnement comme dans les dispositifs connus. Conformément à l'invention, ce dispositif comporte un générateur d'un signal hyperfréquence modulé en fréquence, couplé à une antenne directive dont l'axe de rayonnement coincide avec l'axe de la distance à mesurer, des moyens pour fournir la fréquence de battement entre l'onde émise et l'onde reçue par l'antenne, une bou- cle d'asservissement recevant cette fréquence de battement et agissant sur le signal de modulation de fréquence de manière à maintenir constante cette fréquence de battement, enfin des moyens pour déduire du signal de modulation de fréquence un signal correspondant d l'information de distance et pour déduire ce ce signal de distance un signal correspondant à l'information ce vitesse. Selon un roce ce réalisation de l'invention fournissant des mesures particulierement précises, le cispositif comporte un système de calibrage automatique comprenant une ligne à retard éta lon recevant le signal modul en frécuence, des moyens pour fournir la fréquence de battement entre le signai retardé par la ligne à retard et le signal non retardé, enfin des moyens de commutation pour faire fonctionner alternativement la boucle d'asservissement précitée sur la fréquence de battement entre l'once émise et l'onde réfléchie par le mobile et sur la fréquence de battement déduite de la ligne à retard. La description suivante, en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 représente un schéma du dispositif de l'inven- tion. La figure 2 est un diagramme en illustrant le fonctionne ment. La figure 3 est un schéma d'une forme de réalisation com prenant un système de calibrage automatique. Le dispositif de l'invention montré sur la figure 1 est utilisé par exemple pour mesurer la distance suivant l'axe XY entre la coque d'un navire 1 et un quai d'accostage 2 et la vitesse åsap- prochement ou d'éloignement de ce navire suivant cet axe. Ce dispositif comporte un générateur d'un signal hyperfré quence modulé en fréquence, constitué à l'aide d'un oscillateur 3 controlable en fréquence, suivi d'un multiplicateur de fréquence 4, la fréquence de l'oscillateur 3 étant commandée par un signal de mo dulation fourni par le modulateur 5. La sortie du multiplicateur de fréquence 4 est couplée par l'intermédiaire du duplexeur-mêlangeur 6 à l'antenne directive 7 implantée sur le quai, l'axe de rayonne ment de cette antenne coïncidant avec l'axe XY de la distance à me surer. Le duplexeur-mélangeur 6 fournit la fréquence de battement entre l'onde émise et l'onde réfléchie par la coque du navire et reçue sur antenne 7.Cette fréquence de battement est appliquée à une boucle d'asservissement comprenant un amplificateur 8 et un me sureur de fréquence 9 dont la sortie est connecte a une entrée 10 du modulateur 5, cette boucle agissant sur le signal de modulation fourni par le modulateur 5 de façon à maintenir constante la fré- quence de battement. Un convertisseur de mesure Il déduit du signal de modulation un signal correspondant à la distance à mesurer, qui est dirigé par exemple vers un indicateur 12. Ce signal de distance est appliqué d'autre part à un filtre passe-bas 13 suivi d'un circuit dérivateur 14 qui fournit un signal correspondant à la vitesse d'approche ou d'éloignement de la coque du navire. Ce signal de vitesse est dirigé par exemple vers un indicateur 15 à zéro central qui fournit à la fois le signe et la grandeur de la vitesse. Pour expliquer le fonctionnement de ce dispositif on se place par exemple dans le cas où l'oscillateur 3 est modulé linéairement en fréquence par un signal de modulation issu du modulateur 5 et ayant une forme en dents de scie non symétriques. Après multiplication de fréquence par le multiplicateur 4, on obtient le signal hyperfréquence qui est transmis 1 l'antenne 7 et dont la fréquence varie suivant le signal de modulation.La courbe en traits pleins de la figure 2 représente les variations en fonction du temps de la fréquence f de l'onde émise par l'antenne 7, variations qui suivent e la loi en dents de scie du signal de modulation, avec une période T et une excursion de fréquence #F. La courbe en pointillé représente les variations de la fréquence fr de l'onde reçue par l'antenne 7, cette courbe se déduisant de la courbe en traites pleins par une translation d'un temps 2 égal à la durée du trajet aller et retour de l'onde hyperfréquence. On a évidemment (I) t= 2D c D étant la distance à mesurer C étant la vitesse de propagation de l'onde. Le duplexeur-mélangeur 6 fournit à chaque instant la fréquence de battement fb entre l'onde émise et tonde reçue, qui est à chaque instant la différence de fréquence entre les fréquences de ces deux ondes. On déduit de la figure 2 que l'on a (2) fob T Cette fréquence de différence est appliquée dans la boucle d'asservissement au mesureur de fréquence 9 dont la fréquence centrale est fO et qui fournit un signal qui représente l'écart de fréquence entre f0 et fb. Ce signal de sortie du mesureur de fréquence 9 est appliqué à la borne de commande 10 du modulateur 5, qui permet la modification de la pente du signal de modulation. Grâce à la bou cle d'asservissement ainsi formée, cette pente s'ajuste en permanence de façon à maintenir la fréquence de battement f b égale à la fré quence centrale fixe fo du mesureur de fréquence et comme ltexcur- sion #F est constante, cet ajustage de la pente correspond à un ajustage de la période T du signal de modulation. On déduit des formules (1) et (2) que cette période T est donnée par lgexpression : 2#F (3) T = . D C fo La période T est donc proportionnelle à la distance D à mesurer et le convertisseur de mesure 11 est un périodemètre fournis- sant un signal proportionnel à D. Grâce à cette boucle d'asservissement, on obtient un signal de distance exempt au maximum de signaux parasites que pourrait produire l'environnement du dispositif. Après un lissage sommaire du signal de distance dans le filtre 13, on obtient par dérivation dans le circuit dérivateur 14, un signal fournissant avec une très bonne précision l'indication de vitesse. Dans un dispositif réalisé de cette manière, la fréquence de l'oscillateur 3 est par exemple d'environ 390 MFz et après multiplication de cette fréquence dans le multiplicateur 4, on obtient par exemple une fréquence d'environ 12,8 GHz. En accroissant ainsi la fréquence de l'onde émise, on augmente ltexcursion de fréquence Af due à la modulation de fréquence et comme le montre la formule (3), on accroît la sensibilité du dispositif. Par ailleurs cette augmentation de la fréquence de l'onde rayonnée par l'antenne, perlez met d'obtenir un faisceau de rayonnement étroit qui contribue à l & précision de la mesure. La figure 3 représente un mode de réalisation du dispositif de l'invention, muni d'un système de calibrage automatique.Tous les éléments représentés sur la figure 1 se retrouvent sur la figure 3 avec les mêmes références. On voit sur la figure 3 que la boucle d'asservissement de la pente du signal de modulation comporte outre les éléments 8 et 9 décrits ci-dessus, un circuit commutateur 16 dirigeant le signal émis soit vers l'antenne 7, soit vers une ligne à retard étalon 17 travaillant en réflexion. La boucle d'asservissement comporte égale ment deux integrateurs 18 et 19 associés à deux circuits commuta tueur 20 et 21 dont le rôle est de faire transiter le signal de sor tie du mesureur de fréquence 9 vers l'entrée de commande 10 du nodu- lateur 5s soit à travers lsintégrateur 18, sot à travers ltintéçr teur 10. La fréquence de battement apparaissant à la sortie du du plexeur-mélangeur 6 correspond soit à l'onde réfléchie par la cible I et recueillie par l'antenne 7, soit à l'onde réfléchie par l'ex- trémité de la ligne à retard 17 de retard fixe i o Le dispositif de la figure 3 comporte en outre un circuit commutateur 22 qui dirige le signal de sortie du périodemètre 11 soit vers ia mémoire 23 qui est connectée à llindicateur de distan ce 12 et aux circuits fournissant la mesure de vitesse, soit vers la mémoire 24 qui est connectée à un circuit comparateur 25 recevant d'autre part de la source de tension 26 une tension de référence eO. La sortie du comparateur 25 est reliée à une entrée de commande 27 du périodemètre Il, permettant d'agir sur l'amplitude du signal four ni par le périodemètre. Les quatre circuits commutateurs 16, 20, 21, 22 sont com mandés automatiquement en synchronisme et prennent alternativement les positions indiquées en traits pleins et en traits pointillés, par exemple au rythme d'une période sur deux du signal de modulation en dents de scie, la commutation étant effectuée pendant les temps de retour de ce signal. Lorsque les commutateurs sont dans la position dite de mesure et figurée en traits pleins, il est clair que le dispositif de la figure 3, fonctionne exactement comme celui de la figure 1. La boucle d'asservissement 8,9 agit sur la pente du signal de modu lation de façon à maintenir la fréquence de battement f fournie par le duplexeur-mélangeur 6, égale à la fréquence fixe f . Le période o mètre Il fournit un signal correspondant à la distance D à mesurer. L'intégrateur 18 et la mémoire 23 ont pour but de conserver les in formations du signal de commande de la pente de modulation et du si gnal de distance pendant les intervalles de temps où les commutateurs sont dans l'autre position. Lorsque les commutateurs se trouvent dans cette autre posi tion dite de calibrage et indiquée en traits pointillés, le disposi tif fonctionne de la manière suivante : la boucle d'asservissement 8,9 ajuste la pente du signal de modulation, donc la tension de sor tie du périodemètre 17 à une valeur Uo définie par l'équation sui vante où K représente la constante de proportionnalité entre l'entrée et la sortie du périodemètre il. Cette tension Uo, stockée dans la mémoire 24, est comparée en permanence dans le comparateur 25 à la tension de référence e0 fournie par la source de tension 26 et la tension d'erreur en résultant modifie la constante K de telle sorte que l'écart entre Uo et eo soit négligeable. On déduit de la formule (4) que l'équation d'équilibre qui en résulte c'écrit : Dans ces conditions, lorsque le dispositif est en position mesure, la tension U fournie par le périodemètre 11 et relative au temps de transit 2 correspondant à la distance à mesurer sera égale à : Dgaprès la formule (5) on peut écrire Cette formule (6) montre que grâce au calibrage le facteur de proportionnalité entre la tension U de sortie du périodemètre et le temps de transit # correspondant à la distance à mesurer, ne dépend que de deux grandeurs étalon eo, t0. Ainsi la précision de mesure sur la distance ne dépend que de la stabilité des étalons de retard t0 et de tension eO. REVENDICATIoNS I. Dispositif électronique destiné à mesurer avec précision la distance et la vitesse d'approche ou d'éloignement d'un mobile,- caractérisé en ce qutil comporte un générateur d'un signal hvperfré quence modulé en fréquence, couplé à une antenne directive dont l'axe de rayonnement coricide avec l'axe de la distance à mesurer, des moyens pour fournir la fréquence de battement entre l'onde émise et l'onde reçue par l'antenne, une boucle d'asservissement recevant cette fréquence de battement et agissant sur le signal de modulation de fréquence de manière à maintenir constante cette fréquence de battement, enfin des moyens pour déduire du signal de modulation de fréquence un signal correspondant à l'information de distance et pour déduire de ce signal de distance un signal correspondant à 1 'infor- mation de vitesse. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un système de calibrage automatique comprenant une ligne à retard étalon recevant le signal modulé en fréquence, des po- yens pour fournir la fréquence de battement entre le signal retardé par la ligne à retard et le signal non retardé, enfin des moyens de commutation pour faire fonctionner alternativement la boucle d'asservissement précitée avec la fréquence de battement entre l'onde émise et l'onde réfléchie par le mobile et avec la fréquence de battement déduite de la ligne à retard étalon. 3. Dispositif selon la revendication 2, comprenant un convertisseur de mesure pour fournir le signal de distance à partir du signal de modulation de fréquence, caractérisé en ce que le signal de sortie du convertisseur de mesure est dirigé alternativement par un commutateur fonctionnant en synchronisme avec les moyens de commuta- tion précités, vers'les circuits utilisant le signal de distance et vers une seconde boucle d'asservissement assujettissant ledit signal de sortie à une tension de référence. 4. Dispositif selon l'une des revendications I à 3, caractérisé en ce qu'il utilise la modulation linéaire de fréquence.