Brevet FR2489528A1 — publié le 19820305

La présente invention concerne un procédé et un appa- reil pour déterminer la position d'un objet dans un espace confiné. L'invention trouve une application particulière, mais non exclusive, dans la détermination du contenu d'un ré- servoir ou silo par la mesure de la position du sommet de ce contenu. On comprendra que le contenu peut être sous forme d'un solide particulaire ou d'un liquide. L'invention n'est cependant pas limitée à cette application et peut servir à d'autres fins comme, par exemple, pour déterminer la position d'un train dans un tunnel ou celle d'un intrus dans une pièce dans laquelle on maintient par surveillance un état de sécu- rité. L'invention fonctionne selon le principe bien connu du radar, consistant à projeter un faisceau de rayonnement à haute fréquence sur un objet, à recueillir le signal réfléchi et à analyser le retard de temps pour obtenir une détermina- tion de la position de l'objet. Un exemple de l'application de ce procédé pour mesurer le contenu d'un réservoir est décrit dans la demande de brevet britannique nO 2 020 507 A. L'application générale du principe du radar donne naissance à de nombreux problèmes en pratique, notamment ceux associés à des variations d'ouverture et à des composantes de fréquence lorsque la surface ou l'objet surveillé est conti- nuellement en déplacement. Par exemple, dans un réservoir qui a été alimenté en une matière particulaire ou liquide, il peut y avoir un étalement de matière à la surface, ce qui donne une surface irrégulière et qui varie constamment. Le radar peut également être brouillé par la chute d'une matière dans le trajet du faisceau. Des erreurs peuvent également être intro- duites par suite d'une réflexion constante provenant d'une saillie, comme un support, se trouvant dans le réservoir ou bien des ondes stationnaires peuvent soulever un problème dans tout système à micro-ondes reliant l'antenne du radar à la source des micro-ondes. La présente invention vise à proposer un procédé et un appareil perfectionnés permettant de réduire ces fausses indications et de donner une détermination de position plus précise que ce n'était possible jusqu'à présent. Selon le premier aspect de la présente invention, un procédé pour dé- terminer la position d'un objet dans un espace confiné com- porte les étapes consistant à émettre un signal haute fré- quence dans un espace, à rece%.oir au point d'émission du signal, ou près de ce point, une réflexion du signal à haute fréquence, à mélanger le signal reçu avec le signal émis pour obtenir un signal de battements; à diviser dans un cir- cuit de traitement le signal de battements en plusieurs seg- ments; à soumettre chaque segment à une transformation de Fourier rapide, à obtenir un spectre calculé des fréquences individuelles résultant de la transformation, à mémoriser ce spectre et à additionner plusieurs spectres successifs pour obtenir une indication de la position de l'objet dans l'espace. L'invention peut également comporter J'étape consis- tant à mémoriser un premier spectre de fréquences individuelles et à le comparer avec un spectre postérieur pour obtenir un test de validité des spectres postérieur et subséquents. Le nombre des segments surveillés pour obtenir l'indication est de préférence au moins égal à cinq, mais l'on comprendra que l'indication sera d'autant plus précise que le nombre de segments sera plus élevé. Cependant il faudra trouver un équilibre entre la vitesse à laquelle on obtient les spectres et la vitesse de déplacement de l'objet sur- veillé. De préférence, le signal mixte est soumis à une opé- ration de préamplification et de filtrage pour enlever de l'information reçue les renseignements erronés et pour ampli- fier les paramètres voulus. Selon un autre aspect de la présente invention, un appareil destiné à déterminer la position d'un objet dans un espace confiné comprend un générateur destiné à transmettre un signal haute fréquence à une antenne d'émission, un récepteur destiné à recevoir une réflexion du signal en provenance d'un objet se trouvant dans l'espace confiné, un dispositif de jonction destiné à combiner les signaux émis et reçu et un appareil de traitement destiné à segmenter une fréquence de battement, provenant du dispositif de jonction, et à la soumettre à une transformation rapide de Fourier pour addi- tionner plusieurs segments consécutifs d'information ainsi soumis à cette transformation et pour obtenir une indication du résultat de cette addition. L'appareil de traitement, ou processeur, peut donner l'indication sur un dispositif d'indication et d'affichage faisant partie intégrante du processeur ou éloigné de celui-ci. Un filtre peut être incorporé à l'appareil de traitement pour éliminer les signaux parasites envoyés au processeur. Il peut être avantageux d'inclure, entre le filtre et les éléments de traitement du processeur, un convertisseur analogique- numérique. Le processeur peut commodément être un micro- processeur. Pour permettre de comprendre facilement l'invention, un exemple non limitatif de l'appareil selon celle-ci et qui comporte la description du procédé de l'invention, sera maintenant présenté en référence aux quatre figures du dessin d'accompagnement sur lequel: la figure 1 est un schéma montrant la disposition générale de l'appareil, et les figures 2, 3 et 4 sont des diagrammes d'ondes expliquant le fonctionnement de l'appareil. On voit sur la figure 1 qu'un générateur de dents de scie 1 ainsi qu'une source de micro-ondes 2 constituent un émetteur de micro-ondes dont la fréquence centrale se situe dans la bande des fréquences super-hautes (SHS).La bande des ondes peut, dans certaines applications, être dans une bande à très haute fréquence (VHF) ou à ultra-haute fréquence (UHF). Cet émetteur transmet une onde électromagnétique à grande fréquence à un dispositif 3 de jonction. La partie princi- pale de l'onde est envoyée vers un réservoir vertical 4,dont le contenu est soumis à surveillance par observation de la position de la surface de ce contenu. Une antenne direction- nelle 5, typiquement de forme parabolique, est située au sommet ouvert du réservoir et envoie le rayonnement haute fréquence vers la surface de la matière 6 se trouvant dans le réservoir 4. L'énergie du faisceau est concentrée en une étroite largeur de faisceau pour garantir un trajet aussi dépourvu d'obstacles que possible. Une partie du faisceau constituant le signal est réfléchie par la surface de la matière 6 et revient àl'antenne 5 qui la réémet vers le dispo- sitif de jonction 3. De ce dispositif 3, l'onde réfléchie est transmise à un mélangeur 7 dans lequel elle est mélangée avec une partie de l'onde d'origine que l'on a laissé parvenir, à titre de signal de référence, dans le mélangeur 7. Le signal d'origine est indiqué sous sa forme ondulatoire sur la figure 2, o l'on peut voir que le signal a une forme générale triangulaire pré- sentant une déviation de fréquence AF et une période ou un temps de fréquence T. Le signal de sortie du mélangeur 7 est envoyé à un préamplificateur et filtre 8,qui alimente à son tour un convertisseur analogique-numérique 9 dont la sortie est reliée à un micro-processeur 10 comportant un dispositif d'affichage intégré. En service, le signal haute fréquence est constam- ment émis par l'antenne 5 vers la surface de la matière 6. Cette surface peut varier constamment à mesure que de la matière est retirée du bas du réservoir et y est introduite par le sommet de celui-ci. Le signal réfléchi peut donc chan- ger constamment aussi et, si l'on regarde la figure 3, on peut voir que le signal TX, émis par l'élément 5, est décalé par rapport au signal réfléchi RX reçu par cet élément. Cela donne naissance à la fréquence de battements fb' Cela est encore illustré sur la figure 4, dont les ordonnées montrent l'amplitude du signal de sortie du mélangeur, en fonction du temps indiqué en abscisses. La relation entre la fréquence de battements et la distance d séparant l'antenne de la surface peut être obte- nue à partir de l'équation 2 AF d b C T dans laquelle c désigne la vitesse de la lumière, soit 3 X 108 m/sec. Dans cet exemple, la fréquence de battements fb traverse la partie pré-amplification de 8, qui donne une répon- se en fréquence de 20 db/décade, pour permettre un réglage automatique de gain, et un filtre qui élimine les fréquences non voulues, comme celles dues à des ondes stationnaires. Le signal filtré et amplifié est ensuite rendu numérique par un convertisseur analogique-numérique 9 et est envoyé au micro- processeur 10. Dans le micro-processeur, un segment valable de données est choisi et soumis à une transformation rapide de Fourier. Cette transformation donne un spectre comparé de fréquences individuelles qui est ensuite introduit dans une mémoire du micro-processeur. Un segment séquentiel de données est ensuite choisi et traité de façon semblable. Deux spectres sont additionnés et le processus se répète jusqu'à ce que, dans cet exemple, cinq segments aient été analysés et que leurs spectres aient été additionnés. La position de la surface de la matière 6 est ensuite calculée à partir de la crête de fréquence des spectres additionnés,et cette position est sou- mise à un test de validité avant d'être présentée sur l'indi- cateur comme constituant la vraie position de la surface. Le test de validité sert à vérifier la position cal- culée de la surface, que l'on compare avec des positions antérieure calculées. Cela garantit qu'une indication fausse n'est pas donnée,si un groupe erroné de signaux a été introduit par un mouvement soudain de la matière dans le trajet du faisceau. En supposant que le test de validité ne donne pas une indica- tion négative sur la valeur de l'information, l'indicateur va donner une indication correcte de la position moyenne de l'objetet des signaux provenant d'une réflexion sur des structures permanentes se trouvant au sein du réservoir seront également éliminés. Dans le présent exemple, l'information est mise à jour toutes les dix secondes sur des segments d'information additionnés en lots de cinq. Dans d'autres installations et selon le temps de réponse des composants de l'appareil, l'affichage peut être mis à jour plus ou moins fréquemment. Par exemple, s'il faut connaître La position d'un train dans un tunnel, il peut s'avérer essentiel que la mise à jour s'effectue seconde par seconde. L'invention permet de surveiller constamment la position d'un objet, comme la surface d'une matière dans un réservoir, et l'invention permet d'appliquer rapidement les corrections et modifications nécessaires à n'importe quel dispositif d'ensemble dans lequel l'appareil est utilisé. Il va de soi que, sans sortir du cadre de l'inven- tion, de nombreuses modifications peuvent être apportées au procède et à l'appareil, décrits et représentés, pour déter- miner la position d'un objet dans un espace confiné. REVENDICATIONS 1. Procédé pour déterminer la position d'un objet dans un espace confiné, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à émettre un signal haute fréquence dans un S espace, à recevoir au point d'émission du signal ou au voisi- nage de ce point une réflexion du signal haute fréquence, à mélanger le signal reçu avec le signal émis pour obtenir un signal de battements, à diviser dans un circuit de traitement le signal de battements en plusieurs segments, à soumettre chaque segment à une transformation rapide de Fourier, à obtenir un spectre calculé de fréquences individuelles résul- tant de la transformation, à mémoriser ce spectre, et à additionner plusieurs spectres consécutifs pour obtenir une indication de la position de l'objet dans l'espace. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape consistant à mémoriser un premier spectre de fréquences individuelles et à le comparer à un spectre postérieur pour obtenir un test de validité des spectres postérieur et subséquents. 3. Procédé selon l'une des revendications l-et 2, caractérisé en ce que le nombre des segments surveillés pour obtenir l'indication est au moins égal à cinq. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on soumet également le signal mixte à une opération de pré-amplification et de fil- trage pour enlever de l'information reçue les renseignements erronés et pour amplifier les paramètres voulus. 5. Appareil pour déterminer la position d'un objet dans un espace confiné, cet appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend un générateur (1) destiné à envoyer un signal haute fréquence à une antenne (5) d'émission, un élément récepteur (5) destiné à recevoir une réflexion du signal en provenance de l'objet (6) qui se trouve dans un espace confiné (4), un dispositif de jonction (3) destiné à combiner les signaux émis et reçus, et un appareil de traitement (7,8, 9,10) destiné à segmenter une fréquence de battements, prove- nant du dispositif de jonction (3), pour la soumettre à une transformation rapide de Fourier et à additionner plusieurs segments consécutifs d'information, soumis à cette transfor- mation, et obtenir une indication du résultat de cette addition. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'appareil de traitementou processeur, donne l'indica- tion sur des dispositifs d'indication ou d'affichage qui font partie intégrante du processeur (10) ou en sont éloignés. 7. Appareil selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que l'appareil de traitement comporte un filtre (8) destiné à enlever des signaux parasites envoyés au processeur (10). 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte, entre le filtre (8) et le processeur (10), un convertisseur analogique-numérique (9). 9. Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions 5 à 8, caractérisé en ce que le processeur (10) est un microprocesseur.