Brevet FR2566921A1 — publié le 19860103

LET.BOU 2566921 RADIOALTIMETRE A MODULATION DE FREQUENCE L'invention concerne un radioaltimètre à modulation de fré- quence, et, notamment, un tel radioaltimètre dans lequel l'émetteur et le récepteur se partagent une antenne commune. La technique des radioaltimètres à onde continue modulée en fréquence, ou radioaltimètre FM/CW selon la terminologie anglo- saxonne, est largement connue. Les principes de base des radars à onde continue sont exposés dans la littérature technique correspondante, et, notamment, dans l'ouvrage de M. I. SKOLNIK intitulé "Radar Handbook" chapitre 16, édité en 1970 par McGraw-Hill. Les principaux avantages des radars FM/CW résident dans leur simplicité relative de construction et dans leur capacité de fournir une mesure précise de la distance relative d'un objet réfléchissant situé à l'intérieur de leur domaine de détection. Par contre, les radars FM/CW de l'état de la technique présentent des contraintes de construction et des limitations tech- niques qui résultent de la nécessité d'utiliser deux antennes séparées: une antenne d'émission et une antenne de réception, généralement, de caractéristiques électriques et mécaniques iden- tiques. En effet,-dans le but d'assurer un découplage radioélectrique suffisant, l'écartement entre les deux antennes doit être important afin d'éliminer les interférences électromagnétiques entre l'émetteur et le récepteur. Il en résulte alors certains problèmes radioélectriques et mécaniques, du fait, notamment, que les antennes ne peuvent être physiquement intégrées à l'équipement, mais doivent être fixées sur la structure du véhicule porteur et interconnectées avec l'équipement par l'intermédiaire de lignes de transmission dont le délai de transmission doit être calibré. De plus, ces lignes de transmission introduisent des pertes de propagation et des reflexions multiples, lesquelles dégradent les performances de l'équipement. Lorsque la distance relative de l'objet à détecter est réduite, et que cet objet est de large étendue, il peut apparaître un phénomène de trajets multiples. Ce phénomène de trajets multiples a pour effet de fournir des mesures de distance erronées. La géométrie du trajet des signaux rayonnes et captés par les antennes n'est pas parfaite, ainsi il peut en résulter des erreurs des mesures lorsque l'altitude du porteur est de l'ordre du mètre. D'un autre côté, si l'on considère les problèmes mécaniques soulevés par l'implan- tation des deux antennes sur la structure du véhicule porteur, on peut citer: la nécessité de réserver, à l'intérieur du véhicule, des logements pour ces antennes, des passages pour les lignes de transmission à radiofréquence et des accès aux connecteurs, permettant le montage et le démontage du radioaltimètre. Enfin la continuité électrique de la paroi du véhicule porteur doit être préservée, ce qui impose des contraintes de construction de cette paroi. Il a déjà été proposé un radioaltimètre FM/CW dans lequel l'émetteur et le récepteur fonctionnent de façon continue en utili- sant une antenne commune. Dans ce radioaltimètre le signal local du mélangeur à radiofréquence du récepteur est obtenu par reflexion du signal transmis par le T.O.S. (taux d'onde stationnaire) de l'antenne. La construction de l'équipement se trouve ainsi notablement simpli- fiée, mais au détriment de l'altitude minimale mesurable, laquelle peut atteindre 6 à 10 mètres, selon l'altitude maximale de fonction- nement du radioaltimètre. Le but de l'invention est de fournir un radioaltimètre mono- antenne à modulation de fréquence capable d'opérer sur une large plage d'altitude. Pour atteindre ce but, l'émetteur et le récepteur du radio- altimètre opèrent cycliquement selon un mode de fonctionnement entrelacé tel que le signal écho du sol ne soit pas "éclipsé" par le signal d'émission. Ce radioaltimètre comprend: un commutateur émission- réception (E/R) relié à un aérien directif, ce commutateur ayant une entrée commande connectée à un générateur de signaux périodiques dont la période de récurrence est proportionnelle au temps de retard du signal écho; un émetteur connecté à l'entrée du signal du commutateur E/R et incluant un modulateur de signaux en dents de scie dont la période de récurrence est proportionnelle au temps de retard du signal écho, et un récepteur homodyne incluant un amplifi- cateur passe-bande à audiofréquence et des circuits d'acquisition et de poursuite du signal écho qui délivrent un signal de mesure représentatif de l'altitude au-dessus du sol, et un signal de commande qui est fourni au modulateur d'émission et au générateur de signaux de commande du commutateur E/R afin de varier respectivement les périodes de récurrence des signaux délivrés par ces éléments. L'invention sera mieux comprise dans la description détaillée qui va suivre, faite en regard des dessins annexés, sur ces dessins: - la figure I est un bloc diagramme simplifié qui représente un radioaltimètre mono-antenne de l'art antérieur; - la figure 2 est un bloc diagramme qui représente la structure de base du radioaltimètre selon l'invention; - la figure 3 est un chronogramme des principaux signaux élaborés par les éléments du radioaltimètre; - la figure 4 est un schéma électrique qui représente une forme de réalisation du commutateur E/R; - la figure 5 est un schéma électrique qui représente une forme de réalisation d'un circuit de porte du commutateur E/R - la figure 6 est un schéma électrique d'une variante de réalisation du commutateur E/R; - la figure 7 est un bloc diagramme qui représente une forme de réalisation de l'amplificateur passe-bande à audiofréquence du récepteur; - la figure 8 est un bloc diagramme qui représente une forme de réalisation du modulateur d'émission et du générateur des signaux de commande du commutateur E/R;- - - la figure 9 est un bloc diagramme qui représente une variante de réalisation du modulateur d'émission; - la figure 10 se rapporte à la figure 8 et montre un chronogramme des signaux; - la figure Il se rapporte à la figure 9 et montre un chronogramme des signaux. La figure 1 est un bloc diagramme simplifié qui représente un radioaltimètre mono-antenne 100 de l'art antérieur. Une antenne directive émission-réception 110 est connectée à un circulateur 120 ayant une entrée reliée à un émetteur FM/CW et une sortie reliée à un récepteur homodyne. L'émetteur est constitué par un oscillateur GUNN 130 accordable en fréquence par un élément varactor. La fréquence d'émission est variée linéairement au moyen d'un signal triangulaire, de période de récurrence fixe, fourni par un modulateur 140. Le récepteur comprend un détecteur à radiofréquence 150 dans lequel l'onde locale est obtenue par une fraction du signal d'émission réfléchi par le T.O.S. (taux d'onde stationnaire) de l'antenne. Le signal de sortie du détecteur à radiofréquence est appliqué à un processeur 160 qui inclut un compteur de la fréquence de battement entre l'onde locale et le signal écho renvoyé par le sol. Ce compteur de fréquence délivre un signal de sortie continu Vs dont la grandeur est proportionnelle à l'altitude H au-dessus du terrain. La figure 2 est un bloc diagramme qui représente la structure de base du radioaltimètre. Un aérien directif 1 est connecté à un commutateur émission-réception 2, lequel permet, cycliquement, de rayonner le signal d'émission Ee et de capter le signal Er de réverbération du sol. Le commutateur d'émission-réception (E/R) comporte: un accès d'entrée (E), un accès de sortie (R) et une entrée de commande (C). L'émetteur du radioaltimètre est connecté à l'accès d'entrée (E) de ce commutateur E/R et il comprend connecté en série: un coupleur directif 3, un oscillateur à radio- fréquence 4 et un modulateur 5. L'oscillateur à radiofréquence opère - avec une fréquence porteuse Fc et il comporte des moyens électro- niques permettant de moduler linéairement la fréquence porteuse avec une déviation de fréquence maximale constante égale à Afm. Le modulateur 5 délivre des signaux périodiques en dents de scie et il comporte des moyens électroniques permettant de faire varier la période Tm de ces signaux en dents de scie et ceci, proportionnel- lement au temps de retard 17 du signal écho réverbéré par le sol et capté par l'aérien. Le récepteur du radioaltimètre est du type homodyne et il est connecté à l'accès de sortie (R) commutateur E/R. Ce récepteur comprend, connectés en série: un mélangeur équilibré 6 à radiofréquence ayant son entrée de référence connectée au coupleur directif 3 de l'émetteur; un amplificateur passe-bande à audiofréquence 7, et des circuits 8 permettant l'acquisition et la poursuite du signal écho d'altitude capté par l'aérien. Ces circuits d'acquisition et de poursuite délivrent un signal de mesure VH représentatif du temps de retard du signal écho, lequel est proportionnel à l'altitude au-dessus du sol. Le moyen de commande du commutateur E/R est fourni par un générateur de signaux périodiques dont la fréquence de récurrence TR est propor- tionnelle au temps de retard V du signal écho. Enfin, les circuits d'acquisition et de poursuite du signal écho fournissent un signal de commande VR qui est appliqué, d'une part, au modulateur d'émission , et d'autre part, au générateur de signaux de commande 9 du commutateur E/R. La figure 3 représente un chronogramme des principaux signaux du radioaltimètre. La courbe (A) montre la forme d'onde des signaux de modulation Vm(t) fournis par le modulateur 5. Ces signaux de modulation en dents de scie ont une fréquence de récurrence Tm donnée par la relation suivante: Tm= Km. 'T avec T le temps de retard du signal écho, et l'amplitude de ces signaux de modulation est constante. La déviation de fréquence àfm(t) de la fréquence porteuse Fc de l'oscillateur à radio- fréquence 4 est donnée par la relation suivante: /fm(t) = Kv. Vm(t) La courbe (B) montre la forme d'onde du signal de commande Vc du commutateur E/R fourni par le générateur de signaux 9. Ce signal de commande Vc dont les durées Tr et Te sont sensiblement égales à une période de récurrence TR donnée par la relation suivante: TR = (Tc + Tr)= 2t o ' la durée de trajet du signal écho est donnée par la relation: 1 = 2H/c avec: H l'altitude au-dessus du sol et c la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques. On supposera que lorsque ce signal Vc est au niveau haut, le commutateur E/R est dans la position émission et, inversement, lorsque ce signal Vc est au niveau bas, le commutateur E/R se trouve dans la position réception. La courbe (C) montre la forme d'onde des signaux Ee rayonnes par l'aérien 1; la durée de ces signaux Ee est égale à TR/2 = T et la fréquence porteuse Fc varie linéairement en fonction du temps. La courbe (D) montre la forme d'onde des signaux à radio- fréquence E'r à l'accès de sortie R du commutateur E/R. La puissance Pr de ces signaux E'r est donnée par la relation suivante: Pr = Pe.G. A2c. Vo (41)2.H2 o Pe = la puissance du signal de sortie de l'oscillateur à radiofréquence de l'émetteur G = le gain de l'aérien c = la longueur d'onde correspondant à la fréquence porteuse Fc d'émission = le coefficient de reflectivité du sol H = l'altitude au-dessus du sol. La courbe (E) montre la forme d'onde des signaux E"r à la sortie de l'amplificateur passe-bande à audiofréquence. La fréquence de ces signaux E"r est égale à la fréquence de battement fb donnée par la relation suivante: /8=F m L Fm ct b- -i.1:- Km-= t Le spectre des signaux E'r est un spectre de raies, dont la raie plus forte est à la fréquence de battement fb. La bande passante de 7. l'amplificateur à audiofréquence 7 est entrée sur cette fréquence de battement et sa fréquence de coupure supérieure fcH est telle que: fb est constante et elle est égale à Km/2. L'altitude H et les grandeurs des paramètres tfm, Tm et fb du radioaltimètre sont liées par la relation: r. fb HG-- m ' Tm Lorsque l'altitude H diminue, la période Tm des dents de scie de modulation en fréquence de l'émetteur diminue proportion- nement. Il s'en suit que l'altitude minimale Hmin de mesure du radioaltimètre est sensiblement égale à: C Hmin = 2;F avec la condition: fb 'Tm = 1 A titre illustratif, si la déviation de fréquence / Fm de l'émetteur est égale à 100 MHz Hmin = 1,5 mètres à laquelle correspond un temps de retard t = l02 ps. La fréquence I I de récurrence FR = TR = est alors égale à 50 MHz. R Lorsque l'altitude H croit la période Tm des signaux en dents de scie croît et la fréquence de récurrence FR des signaux de commande du commutateur E/R diminue. Il en résulte que la fréquence d'échantillonnage du signal de battement, de fréquence fb fixe, doit rester inférieur à FR/2 ce qui impose une limite supé- rieure de la mesure de l'altitude maximale Hmax de mesure du radioaltimètre. Cette altitude Hmax est donnée par la relation suivante: C. TR C Hmax= C TR FR/2 = A titre illustratif si fb = 20KHz, Hmax = 1875 mètres. Toute- fois il faut remarquer que cette limite de mesure de l'altitude maximale peut être étendue, si l'on considère la condition générale "d'antiéclipse": 2't R = (2K + 1) avec K un nombre entier incluant la valeur zéro. Ainsi l'altitude maximale Hmax est donnée par la formule générale: Hmax =. (2K + 1) b Enfin, on peut également remarquer dans la relation précé- dente Tm = KmT, le facteur de proportionnalité Km peut être un nombre fractionnaire. Si l'on se réfère à nouveau à la figure 2, on pourra noter les caractéristiques constructives décrites ci-après. Le T.O.S. de l'aérien directif I n'est pas un paramètre critique puisque le niveau du signal d'émission réfléchi par l'aérien vers le récepteur se trouve bloqué par le commutateur E/R. De ce fait, l'aérien peut être constitué par une source à fentes rayonnantes réalisée selon une technique de circuit imprimé. L'oscillateur à radiofréquence 4 peut être réalisé par un élément GUNN couplé à un élément varactor. Le mélangeur à radiofréquence 6 du récepteur est du type équilibré afin de limiter les signaux de bruit parasites résultant des fluctuations d'amplitude de l'oscillateur d'émission. Il est toujours préférable d'égaliser les longueurs électriques entre le coupleur directif 3 et le mélangeur équilibré 6, d'une part, et entre le coupleur directif et l'entrée de signal du mélangeur équilibré, via l'aérien, d'autre part. L'amplificateur passe-bande 7, doit rejeter efficacement la fré- quence des signaux de modulation en dents de scie et transmettre le signal de battement E"r dont la durée est égale à la période Tm des signaux de modulation en dents de scie. Les circuits d'acquisition et de poursuite opèrent selon deux modes de fonctionnement: un premier mode pendant lequel la valeur du signal VH est variée entre les limites minimale et maximale, afin de détecter la présence d'un signal écho dans la bande passante de l'amplificateur passe-bande, et un second mode pendant lequel l'écart de fréquence entre la fréquence du signal écho et la fréquence nominale de battement fb est mesurée et intégrée pour fournir le signal de mesure VH. La figure 4 est un bloc diagramme qui montre une forme de réalisation du commutateur d'antenne. Le commutateur d'antenne 2 comporte une entrée de signal (E), une sortie de signal (R) et une entrée/sortie de signal (A), laquelle est connectée à un circulateur (20) ayant une entrée (a) et une sortie (b). La voie d'entrée du commutateur comprend, reliés en série: une première porte (21) et un isolateur unidirectionnel (22), lequel est connecté à l'entrée (a) du dispositif isolateur (22). La voie de sortie du commutateur d'antenne qui est connectée à la sortie (b) du dispositif circulateur comprend reliée en série: un isolateur unidirectionnel (23) et une seconde porte (24). Les entrées de commande des première et seconde portes sont connectées au signal de commande Vc, par une liaison directe pour la première porte et par l'intermédiaire de l'élément inverseur 26 pour la seconde porte. La fonction de la première porte est de découper le signal continu à radiofréquence fourni par l'oscillateur de l'émetteur. La fonction de la seconde porte combinée avec l'isolateur est d'isoler le récepteur pendant les intervalles d'émis- sion. Selon une forme de réalisation préférée, l'impédance d'entrée de chacune des deux entrées de signal du commutateur d'antenne est maintenue constante dans les deux états de commutation. La figure 5 est un schéma synoptique qui montre une forme de construction d'une porte, telle que la première porte 21 du commu- tateur E/R décrit à la figure 4. Cette porte comporte une entrée de signal E et une entrée de commande C. La liaison entre l'entrée de signal E et l'isolateur unidirectionnel 22 comprend une capacité d'isolement C et une diode Dlo Au point de jonction de la capacité C et de la diode D1 sont connectés, d'une part, une diode D2 en série avec une impédance Zc dont la valeur est égale à l'impédance d'entrée de l'aérien, et d'autre part, un premier élément de blocage 21a du signal à radiofréquence Ee, lequel élément de blocage est relié à la source de signaux de commande Vc. Un second élément de blocage 21b est connecté au point de jonction de la diode Dl et de l'isolateur unidirectionnel 22. La configuration de la seconde porte 24, peut être identique à celle de la première porte 21. La figure 6 est un bloc diagramme qui montre une forme de réalisation du commutateur E/R dans lequel le circulateur et les isolateurs unidirectionnels ont été éliminés. En effet lorsque le taux de commutation des diodes D1 et D'l est élevé, l'émetteur et le récepteur peuvent être cycliquement isolés de l'aérien 1. f10 Le commutateur E/R peut être réalisé sous une forme intégrée et utilisé des éléments de commutation FET-AsGa comme décrit dans l'article de Y. AYASLI "Microwave Switching with GaAs FETs" publié dans la revue "Microwave 3ournal" Nov. 1982, page 60. Un tel commutateur permet d'atteindre des vitesses de commutation infé- rieures à la nanoseconde et de commuter des signaux radiofréquence d'un niveau de plusieurs watts. La figure 7 représente une variante de réalisation de l'amplifi- cateur passe-bande à radiofréquence 7 du récepteur. Selon cette variante de réalisation cet amplificateur passe-bande comprend un préamplificateur à faible bruit 70, un circuit de porte 71, un filtre passe-bande 72 et un amplificateur de sortie 73. L'entrée de commande du circuit de porte est reliée à la source de signaux de commande Vc du commutateur E/R par l'intermédiaire d'un élément inverseur 74. La fonction du circuit de porte 71 est d'accroître l'isolement entre l'émetteur et le récepteur pendant les périodes d'émission Te, et de diminuer le niveau des signaux de bruit du récepteur. La figure 8 est un bloc diagramme qui représente une forme de réalisation du modulateur de l'émetteur et du générateur de signaux de commande du commutateur E/R. Le générateur 9a de signaux de commande Vc comprend un convertisseur Tension/Fréquence (V/F) qui reçoit le signal de commande VR qui décroit avec l'altitude (H) et il élabore un signal d'horloge V'c dont la période de récurrence TR/2 est proportionnelle à la grandeur du signal de commande. Le signal d'horloge V'c est appliqué à un circuit diviseur par un facteur deux, qui délivre le signal de commande Vc du commutateur E/R (2) dont le facteur de forme est égal à un demi. Le modulateur 5a de l'oscillateur à radiofréquence 4 de l'émetteur est réalisé sous une forme numérique. Ce modulateur 5a comprend un compteur modulo 2N, 50, qui est connecté à un convertisseur Numérique-Analogique (N/A) 51. Le signal de sortie V'm est appliqué à l'entrée de commande en fréquence de l'oscillateur à radiofréquence 4. La figure 10 est un chronogramme des signaux du modulateur Sa et du générateur de signaux 9a décrits à la figure 8. Le signal de sortie V'c du convertisseur V/F est un signal d'horloge de période de récurrence TR/2 = t = 2H/C. Le signal de commande Vc du commu- tateur E/R est un signal carré de période de récurrence TR et, par exemple, lorsque ce signal de commande est au niveau haut, le signal d'émission Ec est transmis à l'antenne 1. Le signal de modulation V'm de l'émetteur est un signal en escalier de période de récurrence Tm = 2(N-l). TR et les sauts des paliers ont pour valeur AV'm(2N- 1). On pourra noter -que les sauts de fréquence de l'émetteur sont égaux et- ont pour valeur la fréquence du battement fb. La figure 9 est un bloc diagramme qui représente une variante de réalisation du modulateur d'émission de la figure 8. Selon cette variante de réalisation le générateur de signaux de commande Vc du commutateur E/R est identique à celui décrit précédemment. Le modulateur d'émission 9b comprend un compteur modulo 2N-, 50a, qui est connecté à la sortie du diviseur 91 et un convertisseur N/A, 51a, lequel délivre un signal de modulation V"m à l'oscillateur à radiofréquence 4 de l'émetteur. La figure Il est un chronogramme des signaux du modulateur 5b, lesquels signaux sont représentés en regard des signaux du générateur 9a des signaux de commande Vc du commutateur E/R. Ce signal de modulation V"m est un signal en escalier de période de récurrence Tm = 2(N-1). T et le niveau de chacun des paliers est égal à Vt'm/(2(Nl) -1). L'invention n'est pas limitée dans ses caractéristiques par les formes particulières de réalisation des éléments, lesquelles ont été décrites à titre illustratif, nullement limitatif. Elle n'est pas limitée par les valeurs numériques des paramètres de construction, les- quelles doivent être adaptées en fonction des applications particu- lières du radioaltimètre. REV ENDICAT'IONS 1. Radioaltimètre mono-antenne à modulation de fréquence, caractérisé en ce qu'il comprend: un commutateur émission- réception (2) relié à un aérien directif (1), ce commutateur ayant une entrée de commande (c) connectée à un générateur de signaux périodiques (Vc) dont la période de récurrence (TR) est proportion- nelle au temps de retard (t) du signal écho (Er); un émetteur connecté à l'entrée du signal (E) du commutateur E/R, cet émetteur comportant un oscillateur à radiofréquence (4) modulable en fré- quence qui est connecté à. un modulateur (5) lequel fournit des signaux de modulation périodiques (Vm) dont la période de récur- rence Tm est proportionnelle au temps de retard (t) du signal écho (Er); et un récepteur homodyne connecté à la sortie de signal (R) du commutateur E/R, ce récepteur comportant, connectés en série, un mélangeur à radiofréquence (6), un amplificateur passe-bande à radiofréquence (7) et des circuits d'acquisition et de poursuite (8) du signal écho (Er), lesquels fournissent un signal de sortie (VH) représentatif du temps de retard du signal écho, et un signal de sortie de commande (VR) qui contrôle les périodes de récurrence des signaux de sortie du modulateur d'émission (5) et du générateur de commande (9) du commutateur E/R (2). 2. Radioaltimètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modulateur d'émission (5) est un générateur de signaux en dents de scie. 3. Radioaltimètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que le générateur en dents de scie est un générateur de signaux d'un type analogique. 4. Radioaltimètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que le générateur en dents de scie du modulateur d'émission est un générateur de signaux du type numérique qui comprend connectés en série, un compteur d'impulsions (50) et un convertisseur numérique- analogique (51).