Brevet FR2531542A1 — publié le 19840210

La présente invention concerne un circuit de traitement d'un signal Doppler. Les circuits de ce type sont utilisés dans les systèmes radar en vue de mesurer la vitesse de déplacement du mobile visé par le radar : en raison de l'effet Doppler, la fréquence de l'onde émise et celle de 18onde reçue ne sont pas identiques, et la fréquence de batte- ment résultante, ou fréquence Doppler du signal reçu, est une quantité directement proportionnelle S la vitesse du mobile. Dans certaines situations, le signal Doppler peut être considérablement perturbé et laisser apparaître des variations importantes d'amplitude, des rotations de phase , des disparitions soudaines du signal, C'est notamment le cas lorsque le radar est utilisé dans le domaine ferroviaire, pour surveiller la vitesse des wagons et, par exemple, commander les freins de voie dans les gares de triage ç les chocs subis par les wagons, les vibrations, .... rendent très erratique l'allure du signal Doppler reçu en retour par le radar. il est ainsi parfois très difficile de retrouver l'information de vitesse parmi un signal brouillé de façon imprévisible, ce qui peut amener a commander des actions prématurément ou a tort, en raison de cette sensibilité aux parasites. Une situation comparable est celle de la mesure de la vitesse d'approche des avions o l'effet de miroir de la piste provoque, de manière aléatoire, des évanouissements du signal Doppler qui empêchent une mesure précise et continue de cette vitesse par un radar Doppler embarqué. La présente invention propose un circuit qui remédie à ces inconvénients, en permettant de reconnartre le signal Doppler et de filtrer efficacement-les signaux parasites, même dans le cas d'un environnement très perturbé. Grâce à cette insensibilité accrue aux parasites de toutes sortes, l'invention autorise l'emploi de circuits hyperfréquence moins performants (puissance de l'émetteur, dimensions de l'antenne), donc plus économiques et plus compacts. A cette fin, le circuit selon l'invention comporte : des moyens intégrateurs pour déterminer la valeur moyenne, avec une constante de temps donnée, de la fréquence Doppler du signal reçu ; des moyens comparateurs de cette valeur moyenne à la valeur instantanée de la fréquence Doppler du signal reçu, aptes à délivrer un signal de validation lorsque cette valeur instantanée de fréquence est comprise dans une bande de fréquence de largeur donnée et centrée sur la valeur moyenne déterminée par les moyens intégrateurs; des moyens commutateurs, coopérant avec les moyens comparateurs, pour transmettre un signal Doppler de sortie lorsque le signal de validation est délivré par les moyens comparateurs. De cette manière, on peut opérer en deux étapes : on cherche d'abord, lorsqu'un signal apparaît à l'entrée, à reconnaStre si celui-ci peut être pris en compte, en vérifiant la conformité du signal reçu avec un signal "reconstruit" à partir d'une moyenne du signal d'entrée calculé sur une certaine constante de temps. Si l'erreur est inférieure à une limite donnée, on autorise alors la transmission du signal reçu vers la sortie. Le signal transmis vers la sortie est de préférence dérivé de la valeur moyenne du signal reçu, de manière à éliminer les variations instantanées de la fréquence Doppler, par exemple dues aux rotations de phase Selon une autre caractéristique de l'invention, le signal Doppler reçu est filtré par un filtre suiveur à bande étroite dont la fréquence centrale est asservie au signal Doppler de sortie. Ce filtrage ngest effectué que lorsque le signal de validation est délivré par les moyens comparateurs, pour que l'étapepréalable de reconnaissance du signal Doppler soit effectue avec le signal reçu tel quel en entrée du circuit. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaItront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels la figure 1 est un schéma synoptique du circuit selon l'invention, les figures 2a à 2d montrent les limitations successives de bande passante réalisées par les différents organes du circuit, la figure 3 montre un détail du circuit inté- grateur. Sur la figure 1 sont représentés les différents circuits micro-ondes et de traitement du signal Doppler. La partie micro-ondes est classique. La source émettrice 1 est constituée, par exemple, par une cavité résonnante sur guide d'ondes excitée par une diode Gunn. L'énergie émise est dirigée sur un duplexeur 2, en direction de l'antenne 4, par l'intermédiaire d'un filtre micro-ondes 3 qui élimine en particulierl9harmonique 2 de la fréquence porteuse avec une atténuation importante. L'énergie incidente reçue renvoyée par le mobile placé dans le champ du radar est recueillie par la même antenne 4 et dirigée, par le filtre 3 ét le duplexeur 2, vers le mélangeur 5. Celui-ci, qui est construit autour d'une diode Schottky, élimine la fréquence porteuse et restitue la composante basse fréquence, c'est-a-dire la fréquence Doppler résultant du battement entre la fréquence incidente et une partie de la fréquence locale de la source 1. Le signal Doppler est ensuite amplifié dans un premier étage 6 à large bande passante (figure 2a) permettant de restituer sans affaiblissement toute la gamme possible des fréquences Doppler, par exemple entre 20 Hz et 20 kHz pour des radars de types couramment utilisés. Le signal en sortie de cet étage 6 sera par la suite dénommé "signal reçu : Srv Ce signal est ensuite dirigé vers un filtre suiveur à bande étroite 7 dont le fonctionnement détaillé sera indiqué plus bas. Un circuit t 8 permet de comparer l'amplitude du signal reçu Sr (non filtré) avec l'ampli tude du signal reçu filtré rf en sortie du filtre suiveur 7. Un commutateur 9 permet de prélever le signal reçu soit non filtré Sr (position 9a), soit filtré Srf (position~9b) en direction d'un circuit formeur 10 qui convertit les alternances du signal Doppler en une suite d'impulsions carres d'amplitude et de largeur déterminées. Le circuit 11 est un circuit détecteur de niveau qui, comme on le verra plus bas, permet d'empêcher la prise en compte du signal Doppler si l'amplitude de ce dernier ne dépasse pas un certain seuil. Les impulsions en sortie du circuit formeur 10, qui ont une fréquence de répétition proportionnelle à la vitesse du mobile, sont amenées vers un convertisseur fréquence-tension 12 qui, simultanément, détermine la valeur moyenne de la fréquence avec une constante de temps donnée. On obtient donc, en sortie de ce circuit 12, un signal "reconstitué" qui, après une nouvelle conversion tension-fréquence dans un circuit 13, constituera le signal de sortie Ss. Le circuit 14 est un circuit comparateur du signal reconstitué gen sortie du circuit convertisseurintégrateur 12) et du signal brut (en entrée de ce même circuit). Le circuit 14 délivre un signal SV de validation à un circuit 15 de contrale et de commande. Ce circuit assure notamment la commande des interrupteurs 9 et 17 (les liaisons correspondant à des signaux de commande ont été figurées en tirets, alors que les liaisons véhiculant un signal Doppler ont été figurées en trait plein) Le signal Ss de sortie est transmis d'une part à un circuit multiplicateur 16 assurant la commande du filtre suiveur 7, et d'autre part, par l0intermédiaire d'un interrupteur 17, à un étage de sortie 18 symétrique et à basse impédance. Le rale de l'interrupteur 17 est de ne transmettre le signal de sortie Ss (position 17b) que lorsque celui-ci a été reconnu conforme à un certain nombre de critères qui seront explicités plus bas, et à interdire la transmission de ce signal (position 17 a) dans le cas contraire Le fonctionnement du circuit est le suivant initialement, les interrupteurs 9 et 17 sont respectivement dans les positions 9a et 17a, c'est-à-dire que le filtre 7 est hors service (la largeur de-bande du circuit est alors celle indiquée figure 2a) et la sortie n'est pas alimentée. Lorsqu'apparaît un signal Doppler, celui-ci (non filtré) est directement transmis aux circuits 12 et 14. Le circuit 14 compare le signal reconstitué et le signal brut. Si ces deux signaux, à une faible erreur près, ont la même fréquence, le circuit 14 délivre un signal de validation SV au circuit de contrôle et de commande 15, qui provoque le basculement des interrupteurs 9 et 17 dans les positions 9b (filtre 7 en service) et 17 b (transmission du signal reconstitué vers la sortie). La bande passante du circuit Doppler devient alors celle indiquée figure 2b en raison de la mise en service du filtre suiveur à bande étroite 7, La fréquence Fd de ce filtre est asservie à la fréquence du signal de sortie Ss, ce qui permet la ressitution d'un signal d'exploitation extrmement stable et précis, même à partir d'un signal Doppler incident très perturbé. Le filtre 7 est de préférence un amplificateurfiltre à commutation de capacité, par exemple du type MF 10 National Semiconductor . Dans un tel filtre, la fréquence centrale Fd est commandée par une fréquence d'horloge qui doit être proportionnelle à la fréquence Fd Cette fréquence d'horloge peut par exemple etre obtenue par le circuit -multiplicatear 16 alimenté par la fréquence Doppler du signal de sortie On obtient ainsi un calage du filtre sur la fréquence Doppler (même -si celle-ci varie de façon continue) et une atténuation importante des fréquences parasites, de l'ordre de 80 dB/décade autour de la fréquence centrale. I1 s'agit cependant d'une atténuation des fréquences parasites, et non d'une élimination. Pour procéder à cette élimination, on utilise un second circuit suppresseur 8, qui compare les amplitudes Ao et A11 Les pectivement à l'entrée et à la sortie du filtre 7, c'est-a-dire compare le signal reçu Sr au signal reçu filtré Srf.Si le rapport A1/A0 des amplitudes est inférieur à une valeur donnée (ce rapport étant fonction du rapport #F/Fd, comme on peut le voir figure 2b), le circuit 8 délivre un signal d'inhibition SI1 du signal de validation au circuit de commande 15 En d8autres termes, si leam- plitude d'excursion en fréquence du signal Doppler reçu est supérieure à une valeur prédéterminée, on interdit, dans un premier temps, la prise en compte de ce signal reçu et, si cette situation se prolonge au-delà-d'une certaine durée, le signal d'inhibition provoque l'ouver- ture de l'interrupteur 17, c'est-à-dire la déconnexion de la sortie. Grâce au circuit 8, qui fonctionne en "tout ou rien" (bande passante de la figure 2c) on obtient une bande passante finale du circuit qui est celle de la figure 2d. > On notera que la constante de temps du circuit 8 est, bien entendu, inférieure à celle du circuit 12. Un contrôle supplémentaire est effectué sur la vitesse d'excursion du signal Doppler reçu De cette manière, on cherche à contrôler l'évolution du signal d'entrée, et à vérifier que celui-ci correspond bien à une réalité physique pour le mobile suivi o la vitesse de ce dernier ne peut en effet varierUlors d'accélérations ou de décélérations, que dans des limites qu'il est aisé de déterminer en fonction de l'inertie du mobile et des forces qui lui sont appliquées On va donc chercher à vérifier que la dérivée du signal de sortie ne dépasse pas une certaine valeur ou bien, si cela arrive, la limiter à une valeur donnée. Cette limitation est réalisée par le circuit convertisseur- intégrateur 12, représenté plus en détail figure 3 o la fréquence Doppler Fd reçue est moyennée par le réseau R1 C1 et convertie en une tension proportionnelle Ud par le circuit intégrateur A2, monté avec le réseau R2-C2. Cet amplificateur A2 fonctionnant en intégrateur, on recueille donc à son entre une tension dU/dt qui est la dérivée de la tension de sortie Ud. I1 est aisé de limiter l'amplitude de cette tension du/dt au moyen d'un amplificateur A1 comportant deux diodes D1 et D2 tdte-bêche montées en contre-réaction et assurant ainsi une fonction d'écrêtage du signal. En outre, le circuit 12 est relié au circuit de commande 15 pour que, si l'écrêtage se prolonge au- delà d'une duréedéterminée, un signal d'inhibition SI2 soit délivré au circuit 15 pour que celui-ci, par ouverture de l'interrupteur 17, déconnecte la sortie de l'ensemble. Le circuit 15 de contrôle et de commande assure en outre un contrôle statistique des différentes excursions de fréquence par rapport à la fréquence centrale, pour mesurer un taux moyen d'erreurs. Si celui-ci est trop élevé (correspondant à un signal trop perturbé, ou peut-être à un mauvais calage de la fréquence centrale), le circuit 15 délivre un signal d'inhibition du signal de validation, pour ouvrir l'interrupteur 17. Un signal d'inhibition SI3 peut également être fourni par le circuit 11 de détection de niveau, pour n'autoriser la prise en compte ^d'un signal que si l'amplitude de celui-ci est supérieure à un certain seuil (ajustable). Un circuit réalisé suivant les enseignements de l'invention a ainsi permis l'obtention d'une précision globale voisine de 1 % sur la mesure de vitesse, malgré un signal Doppler très perturbé dans un environnement ferroviaire, pour une gamme de fréquences allant de 40 Hz à 15 kHz, correspondant à une plage de vitesse comprise entre 1 km/h et 300 km/ho Les circuits 12 et 13 de conversion fréquence tension et tension-fréquence ont été réalisés sur un même circuit intégré, ce qui permet d'annuler les erreurs de conversion, notamment les dérives thermiques, et d'obtenir une linéarité supérieure à 1 pour 1000 REVENDICATIONS 1. Circuit de traitement d'un signal Doppler, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens intégrateurs (12) pour déterminer la valeur moyenne, avec une constante de temps donnée, de la fréquence Doppler du signal reçu (Srì, des moyens comparateurs (14) de cette valeur moyenne à la valeur instantanée de la fréquence Doppler du signal reçu, aptes à délivrer un signal de validation (5V) lorsque cette valeur instantanée de fréquence est comprise dans une bande de fréquence de largeur donnée et centrée sur la valeur moyenne déterminée par les moyens intégrateurs, des moyens commutateurs (15, 17), coopérant avec les moyens comparateurs, pour transmettre un signal Doppler de sortie (sus) lorsque le signal de validation est délivré par les moyens comparateurs. 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal Doppler de sortie est obtenu à partir de la valeur moyenne de la fréquence Doppler du signal reçu déterminée par les moyens intégrateurs. 3. Circuit selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le signal Doppler reçu est filtré par un filtre suiveur à bande étroite (7), dont la fréquence centrale est asservie au signal Doppler de sortie. 4. Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que le filtrage n'est effectué que lorsque le signal de validation est délivré par les moyens comparateurs. 5. Circuit selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de contrôle de l'amplitude d'excursion (8j pour détecter un écart supérieur à une valeur prédéterminée entre la fréquence Doppler du signal de sortie et celle du signal reçu et interdire, dans ce cas, la prise en compte de ce signal reçu, la constante de temps de ces moyens étant inférieure à celle des moyens intégrateurs. 6. Circuit selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de contrôle de lgam plitude d'excursion délivrent un signal dsinhibition (SI1) du signal de validation lorsque l'excursion se prolonge au-deld d'une durée prédéterminée. 7. Circuit selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de contr81e de la vitesse d'excursion (12) pour détecter un taux d'accroissement de la fréquence Doppler du signal reçu supérieur à une valeur donnée et, dans ce cas, limiter le taux d'accroissement à cette valeur donnée. 8. Circuit selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de contrôle de la vitesse d'excursion délivrent un signal dginhibition (SI2) du signal de validation lorsque le taux dgaccroissement reste supérieur à la valeur donnée pendant une durée prédéterminée. 9. Circuit selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de contrôle statistique des excursions, pour déterminer une moyenne statistique des amplitudes d'excursion , détecter le dépassement par celle-ci d'une valeur donnée, et, dans ce cas, délivrer un signal d'inhibition du signal de validation. 10. Circuit selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de détection de niveau , délivrant un signal d'inhibition (SI3) du signal de validation lorsque l'amplitude du signal reçu est inférieure à un niveau donné.