Brevet FR2479989A1 — publié le 19811009

L'invention, développée au Centre d'Etudes et de Recherches de Toulouse (CERT) Etablissement de 1'ORNERA, concerne un système radar de localisation d'objets enterrés, au moyen d'ondes électromagnétiques. Le repérage rapide et sans dommage d'objets enterrés pose des problèmes de sécurité pour les installations et/ou le personnel, notamment dans les installations d'alimentation en énergie, lorsqu'il s'agit de localiser des canalisations d'eau, de gaz ou des conduits de passage de câbles électriques et, aussi, dans le domaine militaire lorsqu'il s'agit de détecter des mines, notamment des mines antichars diélectriques indécelables par les dispositifs à détection magnétique connus. On a donc pensé à utiliser des moyens de sondage non destructifs faisant appel à des dispositifs de mesure à distance dans lesquels on explore le milieu au moyen d'ondes électromagnétiques et on analyse le spectre de fréquence des signaux d'eclrospeur localiser et identifier les corps étrangers. Dans certains dispositifs de localisation connus, on détermine la distance séparant un émetteur d'une cible en visant la cible au moyen d'un rayonnement d'ondes électromagnétiques modulées en fréquence et en comparant les fréquences des ondes modulées émises et celles des ondes reçues après réflexion sur la cible. La comparaison consiste à multiplier les signaux d'échos avec des signaux locaux délivrés par un oscillateur hétérodyne lié au signal d'émission pour obtenir un signal dont la fréquence de battement est proportionnelle à la distance séparant 1'émetteur de la cible. Si la cible est mobile, il est possible de réaliser une poursuite automatique en maintenant constante l'amplitude des signaux d'échos servant à la comparaison, par amplification automatique des signaux reçus. Les performances de ces dispositifs de mesure de distance sont cependant limitées du fait que les signaux émis illuminent une portion de l'espace et rencontrent souvent plusieurs cibles situées à des distances différentes. Les signaux reçus sont alors constitués par de nombreux signaux d'échos auxquels se superposent des signaux parasites dus à des réflexions multiples sur des obstacles. Il s'ensuit un masquage des signaux utiles par des échos parasites de grande amplitude qui interdit une poursuite de la cible par amplification automatique du signal reçu. Pour remédier à cet inconvénient on a déjà proposé dans le brevet français nO 2 260 804 de séparer les échos en groupes et de produire un effet de loupe sur les groupes d'échos sélectionnés en explorant au moyen d'un filtre très sélectif une fenêtre d'analyse de fréquence de largeur choisie centrée sur une fréquence d'observation déterminée. Le cadrage de la fenêtre d'analyse sur la fréquence d'observation s'obtient par décalage de la fréquence de battement en agissant, à ltémission, sur les paramètres de modulation (fréquence de modulation, excursion de fréquence) ou en modulant, à a réception, le signal écho par une tranche choisie du spectre de fréquence du signal d'émission. Ce procédé de cadrage de la fenêtre d'analyse de fréquence,pour effacer les échos indésirables et mieux localiser la cible, convient lorsque la fenêtre de distance à observer, ou sa loi d'évolution au cours du temps, est connue Mais l'effacement des échos indésirables est très difficile dans le cas où la fenêtre de distance ou sa loi d'évolution au cours du temps est inconnue, comme c'est le cas lorsqu'il s'agit de localiser des objets enterrés en mettant en oeuvre un radar monté sur un véhicule se déplaçant sur un terrain accidenté. En effet, les irrégularités du sol font varier dans des limites importantes le rapport des distances émetteur-sol-cible et impliquent des déplacements très rapides (ou cadrage) de la fenêtre d'analyse en fréquence. En outre, le caractère aléatoire des variations du spectre de fréquence qui en résulte. rend très difficile, en pratique, une poursuite automatique du cadrage. L'invention pallie cet inconvénient et vise un dispositif et un procédé de localisation dans lequel le cadrage automatique de la fenêtre d'analyse en fréquence est adapté à la localisation d'objets enterrés quelles que soient les variations de distance entre le radar et le sol. L'invention procure donc des moyens d'analyser une fenêtre de fréquence de largeur constante calée sur une fréquence asservie aux variations de la distance émetteur-sol. Elle comporte des moyens de décaler le spectre de fréquence des signaux d'échos de manière à obtenir une fréquence nulle pour le sol et diriger sur l'analyseur de fréquence seulement le spectre de fréquence des échos provenant des objets enfouis. L'invention pour la localisation d'objets enterrés met en oeuvre un radar comprenant un émetteur d'ondes hyperfréquences modulées en fréquence et un récepteur de signaux d'échos comportant des: moyens d'engendrer un signal de battement entre les signaux émis-et les signaux d'échos, des moyens d'analyser une partie choisie du spectre de fréquence du signal de battement dans lesquels un premier ensemble de filtrage comprenant une série de N filtres contigus à bande étroite ils f et de largeur de bande identique reçoit le signal de battement par l'intermédiaire d'un changeur de fréquence et elle est caractérisée en ce que le changeur de fréquence comprend des moyens de multiplier ledit signal de battement par un signal sinuscidal dont la fréquence représente la distance séparant l'émetteur du sol. Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, le radar comprend des moyens pour commander la variation de fréquence du signal sinusoïdal suivant une loi analogue à celle des variations de la distance séparant l'émetteur du sol. Le procédé selon l'invention pour la localisation à distance par radar d'un corps par rapport à une surface de référence est caractérisé en ce qu'on multiplie le signal de battement des signaux émis et des signaux d'échos reçus par un signal sinusoïdal dont la fréquence dépend de la distance séparant l'émetteur de ladite surface et en ce qu'on analyse ensuite le spectre de fréquence du signal résultant de la multiplication pour en déduire la distance cherchée. On se réfère maintenant aux figures qui illustrent fig. 1 : un dispositif radar à modulation de fréquence pour la localisa tion d'objets enfouis, fig. 2 : le spectre de fréquence des signaux après traitement dans le récepteur radar, fig. 3 : un récepteur radar comportant le perfectionnement selon l'inven tion, fig. 4 : une forme de réalisation préférentielle du perfectionnement selon l'invention, fig. 5 : une variante de réalisation de ce perfectionnement. Un système radar embarqué sur un véhicule tout-terrain comprend (fig. 1) une antenne 1 dirigée vers le sol 2 et émettant un signal hyperfréquence 3 engendré par un oscillateur 4 et modulé en fréquence au moyen d'un générateur basse fréquence 5. Une partie 6 du signal 3 est réfléchie par la surface du sol 2 en direction de l'antenne de réception 9 tandis que l'autre partie 7 y pénètre et est réfléchie par une mine antichar 8, puis capté par l'antenne 9 du récepteur radar lo. Le récepteur radar comprend des moyens, non représentés sur la figure, pour engendrer avec les signaux délivrés par ltoscillateur-4 un premier signal de battement dont la fréquence représente la distance émetteur-sol et un deuxième signal de battement de fréquence plus élevée,mais d'amplitude plus petite, représentant la distance émetteur-mine. La figure 2 montre deux spectres de fréquence des signaux de battement relatifs à un objet disposé à 30 cm de profondeur de la surface du sol, la distance entre l'antenne d'émission et le sol variant en fonction de l'état de surface du terrain entre 1 m (trait plein) et 1,5 m (trait mixte). Les raies 11 et 11' relatives aux échos en provenance du sol ont, à cause de la différence de conductibilité des milieux de propagation, une amplitude supérieure à celle des raies 12 et 12' relatives aux échos engendrés par l'objet enterré. En outre, elles correspondent aux fréquences les plus basses.Les autres raies représentent le spectre de fréquence engendré par les signaux parasites dus aux néflexiens multiples 'une part, et à la surmodulation due au générateur 5, d'autre part. Le récepteur radar comprend (fig. 3) un mélangeur 19 recevant sur une première entrée 191 les signaux d'échos reçus successivement du sol et de l'objet enfoui et sur sa seconde entrée 192, le signal délivré par l'oscillateur local 4 (fig. 1). Le mélangeur engendre un signal dont le battement inférieur de fréquence contient les informations de distance émetteur-sol et émetteur-objet. Ce signal de battement est appliqué à l'entrée d'un analyseur de spectre 20 qui comprend un changeur de fréquence 21 et un premier ensemble de filtrage 22 comportant N filtres contigus à bande passante identique Q f.Le changeur de fréquence 21 comprend, d'une part, un second ensemble de filtrage 211 comportant n filtres contigus 211$, 2112...2.11 de bande passante N f et, d'autre part, un générateur de signaux sinusoidaux 212 de fréquence variable commandé au moyen des signaux délivrés par l'ensemble de filtrage 211. La sortie du générateur est appliquée à l'entrée d'un organe de multiplication 213 qui reçoit, en outre, le signal de battement délivré par le mélangeur 19. Les sorties de l'analyseur de spectre 20 sont appliquées à l'entrée d'un dispositif de visualisation 23, par exemple un oscilloscope, dont le balayage est synchronisé sur le signal basse fréquence délivré par le générateur 5 (fig. 1). Dans une forme de réalisation préférentielle du changeur de fréquence 21 (fig. 4) l'ensemble de filtrage 211 comprend 10 filtres contigus de bande passante 1,8 kHz couvrant la bande de fréquence 0 - 18 kHz et comportant chacun un amplificateur 24 suivi d'un réseau de filtrage 25 relié à un détecteur quadratique 26. Le détecteur 26 comprend une diode 261 disposée dans le circuit de contre-réaction d'un amplificateur différentiel 262 qui reçoit sur une autre entrée un signal ajustable au moyen d'un potentiomètre 263 alimenté par une source de tension continue. Le condcnsateur 264 connecté à la masse électrique élimine les composantes alternatives résiduelles. On règle le filtre au moyen du potentiomètre 263, pour qu'il délivre un signal uniquement lorsque la raie spectrale correspondant à l'écho engendré par le sol est comprise dans la bande passante dudit filtre.Les sorties de l'ensemble de filtrage 211 sont ensuite appliquées respectivement aux entrées d'un générateur de signaux sinusoidaux 212 qui comprend un amplificateur opérationnel 28 et un oscillateur 29 du type V.C.O. Sur les entrées de l'amplificateur 28 sont inserrées des résistances 280, 281... 289 de valeurs choisies pour obtenir à la sortie du V.C.0. un signal sinusoidal dont la fréquence varie comme la fréquence du signal de battement correspondant à l'écho sol. Ce signal, qui représente la distance émetteur-soX eS2ensuite appliqué à l'entrée du multiplieur 213 (fig. 3). En variante, le changeur de fréquence comprend un générateur de signaux sinusoidaux 212 comportant (fig. 5) des oscillateurs 30, 31, 32.. 39 dont les entrées sont respectivement reliées aux sorties des filtres de l'ensemble de filtrage 211 et qui sont mis successivement en service, les sorties des oscillateurs étant reliées aux entrées d'un additionneur analogique 40. Les oscillateurs sont réglés pour délivrer chacun un signal sinu soidal dont la fréquence correspond à la fréquence de coupure inférieure du filtre auquel il est relié. La bande passante et le nombre de filtres de l'ensemble de filtrage 22 dépendent respectivement de la précision et de la résolution en distance souhaitées ainsi que de la profondeur de terrain explorée. A titre d'exemple, un radar émettant un signal hyperfréquencesde 2 à 4 GHz modulé par un signal triangulaire de période 20 ms permet de localiser jusqu a une profondeur de 0,5 m avec une résolution de 2,5 cm un corps enfoui dans un sol humide de rigidité diélectrique 9 où les ondes se propagent à la vitesse de 101 m/s en utilisant N = 20 filtres de 100 Hz de bande passante. REVENDICATIONS 1 - Radar de localisation d'objets enterrés, tels que des canalisations ou des mines diélectriques, comprenant un émetteur d'ondes hyperfréquences modulées en fréquence et un récepteur de signaux d'échos qui comporte des moyens d'engendrer un signal de battement entre les signaux émis et les signaux d'échos, des moyens d'analyser une partie du spectre de fréquence du signal de battement dans lesquels un premier ensemble de filtrage comprenant une série de N filtres contigus, à bande passante étroite A f et de largeur de bande identique, reçoit le signal de battement par l'intermédiaire d'un changeur de fréquence,caractérisé en ce que le changeur de fréquence comprend des moyens de multiplier ledit signal de battement par un signal sinusoidal dont la fréquence représente la distance séparant l'émetteur du sol. 2 - Radar selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'asservissement pour modifier la fréquence du signal sinusofdal en fonction- des variations de distance séparant l'émetteur du sol. 3 - Radar selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de multiplier le signal de battement par un signal sinusoidal comprennent un deuxième ensemble de filtrage comportant n filtres contigus de largeur de bande égale N tf dont la sortie est reliée à l'entrée de commande d'un générateur de signaux sinu sotdaux connecté à une entrée d'un multiplieur analogique dont l'autre entrée reçoit le signal de battement. 4 - Radar selon la revendication 3, caractérisé en ce que le générateur de signaux sinusoidaux comprend un amplificateur connecté à la sortie du deuxième ensemble de filtrage et relié à l'entrée de commande de fréquence d'un oscillateur à fréquence variable. 5 - Radar selon la revendication 3, caractérisé en ce que le générateur de signaux sinusordaux comprend une série d'oscillateurs, chaque oscillateur étant relié à la sortie d'un filtre du second ensemble de filtrage, la fréquence des signaux délivrés par chacun des oscillateurs étant égale à la fréquence de coupure inférieure du filtre associé et les sorties des oscillateurs étant appliquées à l'entrée du multiplieur analogique. 6 - Radar selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que chacun des filtres du deuxième ensemble de filtrage comprend un dispositif à seuil suivi d'un détecteur quadratique. 7 - Procédé de localisation à distance par radar d'objets enterrés dans lequel on sonde le sol au moyen d'un signal modulé en fréquence délivré par un émetteur radar, on recueille les signaux d'échos réfléchis, on multiplie les signaux d'échos avec les signaux émis pour engendrer un signal de battement, caractérisé en ce que l'on multiplie le signal de battement par un signal sinusoidal dont la fréquence dépend de la distance séparant le radar du sol et en ce que l'on analyse ensuite le spectre de fréquence du signal résultant pour en déduire la distance séparant les objets de la surface du sol.