Brevet FR2471584A1 — publié le 19810619

PROCEDE ET DISPOSITIF D'ENREGISTREMENT DE SIGNAUX RECURRENTS La présente invention se situe dans le domaine de l'enregistrement de signaux électriques, plus particulièrement de signaux récurrents brefs par rapport à leur période de récurrence, du genre de ceux que l'on rencontre dans le domaine de l'inspection de matériaux ou dé milieux par la technique des impulsions, sondage ultrasonore, radar, etc ... I1 arrive fréquemment que l'on désire faire un enregistrement d'une série de tels signaux afin de les relire et les exploiter, les interpréter par exemple, à un autre moment ou en un autre lieu. On peut citer à titre d'exemple de cette situation, des relevés sur site industriel d'inspection par ultrasons de matériaux ou de pièces, des relevés de sondage du type SONAR ou des examens médicaux par ultrasons. Or, dans les techniques citées, le spectre des signaux à enregistrer contient généralement des fréquences élevées, pouvant atteindre plusieurs mégacycles et l'enregistrement direct de ces signaux, sur support magnétique par exemple, nécessiterait des appareils à très large bande passante, très coûteux et dont on ne dispose pas toujours.De plus, de tels appareils sont lourds et encombrants et il serait préférable de pouvoir utiliser des enregistreurs plus faciles à manier. La presente invention vise à permettre l'enregistrement et l'exploita- tion ultérieure de ce genre de signaux, au moyen d'enregistreurs de genre quelconque, dont la bande passante est insuffisante pour leur enregistrement direct. A cet effet, la présente invention a pour objet un procédé et un dispositif pour l'enregistrement de signaux récurrents dont la durée utile est plus courte que la période de récurrence, sur un enregistreur dont la bande passante ne contient pas tout le spectre des fréquences utiles des signaux. Le procédé est cara,ctérisé en ce qu'on analyse l'amplitude de chaque signal par échantillonnage pendant sa durée et on stocke les valeurs ainsi trouvées dans une mémoire intermédiaire avec une fréquence d'écriture compatible avec le spectre du signal, puis on relit immédiatement la mémoire avec une fréquence de lecture inférieure à la fréquence d'écriture pendant la durée restante de la période de récurrence et on enregistre les valeurs lues, de façon que la relecture et la remise à l'état d'écriture de la mémoire soient effectuées avant le début du signal suivant. Le dispositif est essentiellement caractérisé par l'association en combinaison des éléments suivants - un circuit d'échantillonnage à n seuils qui reçoit le signal à enregistrer et en fournit une image numérique instantanée discriminée sur n niveaux ; - une première horloge numérique qui fournit un premier train d'impulsions pendant toute la durée du signal à une cadence suffisamment élevée pour l'analyse d'amplitude de ce signal - une deuxième horloge numérique qui fournit un deuxième train d'impulsions pendant le temps disponible entre deux signaux successifs, à une cadence plus lente compatible avec la bande passante de l'enregistreur utilisé - une mémoire numérique effaçable qui reçoit l'image numérique du signal pendant sa durée à la cadence du premier train d'impulsions et qui la restitue ensuite à la cadence du deuxième train d'impulsions - un système de bascules pour commander la mémoire en position d'écriture sous l'influence du premier train d'impulsions et en position de lecture sous l'influence du deuxième train d'impulsions - un circuit de remise à zéro de l'ensemble du dispositif après lecture de la mémoire et avant le début du signal suivant, en synchronisme avec la récurrence des signaux enregistrés ; et - un circuit de restitution qui reçoit l'image numérique lue dans lamémoire et la transforme en un signal de sortie de forme analogue à celle du signal à enregistrer, mais de durée plus longue. D'autres particularités, caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture des explications qui sont données ci-après et des exemples de mise en oeuvre décrits. L'invention met à profit les caractéristiques particulières généralement présentées par les trains de signaux que l'on rencontre habituellement dans les techniques de sondage, d'exploration ou de détection par impulsions, que ce soit par transmission à travers le milieu observé ou par réflexion sur ses discontinuités. Il s'agit habituellement de signaux récurrents dont la durée utile est brève par rapport à la période de récurrence. En inspection ultrasonore de matériaux par la technique des échos, des fréquences de répétition (de récurrence) de 100 à 1 000 par seconde sont courantes, alors que les échos utiles ont souvent des durées de l'ordre de quelques microsecondes. On met donc à profit chaque temps mort qui sépare deux signaux utiles successifs pour changer l'échelle de temps du signal le plus récent. Dans ce qui suit, on désignera par "échogramme" un signal du genre de celui dont on vient de parler, qu'il soit obtenu par la technique des échos (en réflexion) ou en transmission. Le procédé de l'invention consiste donc à faire une analyse du signal par discrimination d'amplitude à plusieurs niveaux, c'est-à-dire à lui faire correspondre une image numérique qui le décrit avec une précision d'autant plus grande que la fréquence d'échantillonnage et le nombre n de niveaux sont plus élevés. Cette image est stockée dans une memoire numérique au fur et à mesure de sa constitution et restituée ensuite à cadence plus grande que la fréquence d'échantillonnage et le nombre n de niveaux sont plus élevés. Cette image est stockée dans une mémoire numérique au fur et à mesure de sa constitution et restituée ensuite à cadence plus lente pendant le temps mort entre le signal mis en mémoire et le suivant.Les circuits électroniques intégrés disponibles maintenant permettent sans problème des vitesses d'échantillonnage et d'écriture en mémoire convenables sous un volume et un poids très faibles. Lors de la lecture de la mémoire, un circuit de restitution classique transforme l'image numérique en un signal analogique dont la forme, à l'é- chelle de temps près, est d'autant plus proche de celle du signal analysé que 1 image est plus précise, c' est-à-dire, comme indiqué plus haut, que la fréquence d'échantillonnage et le nombre n de niveaux sont plus élevés. On peut utiliser pour l'échantillonnage et la restitu'tion des codeurs analogique/numérique et numérique/analogique bien connus, dont les performances peuvent être très élevées, utilisés en liaison avec une mémoire de grande capacité. On obtiendra ainsi des signaux de sortie très proches des signaux reçus. Dans la pratique, il est cependant dés cas où une telle précision n'est pas indispensable. En inspection ultrasonore de pièces mécaniques, par exemple, la présence meme d'un écho et son amplitude maximale sont plus importantes que sa forme pour l'interprétation des résultats. Il est alors possible de simplifier l'image numérique en se contentant d'une fréquence d'échantillonnage et d'un nombre de niveaux modestes, conduisant à une capacité de mémoire elle-même modeste. On a pu obtenir ainsi des signaux de sortie tout à fait interprétables en utilisant le dispositif décrit plus loin, qui ne comportait que quatre niveaux d'échan- tillonnage et une mémoire de 1 024 positions à 4 bits. On va maintenant décrire, à titre d'exemple non limitatif, une forme de mise en oeuvre de l'invention et différentes variantes possibles, en se référant aux planches de dessins annexées, dans lesquelles - la figure 1 montre la répartition dans le temps des différents signaux importants pour le fonctionnement de l'invention ; - la figure 2 est un schéma fonctionnel d'une forme de réalisation du dispositif selon l'invention ; et - la figure 3 est un schéma plus détaillé du système de commande du dispositif de la figure 2. L'exemple décrit concerne le sondage par ultrasons, par la technique connue des échos, d'un produit métallique comme un bloom ou une brame d'acier, au moyen d'un instrument non décrit et non représenté, bien connu de l'homme de l'art dans le domaine considéré. Un instrument de ce genre comporte notamment un traducteur électro-mécanique, généralement piézo-élec- trique, qui reçoit une impulsion d'énergie électrique à fréquence élevée qu'il convertit en une vibration mécanique transmise à la pièce à sonder. Les échos provoqués par la réflexion de cette vibration sur les discontinuités qu'elle rencontre sur son trajet (face d'entrée du produit, défauts éventuels, face de sortie du produit) reviennent sur le traducteur, qui les transforme en un signal électrique. La succession de ces différents signaux constitue l'échogramme dont il est question dans ce qui suit. Sur la figure 1, on a représenté de façon simplifiée les parties les plus intéressantes d'un tel échogramme. A la ligne A est montrée l'impulsion récurrente de déclenchement, ou de synchronisation, de l'instrument de sondage ultrasonore utilisé.En effet, s'agissant d'un système récurrent, il y a toujours au départ, de façon connue, une impulsion pilote dont la fréquence de répétition fixe la période de récurrence de l'ensemble du système et qui sert de point de départ, à chaque cycle de la récurrence, au déclenchement et à la synchronisation des différentes parties de ce système. Cette impulsion déclenche donc l'émission du signal ultrasonore de sondage, que l'on a représenté à la ligne B de façon simplifiée par enveloppe de la valeur absolue de son amplitude, comme cela est habituel, bien qu'il s'agisse en réalité d'un train d'onde haute-fréquence amortie, de fréquence I MHz.Le traducteur ultrasonore étant acoustiquement couplé avec la pièce en cours de sondage par une colonne d'eau, les échos utiles ne reviennent au traducteur qu' après un délai qui représente le temps de parcours aller et retour de la vibration ultrasonore dans cette colonne d'eau ; ce délai, voisin de 300 microsecondes (300 ps) est représenté par le rectangle de la ligne C. Les échos utiles arrivent ensuite. Pour une épaisseur de métal de 250 mm, ils sont contenus dans une fenetre d'environ 100 us représentée en D. Si la fréquence de récurrence est de 500 Hz, la période est de 2 000 us et il reste largement un temps de 1 500 us, compte tenu des remises à zéro nécessaires, pour étaler les signaux contenus dans la fenêtre utile D. La ligne E montre les signaux ainsi étalés. Il faut noter que, pour la lisibilité de la figure , l'échelle des temps n'est pas respectée, la durée des signaux étant exagérée par rapport à la-période de récurrence. La figure 2 montre le schéma fonctionnel du dispositif tel qu'il a été réalisé. Le coeur en est constitué par l'ensemble représenté dans le rectangle supérieur, qui comprend un discriminateur d'amplitude I à n niveaux, une mémoire numérique 2 et un circuit de restitution 3. La capacité nécessaire de la mémoire dépend du nombre n de niveaux et de la fréquence d'échantillonnage ; ce point sera expliqué plus loin plus en détails à l'aide des deux variantes qui ont été réalisées. La commande des fonctions "écriture" et "lecture" de la mémoire 2 en synchronisation avec les signaux est réalisée par le système représenté dans le rectangle inférieur de la figure 2, dont le fonctionnement est le suivant. Un sélecteur écriture/lecture 4, décrit plus en détails plus loin, met la mémoire 2 soit en position d'écriture, soit en position de lecture. La cadence d'écriture est commandée par une première horloge numérique 5 qui délivre des impulsions à la fréquence de 10,24 MHz, tandis que la cadence de lecture est commandée par une seconde horloge numérique 6 à une fréquence 10 fois plus faible. Ces horloges sont connectées au circuit d'adressage 7 de la mémoire 2 pendant les temps convenables par un sélecteur d'horloge 8 composé de circuits logiques classiques, lui-meme commandé par le sélecteur écriture/lecture 4. Le sélecteur 4 est déclenché à chaque cycle de récurrence par l'impulsion de synchronisation en provenance de l'instrument de sondage ultrasonore (ligne A, figure 1 retardée d'un temps égal au délai de la ligne C par un circuit de retardement réglable 9. La mémoire 2 est composée de quatre registres dits RAM statiques de 1 024 positions à 1 bit, disposés en parallèle.Des registres de 1 024 positions à 4 bits, dont un seul aurait suffi en capacité, ne possédaient pas une rapidité suffisante pour fonctionner à 10,24 MHz au moment de la réalisation. Le circuit d'adressage 7 est constitué de façon tout-à-fait classique par un compteur à 1 024 positions (10 bits). Le sélecteur écriture/lecture 4 possède 3 positions d'équilibre : une position repos, une position écriture et une position lecture. Le cycle de fonctionnement est décrit ci-après. En position d'attente initiale (repos), le sélecteur 4 maintient le sélecteur d'horloge 8 en position d'écriture (horloge 10,24 MHz), mais il bloque le compteur d'adressage 7 sur sa position 1, pret à démarrer, par une liaison 10. La mémoire 2 est conditionnée en position d'écriture à chaque impulsion de l'horloge d'écriture 5 par une liaison 11 (en fait, les quatre registres de 1 024 positions reçoivent simultanément ces impulsions). A l'arrivée de l'impulsion de synchronisation, retardée par 9, le fonctionnement du compteur 7 est libéré et les valeurs indiquées par le discriminateur d'amplitude 1 s'inscrivent dans la mémoire. Lorsque le compteur 7 a fait un tour complet et que les 1 024 positions de la mémoire ont été remplies, il envoie, par une connexion 12, une impulsion de débor dement au sélecteur 4, qui bascule en position lecture et qui conditionne la mémoire pour la lecture,par parune connexion 13. Ce sont alors les impul- sions à 1,024 MHz de l'horloge 6 qui parviennent au compteur d'adressage 7. Ce dernier commande la lecture des 1 024 positions de mémoire à une cadence dix fois plus faible que l'écriture. Le circuit de restitution 3 reçoit les valeurs mises en mémoire et reconstitue la forme du signal. Cette phase dure donc 1 000 ps. Lorsque le compteur 7 a fait un nouveau tour complet, il envoie une nouvelle impulsion de débordement au sélecteur 4 qui repasse en position repos et tout s'arrête jusqu a l'arrivée de l'impulsion de synchronisation suivante. Il y a lieu de remarquer qu'il n est nul besoin de circuit de remise à zéro. En effet, si, à la mise sous tension du dispositif, les circuits ne se positionnent pas d'eux-mêmes en position de repos, ils s'y trouvent automatiquement dès le cycle suivant. Les mémoires RAM statiques ne nécessitent pas non plus de remise à zéro puisque chaque valeur enregistrée efface la précédente. Le signal de sortie reconstitué, dix fois plus lent que le signal d'entrée, ne contient que des composantes de fréquences dix fois plus faibles ; c' est-à-dire qu'un enregistreur ayant une bande passante s'étendant jusqu'à 100 KHz ou peu au-delà, peut être utilisé, pour un signal d'origine s'étendant jusqu'à 1 MHz. Bien entendu, un autre rapport que celui choisi ici entre les fréquences des deux horloges, s il est permis par le temps disponible pour la lecture, permet d'opérer des réductions de fréquences encore plus poussées. La structure et le fonctionnement détaillés des sélecteurs 4 et 8 vont être expliqués maintenant à l'aide de la figure 3, sur laquelle on retrouve l'ensemble contenu dans le rectangle inférieur de la figure 2. Les sélecteurs 4 et 8 sont agrandis et on a fait figurer les organes qui les composent et leurs liaisons. Le sélecteur écriture/lecture 4, qui possède trois états d'équilibre, comprend essentiellement deux bascules bistables 14 et 15. Il comporte en outre une bascule monostable 16 qui sert, comme expliqué plus loin, pour la remise à zéro séquentielle des bascules et une porte "OU" 17 pour la commande de blocage du compteur d'adressage 7. Le sélecteur d'horloge 8 est composé d'un ensemble de portes 18, 19, 20 et 21 commandé par la bascule 14. Un circuit de retard 22, inséré dans la liaison 11, permet, de façon très classique, d'assurer que l'impulsion de commande d'écriture n1 arrive pas à la mémoire avant que le compteur d'adressage ne soit complètement positionné sur l'adresse convenable. Les deux portes "ET" 18 et 19 ne peuvent pas être passantes simultané ment pour les signaux d'horloge. En effet, elles sont commandées par les sorties complémentaires Q et Q de la bascule 14. Lorsque cette dernière est en position "0", la porte 18 est passante et les signaux de l'horloge écriture sont transmis simultanément sur le compteur d'adressage 7 et sur la commande d'écriture de la mémoire (par le circuit de retard 22). Lorsque la bascule 14 est en position "1", c'est la porte 19 qui est passante et les impulsions de l'horloge lecture dont transmises au compteur d'adressage 7. Simultanément, la bascule 14 conditionne la mémoire en position de lecture par la connexion 13. On va maintenant décrire un cycle de fonctionnement complet. Dans l'explication qui suit, le temps initial (départ) est à l'appari- tion de l'impulsion de synchronisation (ligne A, figure 1). Cette impulsion fait basculer le circuit monostable de retard 9, qui provoque la mise à l'état "O" des deux bascules 14 et 15 par sa sortie Q et bloque simultanément le fonctionnement du compteur 7 par sa sortie Q et par l'intermédiaire de la porte 17 et de la liaison 10. La mémoire reçoit les impulsions de commande d'écriture par la liaison 11, mais l'adressage ne-tourne pas. Dès la fin du délai de 300 us (ligne C, figure 1), le circuit 9 retourne à l'état de repos. Les bascules 14 et 5 restent à l'état "O", mais le fonctionnement du compteur 7 est libéré.La mémoire enregistre les valeurs qui lui sont fournies par le discriminateur ] ( 024 valeurs en 00 pus). Lorsque le compteur 7 a fait un tour complet, l'impulsion de dépassement de capacité revient par 12 sur la bascule 14, qu'il fait passer à l'état "1", Les impulsions de l'horloge écriture sont stoppées. La mémoire est conditionnée en lecture par 13 et les impulsions de l'horloge lecture arrivent sur le compteur 7. L'impulsion de dépassement du compteur est restée sans action sur le monostable 16, car celui-ci était bloqué par la sortie Q de la bascule 14 par l'intermédiaire d'une liaison 23.Lorsque le compteur 7 a fait un deuxième tour complet, la lecture est terminée (1 024 valeurs en 1 000 ps) et l'impulsion de dépassement de capacité déclenche le monostable 16, qui envoie une impulsion sur la bascule 15, la faisant passer à son tour à l'état "1". Cette dernière bloque à nouveau le fonctionnement du compteur d'adressage 7. La bascule 14, déjà à l'état "1", n'est pas affectée par cette deuxième impulsion de dépassement de capacité du compteur. Tout reste en l'état jusqu'à l'arrivée de l'impulsion de synchronisation suivante et le cycle recommence. Deux variantes différentes du dispositif décrit ont été expérimentées par le demandeur. Dans la première variante, le discriminateur 1 et le circuit de restitution 3 étaient respectivement un codeur analogique/numerique BCD et un décodeur numérique/analogique à 4 bits. La discrimination d'amplitude se fait donc sur 16 niveaux (24) ; la finesse d'analyse du signal d'entrée et la restitution sont excellentes. Dans la seconde variante, simplifiée, le discriminateur 1 possède sim-plement quatre comparateurs connus à seuils étagés. Le nombre nde niveaux est égal à 4. Le circuit de restitution est un simple additionneur qui reproduit la forme approximative du signal en échelons. Cette version, moins coûteuse que la précédente, donne cependant des résultats satisfaisants lorsque la présence et l'amplitude des signaux sont plus importants que leur forme exacte pour leur interprétation. C'est souvent le cas en inspection par la méthode des échos. Il faut noter que, dans les deux variantes3 la capacité de la mémoire reste la même (1 024 positions, 4 bits), mais qu'elle est mieux exploitée au point de vue contenu informatif dans la première que dans la seconde. Pour la visualisation du message ainsi restitué par l'enregistreur magnétique, on utilise soit un oscilloscope cathodique, soit un enregistreur graphique continu. Dans le cas d'utilisation d'un oscilloscope, il est nécessaire de synchroniser son balayage horizontal, qu'il soit récurrent ou déclenché, avec la fréquence de récurrence à la lecture. Ceci est réalisé très simplement en enregistrant l'un des signaux, de préférence ici le signal de délai de la ligne C (figure 1), sur une deuxième piste de l'enregistreur magnétique. On utilise alors à la lecture de l'enregistreur, de façon très connue en soi, le front arrière de ce signal pour déclencher ou synchroniser le balayage de l'oscilloscope. Bien entendu, il n'y a aucune nécessité de cette sorte si l'on utilise un enregistreur graphique. Les possibilités d'adaptation en bande passante sont alors très grandes en relisant le message enregistré sur la bande magnétique à une vitesse inférieure à la vitesse utilisée à l'enregistrement. Par exemple, un enregistreur magnétique muni de la vitesse 76 cm/s a classiquement une bande passante de l'ordre de 150 KHz. Si on relit la bande à 4,75 cm/s, la bande passante nécessaire pour l'enregistreur graphique est ramenée à moins de 10 KHz, ce qui est très courant. Naturellement, bien d'autres variantes et moyens équivalents pourraient être mis en oeuvre pour obtenir des résultats équivalents, sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications ci-annexées. REVENDICATIONS 1. Procédé pour l'enregistrement de signaux récurrents dont la durée est courte par rapport à la période de recurrence, tels que des échogrammes de sondage de milieux par impulsions, sur un enregistreur dont la bande passante est inférieure au spectre utile des signaux, procédé caractérisé en ce qu'on analyse l'amplitude de chaque signal par échantillonnage pendant sa durée et on stocke les valeurs ainsi trouvées dans une mémoire intermédiaire avec une fréquence d'écriture compatible avec le spectre du signal, puis on relit immédiatement la mémoire avec une fréquence de lecture inferieure à la fréquence d'écriture pendant la durée restante de la période de récurrence et on enregistre les valeurs lues, de façon que la relecture et la remise a l'état d'écriture de la mémoire soient effectuées avant le debut du signal suivant. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce qu'on enregistre les valeurs lues dans la mémoire sur un support magnétique, puis on relit ce support magnétique à une vitesse plus faible et on enregistre à nouveau avec un enregistreur graphique continu. 3. Dispositif permettant d'enregistrer des signaux récurrents dont la durée est courte par rapport à la période de récurrence, sur un enregistreur dont la bande passante est insuffisante vis-a-vis du spectre des signaux à enregistrer, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison - un circuit d'échantillonnage 1 à n seuils qui reçoit le signal à enregistrer et en fournit une image numérique instantanée discriminée sur n niveaux - une première horloge numérique 5 qui fournit un premier train d'impulsions pendant toute la durée du signal à une cadence suffisamment élevée pour l'analyse d'amplitude de ce signal - une deuxieme horloge numérique 6 qui fournit un deuxième train d'impulsions pendant le temps disponible entre deux signaux successifs, à une cadence plus lente compatible avec la bande passante de l'enregistreur utilisé - une mémoire numérique effaçable 2 qui reçoit l'image numérique du signal pendant sa durée à la cadence du premier train d'impulsions et qui la restitue ensuite à la cadence du deuxième train d'impulsions - un systeme de bascules 8 pour commander la mémoire 2 en position d'écriture sous l'influence du premier train d'impulsions et en position de lecture sous l'influence du deuxième train d'impulsions ; - un circuit de remise à zéro 4 de l'ensemble du dispositif après lecture de la mémoire 2 et avant le début du signal suivant, en synchronisme avec la récurrence des signaux enregistrés ; et - un circuit de restitution 3 qui reçoit l'image numérique lue dans la mémoire 2 et la transforme en un signal de sortie de forme analogue à celle du signal à enregistrer, mais de durée plus longue. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit d'échantillonnage 1 à seuils est un convertisseur analogique/numérique et le circuit de restitution 3 est un convertisseur numérique/analogique. 5. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'il comprend, en combinaison avec le dispositif de la revendication 3 ou 4, un enregistreur magnétique comportant plusieurs vitesses de défilement et un enregistreur graphique continu.