Brevet FR2462717A1 — publié le 19810213

La présente invention concerne un système de détection élec- tromagnétique à compression d'impulsions, destiné plus particu- lièrement à réaliser un télémètre laser. Un système de détection électromagnétique à compression d'im- pulsions comporte, de manière connue, un émetteur avec.un gé- nérateur d'impulsions suivi d'un filtre disp0zsif qui in- troduit un retard fonction de la fréquence et qui produit en con- séquence un allongement de l'impulsion d'émission; la sortie du filtre est ensuite mélangée avec une onde porteuse locale provenant d'un générateur d'ondes à la fréquence porteuse d'émission. Le filtre dispersif peut être réalisé de diverses manières pour produire, par exemple, une modulation linéaire en fréquence ou encore un passage alterné de phase négative à la phase positive ou une fonction étagée etc.. Dans le récepteur, les échos reçus sont d'abord traités dans un mélangeur recevant une onde locale pour produire une réception homodyne ou superhéterodyne, puis..DTD: appliqués à un filtre adapté qui produit la fonction inverse du fil- tre émetteur pour restaurer le signal par compression d'impulsion; le signal est ensuite mis sous forme vidéo par détection et traité dans un circuit de mesure de la distance donnée par l'intervalle du temps séparant l'émission de la réception correspondante. L'invention a pour objet une réalisation particulière d'un tel système permettant, d'une part la mesure de la fréquence Doppler d'une cible détectée, c'est-à-dire sa vitesse radiale vis à vis du système, et d'autre part de discriminerchaque cible par sa distance et sa vitesse radiale dans le cas de plusieurs cibles détectées. Selon une caractéristique de l'invention, le système comporte au moins deux paires de lignes à retard variable avec la fréquence pour former le filtre dispersif et un agencement iden- tique utilisé de manière conjuguée pour former le filtre adapté, les lignes d'une même paire ayant des pentes de même valeur et de signe opposé, les valeurs de pentes étant différentes d'une paire de lignes à l'autre; chaque paire de lignes permet de produire pé- riodiquement deux impulsions allongées et déduire de l'écho de cible correspondant la distance et la vitesse selon un calcul simple faisant intervenir les instants de réception et l'intervalle de séparation des impulsions émises; l'utilisation d'au moins une deuxième paire de lignes permet de discriminer les différentes cibles éventuellement détectées par leur distance et leur vitesse et éviter des ambiguités de mesure. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaî- tront dans la description qui suit, donnée à titre d'exemple à l'aide des figures annexées qui représentent - les figures 1-a, 1-b et 1c, des formes d'ondes et des diagrammes temporels montrant les impulsions émises et les positions des échos reçus; - la figure 2, un diagramme général d'un système de détection électromagnétique conforme à l'invention; - la figure 3, un diagramme détaillé d'un exemple de réalisa- tion d'un système selon la figure 2. La figure 1-a montre la position temporelle des impulsions émises. Cellesci se composent d'un couple de deux impulsions répétées à la période d'émission To. Les deux impulsions d'un même couple sont séparées par un intervalle de temps T prédéter- miné, inférieur à la récurrence To et supérieur à la durée d'une impulsion émise. Le temps T défini l'ambiguité distance pour le système c'est-à-dire la distance maximale Do de détection définie par Do = c T ou c représente la vitesse de la lumière dans l'air. Les impulsions sont traitées par compression d'impulsions. Le filtre à distorsion de phase et le filtre adapté correspondant sont réalisés au moyen de lignes à retard variable avec la fréquence encore appelées lignes dispersives.Ces lignes peuvent être du type électroacoustique. En désignant par F la fréquence du signal appliqué à la ligne, le retard Zo introduit par celle-ci peut- être de la forme Co = tKF ou K est une constante désignant la pente de la ligne et le signe indique le sens du temps de propagation de groupe. Une telle ligne permet de produire une modulation Coq linéaire en fréquence. Pour chaque couple d'impulsions la pre- mière impulsion est traitée dans une ligne à retard variable de pente +K et la seconde impulsion dans une ligne à retard va- riable de pente -K La figure 1-b représente la situation des échos correspondant a un couple d'impulsions émises respectivement dans le cas d'une cible détectée unique immobile (v = o) et mobile (v / o). L'origine des temps (t = o) correspond à l'instant-d'émission de la première impulsion. L'impulsion écho correspondant à l'impulsion émise par la ligne à retard variable de pente* +K de l'ensemble d'émission est traitée à la réception par l'intermédiaire d'une ligne à retard de pente -K et réciproquement; par conséquent, dans le cas d'une cible fixe si to représente l'instant de détection de l'écho de la première impulsion du couple d'impulsion émis, to + T représente l'instant de détection de l'écho de la seconde impul- sion émise. Dans le cas d'une cible mobile, les instants to et to + T deviennent respectivement t'o et t"o, avec t'o et t"o situés symétriquement par rapport à l'instant to + du fait des pentes conjuguées des lignes à retard variable utilisées pour la compres- sion des impulsions. Les instants t'o et t"o sont donnés par les relations: - t'o = to + KfD t"o = to + T - KfDl o fD est la fréquence Doppler due à la vitesse de déplacement radiale V non nulle de la cible: V =fD, o À est la longueur d'onde du signal utilisé pour produire. les impulsions émises. On tire alors facilement des mesures de t'o et t"o effec- tuées à la réception, les valeurs de to et fD donnant respective- ment la distance et la vitesse radiale de la cible détectée-: to = 1 (t'o +t"o - T) fD = 1 (t'o -t"o + T) 2K Il peut être remarque qu'une première ambiguité peut naître si la vitesse radiale de la cible détectée est suffisamment grande pour que t'o soit supérieur à t"o. Cette ambiguité peut être aisément éliminée en choisissant suffisamment grande la valeur de l'intervalle de temps T séparant les deux impulsions d'un même couple. Si VM représente la vitesse radiale maximale des cibles VM présumées détectables, il suffit que la relation T>4 KV" soit vérifiée. Une seconde ambiguité peut apparaître dans le cas d'une plu- ralité de cibles illuminées et détectées. Ce cas est illustré par o10 la figure 1-c o l'on a considéré deux cibles mobiles de sens de déplacement inverse se trouvant dans la direction de pointage dans le cas d'application à un télémètre laser. to et tl représentent les instants de réception des deux échos de la première impulsion d'un couple d'impulsions émises en supposant la cible immobile, de même to+T et tl+T représentent les instants de retour des échos correspondant à la seconde impulsion du couple d'impulsions con- sidéré. Si l'on suppose les cibles mobiles on obtient pour les quatre échos to, tl, to+T et tl+T les instants respectifs t'l, t'o, t"o, t"l (ou t'o, t'l, t"l, t"o). Malgré la condition à remplir pour T une ambiguité peut se produire. En effet, pour un premier écho donné, par exemple celui reçu au temps t'o (ou t'1l) on peut lui associer l'un ou l'autre des deux échos résultant de la seconde impulsion émise et correspondant aux instants t"o et t"l. On obtiendra ainsi deux valeurs possibles de to auxquelles sont associées également deux valeurs de fD: - -o t'o + t"o - T to = 2 et t'o - t"o + T fD = 2K 2K ou to = t'o +t"l - T to + tl + K (fDl fD2) 2 2 2 et fD t'o-t"l+T = to tl + fDl +fD2 2K 2K 2 o fD1 et fD2 représentent les fréquences Doppler respectives des deux cibles détectées. Le premier couple de valeurs to, fD cor- respond comme on le voit à un apairage correct des échos et le second à un apairage incorrect. Dans le second couple on voit que la valeur de to et de fD dépend de K; en effet bien que dans le premier couple fD semble dépendre de K il en est en fait indépendant car t'o et t"o sont facteur de K. Pour lever l'ambiguité on effectue comformément à l'invention une mémorisation de ces deux couples de valeurs cor- respondant à un premier couple d'impulsions émis et de recommencer l'opération avec le couple d'impulsions émis suivant en modifiant les valeurs des coefficients K c'est-à-dire en utilisant des lignes à retard variable de pentes différentes; On compare en- suite les couples de valeurs (to, fD) obtenus avec les valeurs de pente K et'K' différentes pour les paires respectives de lignes à retard. Seul le couple de valeurs de (to, fD) ayant un apairage correct donnera les mêmes résultats de to et fD pour les valeurs K et K'. Le raisonnement fait ici avec deux paires de lignes à retard de pente différente pour deux échos correspondant à deux cibles reste valable pour n échos correspondant à n cibles, seul change le nombre d' apairages incorrects qui devient n -1. Pour n cibles distinctes deux couples de lignes à retard sont encore suffisantes pour lever les ambiguités d'apairage des échos de la première et de la seconde impulsion de chaque couple d'impulsions émis. La figure 2 représente un diagramme général d'un système de détection électromagnétique conforme à l'invention. Il se compose d'un ensemble émetteur 1 et d'un ensemble récepteur 2. Dans le cas d'un télémètre laser le-rayonnement d'ondes électromagnétiques (3) est un faisceau lumineux émis par un générateur laser 4. L'ensemble émetteur 1 comporte un générateur d'impulsions 9 qui est connecté au mélangeur du laser 4 pour le moduler par l'in- termédiaire d'un filtre dispersif constitué au moyen de quatre lignes à retard variable avec la fréquence 5, 6, 7 et 8 montées en parallèle et regroupées par leur sortie. L'ensemble récepteur 2 comporte un circuit de changement de fréquence ou mélangeur 10 selon que la réception est superhétérodyne ou homo- dyne, et un ensemble de circuits de mesure 15 permettant de calcu- ler la distance et la fréquence Doppler qui traduit la vitesse radiale des cibles détectées. L'ensemble des circuits de mesure 15 est connecté au circuit 10 par l'intermédiaire d'un filtre adapté constitué également par un agencement de quatre lignes à retard variable avec la fréquence 11, 12, 13 et 14 montées en parallèle et alimentées simultanément par leur entrée; ces quatre lignes sont identiques à celles de l'ensemble émetteur 1. Le cir- cuit 10-est connecté au générateur d'ondes 4, il est considéré que les moyens de synchronisation sont inclus dans le bloc 9 qui délivre à l'ensemble du circuit de mesure 15 des impulsions de synchronisation correspondant à la référence de mesure c'est-à- dire l'instant d'émission de la première impulsion de chaque couple d'impulsions émises. Le générateur d'impulsions 9 délivre des couples d'impulsions à la période To, chaque impulsion de durée 'r étant composée d'un signal à une fréquence f et tel que le temps r est très supérieur à 1/f de façon à ce que chaque impulsion comporte plusieurs périodes d'oscillation. La première impulsion d'un premier couple d'impulsions est appliquée par exemple à la ligne 5 de pente +K, la seconde impulsion de ce même couple d'impulsions à la ligne 6 de pente -K. La première impulsion du couple d'impulsions suivant est appliqué à la ligne 7 de pente +K'et la seconde impulsion de ce second couple d'impulsions est appliqué à la ligne 8 de pente -K'. On applique ainsi successivement une impulsion sur chaque ligne par simple permutation circulaire au cours de deux périodes To. Les impulsions issues de ces lignes à retard variable sont mélangées avec l'onde laser de façon à obtenir un faisceau émis 3 modulé en fréquence Le rayonnement réfléchi par les cibles mobiles est reçu en 17 à l'entrée du récepteur et appliqué à un circuit de changement de fréquence ou mélangeur 10 permettant de restituer à la sortie de celui-ci les impulsions dont la fréquence du signal les composant varie en fonction de la vitesse radiale des cibles par lesquelles elles ont été réfléchies. Chacune de ces impulsions est ensuite appliquée-simultanément à l'entrée des quatre lignes à retard va- riable 11, 12, 13 et 14. Le découplage entre les lignes à retard variable. est tel que l'impulsion émise par l'intermédiaire d'une ligne à retard variable de pente positive ne peut traverser à la réception que celle de même pente et de signe opposé. Il y a dé- corrélation par les lignes de signes opposés d'une même paire et il n'est pas nécessaire de prévoir de circuit d'aiguillage à l'entrée. En conséquence, les lignes de même pente sont connectées en- semble par une sortie formant une première paire 11, 12 de pentes +K et K et une deuxième paire 13, 14 de pente +K' et -K' et la sélection de la paire concernée est effectuée par un circuit d'aiguillage considéré dans le bloc 15. La commutation du circuit d'aiguillage s'effectue périodiquement à la période To à chaque instant de référence de mesurze par un signal de synchronisation provenant du bloc 9. L'ensemble de circuit de mesure 15 ne recevra ainsi que l'im- pulsion écho traitée par la ligne à retard variable de pente con- juguée par rapport à celle ayant été utilisée à l'émission; par exemplesi pour une impulsion la ligne à retard de pente +K a été utilisée à l'émission, seul les impulsions écho provenant de cette impulsion ayant traversées la ligne à retard variable de pente -K seront transmises à l'ensemble de circuits de mesure 15. L'ensemble de circuit de mesure 15 va ainsi recevoir une suite d'impulsions dont la position temporelle par rapport à l'impulsion émise correspondante diffère de la position qui correspondrait a une vitesse radiale nulle de cette cible en fonction de la fré- quence Doppler fD présentée par les cibles et qui modifie le retard introduit par les lignes à retard variable. L'ensemble de circuits de mesure 15 permet de mesurer par rap- port à l'instant de référence la position temporelle respective de ces différentes impulsions et les apairer deux à deux de façon à calculer le retard correspondant à la distance et la fréquence Doppler correspondant à la vitesse des cibles détectées. Un traitement de levée d'ambiguité dans le cas de cibles multiples est effectué par l'ensemble de circuits de mesure 15. Les valeurs correctes de temps et de la fréquence Doppler associées à chaque cible sont ensuite disponibles pour l'exploitation sur une borne de sortie 16. La figure 3 représente un exemple de réalisation du système de détection électromagnétique applicable à un télémètre à laser. Le générateur d'ondes 4 comporte la source laser proprement dite 23, un circuit mélangeur 21 qui reçoit le faisceau laser et le signal électrique de modulation constitué par la sortie commune- des quatre lignes à retard variable 5, 6, 7 et 8 après amplifi- cation en 22. Le circuit 21 peut être du type modulateur acousto- optique, délivrant le faisceau modulé en 3. Le générateur d'im- pulsions 9 comporte un oscillateur 25 délivrant en permanence un signal alternatif à la fréquence f. L'oscillateur 25 alimente- les lignes à retard 6 à 8 à travers le circuit d'aiguillage 24 qui comporte des circuits portes logiques et/ou analogiques et un circuit de synchronisation pour commander ces circuits portes. La commande s'effectue de manière à appliquer le signal de l'os- cillateur 25 pendant la durée PC d'impulsion breve respectivement a l'entrée de chaque ligne 5, 6, 7, 8 à des instants successifs ti, ti + T, ti + To et Ti + To ±T, ti étant l'instant de référence d'une première période To considérée et ainsi de suite. Ainsi, la première paire de lignes 5 et 6 produit un premier couple d'impulsions longues lors d'une première période To et la deuxième paire de lignes 7 et 8 produit le deuxième couple d'im- pulsions longues lors de la période To-suivante. A la réception, le circuit 10 peut consister en un cristal mélangeur optique 26 recevant les échos laser à travers une optique réceptrice en 17 et une onde locale constituée par une fraction du faisceau laser émis de la source laser 23 et qui peut être réfléchie au moyen d'un miroir semi transparent. La sortie du circuit mélangeur 26 est connectée par l'intermédiaire d'un amplificateur 27 simultanément aux deux paires de lignes à retard variable 11-12 et 13-14 de pentes respectives K'et K'. L'ensemble de circuits de mesure 15 comporte un circuit d'aiguillage tel un circuit porte 28 permettant de commuter les paires de lignes à la cadence To de répétition en synchronisme avec l'émission. Cet interrupteur commandé 28 est suivi d'un circuit de détection d'enveloppe vidéo 29 et d'un circuit de mesure proprement dit 150. Celui-ci comporte un chronomètre.électronique ou circuit de comptage d'impulsions 30 et un multiplexeur 33. Le multiplexeur 33 est commandé à travers une bascule stable 32 dont le le temps de basculement est T. Le multiplexeur 33 est connecté en sortie à un circuit de calcul 36 par l'intermédiaire de deux circuits mémoires 34 et 35. Les circuits de synchronisation en 24 commandent: la commutation en 28 à la cadence To à chaque instant initial'tï d'émission d'un couple d'impulsions, là remise â zéro à ti du circuit compteur 30 et l'envoi d'un signal d'hor- loge pour effectuer un comptage d'impulsions et consécutivement une mesure de temps avec une précision désirée, et également à chaque instant t:j le basculement du circuit 32. L'interrupteur commandé 28 sélectionne ainsi à chaque période To une des deux paires de lignes à retard variable 11 et 12,ou 13 et 14, de pentes respectives +K et -K. ou +K' et -K'en synchro- nisme avec l'émission. Le circuit de détection 29 délivre le signal vidéo sous forme d'impulsions de durée -Z reformées par la com- pression. Le chronomètre électronique 30 transmet au multiplexeur dès réception d'une impulsion détectée par le circuit 29 un signal binaire correspondant au retard de cette impulsion écho par rapport à l'instant ti de référence correspondant à l'instant initial d'émission de la première impulsion du couple d'impulsions émis durant la période To considérée. Ces mots binaires, deux dans le cas d'une cible et quatre dans le cas de deux cibles, sont ap- pliqués au multiplexeur 33 qui les transfert pour stockage dans deux circuits mémoires 34 et 35. Les mots binaires sont stockés dans le premier circuit mémoire 34 pendant un temps T à partir de l'instant ti considéré. Après ce temps T la bascule astable 32 provoque le basculement du multiplexeur. 33 et le stockage des -10 mots binaires s'effectue alors dans le circuit mémoire 35 ceci jusqu'à l'émission du couple d'impulsions suivant. Le calculateur 36 sera de préférence constitué au moyen d'un microprocesseur avec ses circuits périphériques, il calcule les valeurs des retards stockés en binaire dans les circuits mémoires 34 et 35. La durée T séparant les impulsions d'un couple étant déterminée suffisament grande en fonction de la vitesse radiale maximale possible, il résulte des opérations de triage effectuées par le multiplexeur 33 que les temps correspondant aux échos de la première impulsion-de chaque couple d'impulsions émis se trouve stockés dans le circuit mémoire 34, et que les temps correspondant aux échos de la seconde impulsion de chaque couple d'impulsions émis sont stockés dans le circuit mémoire 35. Le calculateur 36 effectue l'apairage dés valeurs se trouvant dans les circuits mémoire 34 et 35 et calcule les temps et les fréquences Doppler correspondant à chaque couple de valeurs issues des circuits mémoire 34 et 35. Il effectue ensuite les comparaisons entre les différents couples de valeurs (to, fD) provenant des lignes à retard variable de pente K ou K', pour ne retenir que ceux donnant des couples identiques par passage dans les lignes à retard variable de valeur absolue de pente K ou K' selon le pro- cédé décrit plus haut à l'aide de la figure 1. De ce qui précède, il résulte que l'on peut remplacer la source laser 23 par une source hyperfréquence quelconque afin d'obtenir un radar Doppler. Les circuits 21 et 26 sont alors à adapter en fonction de la source choisie et de la transposition de fréquence retenue. Des aménagements et variantes de réalisation comprises dans le cadre de l'invention peuvent être apportés au système décrit. A titre d'exemple, le circuit interrupteur commandé 28 qui commute les paires de lignes à la réception peut être placé côté entrées des lignes en sorte que le signal en sortie du mélangeur 10 n'est appliqué qu'à la paire de lignes sélectionnée. Suivant un autre exemple, les moyens de commande du multiplexeur 33 peuvent être déterminés en sorte d'autoriser le transfert pendant une durée T il vers la mémoire 34 comme prévu, puis n'autoriser ensuite ce trans- fert vers la mémoire 35 que également pendant une durée limitée a T, le récepteur étant fermé pendant la durée To - 2T restante de la période considérée Il y a lieu de remarquer que le microprocesseur 36 est a même de synchroniser l'ensemble émetteur-récepteur et qu'on peut en ce sens considérer que les moyens de synchronisation peuvent se situer dans ce bloc. On a ainsi décrit un système de détection électromagnétique, plus particulièrement du type télémètre a laser permettant de détecter simultanément plusieurs cibles et de mesurer à la fois la, distance et la vitesse radiale de chaque cible. REVENDICATIONS 1. Système de détection électromagnétique à compression d'im- pulsions destiné notamment à réaliser un télémètre laser, compor- tant à l'émission,un générateur d'impulsions périodiques (9) con- necté à un générateur d'ondes électromagnétiques (4) à travers un filtre dispersif, et à la réception un mélangeur (10) alimenté par une onde locale issue du générateur d'ondes électro- magnétiques et qui est connecté à travers un filtre adapté à un circuit de détection (29) suivi d'un circuit de mesure (150), caractérisé en ce que le générateur d'impulsions délivre pério- diquement un couple d'impulsions, le filtre dispersif comporte au moinsdeux paires de lignes à retard variable avec la fréquence, le couple d'impulsions étant appliqué respectivement. aux lignes (5-6) d'une première paire et à la période d'émission suivante aux lignes(7-8) de la deuxième paire et ainsi de suite, le filtre adapté comporte les mêmes lignes (11-12, 13-14) utili- sées de manière conjuguée qu'à l'émission pour comprimer les échos reçus, le circuit de mesure (150) comporte en série des - moyens de comptage(30) de mémorisation (34-35) et de calcul (36) permettant de discriminer à la fois la distance et la fréquence Doppler de chaque cible détectée. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque paire de lignes à retard variable avec la fréquence est constitué de lignes de même pente (K) et de signe opposé, les valeurs de pentes (K, K') étant distinctes d'une paire à l'autre. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que la-valeur de pente est une constante pour chaque ligne de manière à produire une modulation linéaire en fréquence de l'impulsion incidente à l'émission et inversement, une démôdulation linéaire correspondante à la réception. 4. Système selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les impulsions d'un couple sont séparées par un intervalle de temps (T) supérieur à la durée (t) d'impul- sion, inférieur à la période (To) de répétition d'émission, et vérifiant la relation T>2KfDM o K représente la valeur de pente maximale et fDM la fréquence Doppler maximale envisageable pour les cibles détectées. 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 et dans lequel un oscillateur local produit un signal à la fré- quence f et est modulé pour fournir lesdits couples et impul- sions de duréertelle queSe.f>l, caractérisé en ce que le géné- rateur d'impulsions (9) comporte un premier circuit d'aiguillage(24) pour appliquer successivement une impulsion à chaque lignes de l'émetteur par permutation circulaire et cycliquement au cours de n périodesde répétition, n étant le nombre de paires de lignes utilisées, les sorties des lignes de l'émetteur étant regroupées pour constituer une sortie unique de modulation du générateur d'ondes électromagnétiques (4), et qu'un deuxième circuit d'ai- guillage (28) est inséré avec les lignes de réception entre la sortie du mélangeur (10) et le circuit de détection (29) en sorte de sélectionner une paire de lignes à la fois, le deuxième circuit d'aiguillage étant commandé en synchronisme avec l'émission pour connecter au cours de chaque période (To) la paire conjuguée de celle d'émission. 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit de mesure comporte un circuit de coXmptage binaire (30) connecté à travers un circuit multiplexeur (32-33) à deux circuits mémoires (34, 35), ces éléments étant commandés en sorte de stocker dans une première mémoire (34) les instants successifs de réception d'échos durant l'intervalle de temps (T) séparant l'instant initial d'émission de la première impulsion d'un couple de celui de la deuxième impulsion, et pour stocker dans la seconde mémoire les instants successifs de réception d'échos durant l'in- tervalle des temps suivant de même valeur. 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que les mémoires sont connectées à un circuit de calcul (36) du type micro- processeur qui calcule les distances et fréquences Doppler de chaque cible détectée et qui assure en outre la synchronisation de l'en- semble émetteur récepteur. 8. Système selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le générateur d'ondes électromagnétique (4) comporte un laser (23), un dispositif mélangeur (21) recevant le faisceau laser et un signal électrique de modulation cons- titué par la sortie commune des lignes de l'émetteur, et un dis- positif séparateur optique pour prélever une fraction du fais- ceau laser destiné à un mélangeur (26) du type à entrées optiques et sortie électrique utilisé à la réception. 9. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 appliqué à réaliser un télémètre laser à compression d'impulsions.