Brevet FR2582825A1 — publié le 19861205

La présente invention concerne la mesure du temps de propaga- tion d'une onde et notamment l'exploitation de cette grandeur, en télémétrie, pour déterminer une distance à partir de la entre mesure du retard _ t existant / un signal périodique SE, émis vers un obstacle, et le signal de retour SR reçu en écho. Ce procédé, connu en soit, nécessite certaines précautions, pour obtenir des mesures valables, car la mesure du déphasage entre le signal émis S et le signal de retour S n'est connue qu'à 2 kir près, c'est à dire à une période T près, du signal émis. Pour s'affranchir de l'approximation de 2 k1T, la période du signal émis doit être supérieure au retard maximum max cor- respondant à la gamme de distance L max à mesurer. Soit: T > max avec t max = 2 L max (C étant la vitesse de propagation C du signal émis dans le milieu considéré) Si le rapport entre la distance maximum à mesurer, L max et la précision souhaitée est important, ce procédé ne convient pas car il faut apprécier des déphasages très faibles sur des signaux qui seront très bruités. Pour éviter cet inconvénient, da à la mesure du déphasage à 2 kTr près on peut lever l'am- biguïté en procèdant par estimations successives. Pour cela on effectue successivement plusieurs mesures sur des signaux S1, S2,... Si ayant des fréquences croissantes, dont la période est divisée par deux à chaque fois. Dans ces condi- tions, la dernière mesure, faite à la fréquence la plus élevée donne la meilleure résolution. Mais, ceci implique i mesures. Si entre deux mesures successives, la distance à mesurer L, donc l'information, varie trop vite, le résultat peut être erroné. Le procédé, selon l'invention, a pour but déviter ces incon- vénients. Il permet en outre d'obtenir, par une mesure unique, une résolution égale à celle obtenue, par le procédé classi- que, sur la dernière séquence de fréquence la plus élevée. Bien que l'onde émise soit toujours composée de plusieurs signaux S1, S2', Si, ce procédé ne nécessite pas la levée de l'ambiguïté pour chacun d'entre eux, et permet des mesures plus fiables et plus précises que par les procédés antérieurs connus...DTD: Pour ce faire, l'onde émise est un signal périodique SE, con- sistant en un train de signaux successifs So' S1,... Si, dont les fréquences sont choisies en fonction des mesures a effectuer. Le retard 7 t, du signal SR reçu en écho, est cal- culé à partir d'une seule mesure globale, intégrant toutes les informations successives So, S1... Si. Cette mesure con- siste à comparer le signal SR, avec un signal de référence Sréf' identique à l'émission SE, mais dont on fait varier le décalage relatif t par rapport au signal SE. On effectue la fonction d'intercorrélation C () entre les signaux S et R Sréf, et l'on démontre que C () s'annule pour.= + --I+ 0 w étant la pulsation du signal S o. Pour mesurer z il suffit alors de faire varier le retard t du signal de référence Sréf par rapport au signal émis SE de façon à obtenir C (t) = O. A ce moment, la mesure de t donne la grandeur Zt que l'on recherche puisqueZ= t + 2I-- dans - t t2 W o ces conditions. En variante, le passage à O de C (t) peut être utilisé dans un asservissement pour maintenir en permanence à la valeur de _t. Ce procédé, de la mesure du temps de propagation d'une onde, peut être utilisé indifféremment avec tous types d'ondes et trouver des applications dans les domaines de la radio, de l'acoustique et de l'optique. A titre d'exemple, ce procédé est appliqué ci-dessous à la détermination d'une distance par une méthode optique. Il consiste à moduler en puissance un faisceau laser par un signal adéquat et à mesurer le retard subi par cette modula- tion sur le signal retour par la méthode décrite ci-dessus. Le dessin annexé illustre, à titre d'exemple, un mode de réa- lisation d'un tel télémètre. La figure 1 schématise les signaux utilisés, La figure 2 décrit un télémètre optique selon l'invention, 10. La figure 3 décrit un générateur de signaux permettant d' utiliser le procédé, La figure 4 est un chronogramme de fonctionnement. Telle que représentée, figure 1, l'émission consiste en un signal séquentiel SE de durée D, composé d'une succession de signaux périodiques So0, S1 '... Si, dont les fréquences sont multiples les unes des autres et dont les temps de présence To, T1...Ti sont fonction des amplitudes et du rang de chaque signal élémentaire. Dans l'exemple décrit, les signaux sont rectangulaires mais dans une autre réalisation, ils pourront être des signaux sinusoïdaux. Leurs principaux paramètres sont définis par le tableau ci-dessous: SO S1 Si Amplitude Ao A1 Ai Fréquence F 3f.(2i+1)f..= fi moyenne mini mini mini Durée T T (Ao 2 TO (A2 oA 2i+ Les amplitudes des signaux So, S1... Si peuvent être diffé- rentes, cependant elles sont avantageusement égales pour émet- tre à puissance maximale. La durée To doit être un nombre mul- tiple de 1, fmin étant la fréquence minimale d'émission. fmin Le temps Ti minimum doit être supérieur au temps de décalage maximal t max a mesurer entre l'émission et le signal SR en retour. La période du signal SO de fréquence minimale doit être supé- rieure àdt max. Ces conditions étant remplies, l'ordre d'émission des signaux So0' S1,... Si peut être quelconque et leurs fréquences peu- vent n'être que des fréquences moyennes, la fréquence instan- tanée de chacun des siggaux pouvant être variable. Le signal en retour SRest reçu avec un retard {t en fonction de la distance à mesurer. Au moyen d'un générateur de réfé- rence, identique au générateur d'émission et synchronisé par de dernier, avec un retard variable, on génère un signal de référence SRéf' identique à SR. Pour mesure ô+, on effectue le produit entre le signal SR et le signal de référence SRéf retardé d'un temps t variable. Soit A ce produit que l'on intégre ensuite pour obtenir C (), fonction d'intercorrélation entre SR et SRéf- Lors de l'élaboration du produit A, le signe de ce produit est inversé pour chaque signal Si dont l'indice i est impair. En faisant variertde 0 à Tmax, tel que Tmax corresponde a la période de la fréquence la plus basse émise, c'est à dire,- T =- = To max fmini Nous avons vu que C () s'annulera lorsque =t + -- Pour mesurer t on peut: - soit faire varier lentement - et mesurer sa valeur au moment o C (t) est égale à zéro, - soit asservir t de sorte que C ( t) reste nulle. Tel que schématisé figure 2,1'application du procédé à un té- lémètre optique comprendrait, à titre d'exemple, les moyens suivants: - une diode laser 1 dont le flux lumineux émis se réfléchit sur une cible 2 et est capté par une photodiode 3. - un premier générateur 4, dont les signaux, conformes au signal SE décrit dans le procédé, servent à moduler en am- plitude la puissance de l'onde lumineuse émise par la diode laser. - un second générateur 5 identique au précédent pour élaborer le signal de référence Sréf- - un moyen 6, tel que par exemple un modulateur en anneau ou un "ou exclusif" pour des signaux logiques, pour effectuer le produit A = SR x SRéf, associé à un intêgrateur 7. L' ensemble 6 et 7 réalise la fonction d'intercorrélation C () - un amplificateur différentiel 8 qui par comparaison de C ( amplifier les signaux Se et Sr. - un compteur digital 12, placé entre l'entrée et la sortie du monostable qui donne la valeur du retard existant entre les impulsions de synchronisation en entrée et en sortie du mo- nostable. Ce retard est, selon l'invention, représentatif de la distance à mesurer. A noter que si l'on choisit le monostable avec une largeur qui est une fonction linéaire de la tension de commande, la mesure de cette tension donnera la valeur du retard sous forme analogique. - une horloge générale 13 qui sert de base de temps à l'ensem- ble des circuits logiques du dispositif. Dans cette application, les signaux employés sont des signaux rectangulaires, ce qui simplifie l'ensemble des circuits élec- troniques et permet l'utilisation d'un OU exclusif comme multiplieur. En pratique, pour générer les signaux SE et Sréf' il s'avère difficile de réaliser un synthétiseur pouvant changer très rapidement de fréquence tout en conservant les relations de phase entre les différents signaux émis. Par contre, il est relativement facile de synthétiser ces différentes fréquences, à condition de ne pas considérer la fréquence instantanée d'un train d'onde mais sa fréquence moyenne. Le système étant suivi d'un intégrateur, c'est cette fréquence moyenne qui est à prendre en considération. Les générateurs 4 et 5 peuvent être conçus, tel que représen- té figure 3, avec les moyens suivants: - un registre mémoire 21 (bascule D) de capacité (Q-1) bits - un additionneur 22 de capacité (Q-1) bits, une bascule D 23, - un OU exclusif 24, - un compteur binaire 25. En sortie de l'additionneur, nous avons le signal suivant: Sn= Sn_ + en avecen = 2 k + 1 e est codé sur Q-1 bits, le bit de poids faible étant toujours à 1. Chaque fois que le mot de sortie Sn dépassera la valeur 2 Q-1, la sortie de la bascule D sera complémentée. On aura donc, en sortie de cette bascule un signal de période moyenne: 2Q f 2k + 1 Ts = Tin x 2 x _ soit fs = fin x k 2k+ 1 2 2Q Tin étant la période du signal d'horloge. Apres une impulsion de remise à zéro, les éléments 21, 23 et sont remis à zéro. Dans ces conditions e = 1 et e restera à l'état 1 pendant un temps égal à: 2n+l x Ts = 2 n+l x T. x 2 + 2 Q in puis ensuite, e sera incrementé d'une unité et il gardera cette valeur pendant un temps. Ts = 2n+l x Tin x 2 x 2 et ainsi de suite. Ts=2 in - et ainsi de suite. Le temps de présence de chaque fréquence est inversement proportionnel à la fréquence émise. L'impulsion de remise à zéro sert de synchronisation entre le générateur d'émission 4 et le générateur de réception 5. La figure 4 est un chronogramme de fonctionnement, pour lequel on a, à titre d'exemple: Q = 3 et k = 1. Le générateur de référence est identique au générateur d' émission avec en plus un OU exclusif 26, représenté en poin- tillé sur la figure 3. Ce OU exclusif permet d'obtenir les inversions de phase entre chaque signaux Si. Pour cela, ses entrées sont branchées respectivement sur le signal de sortie S et sur le bit de poids faible du mot d'entrée k. Pour k pair, Sréf sera en phase avec SE et pour k impair Sréf sera en opposition de phase avec SE. Le procédé, objet de l'invention s'applique à tous les dispo- sitifs o il est nécessaire de moduler une onde et de mesurer des temps de déphasage, tel que par exemple les altimètres. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour mesurer le temps de propagation d'une onde consistant à mesurer le déphasage Ut existant entre un signal périodique SE émis vers un obstacle, et le signal de retour SR reçu en écho, caractérisé par le fait que le signal SE est composé par un train de signaux successifs So, S1... Si, dont les fréquences sont choisies en fonction des mesures à effec- tuer, et que pour calculer le déphasage Zt: - on génère un signal de référence Sréf identique au signal SE mais décalé dans le temps, - on effectue la fonction d'intercorrélation C () entre les signaux SR et Sréf, en faisant varier de façon connue le déphasage t entre Srf et SE. - on obtient. =t + W lorsque C (Z.) s'annule (Wo étant la pulsation de.S 2wo o 2 - Procédé selon revendication 1 caractérisé en ce que: les fréquences des signaux successifs So, S1... Si sont multiples les unes des autres et leur temps de présence To, T1... Ti, dans le signal périodique SE, sont respectivement inversement proportionnels à ces dites fréquences. - la durée T est un nombre multiple de 1, f étant la o min fréquence minimale d'émissLonet le temps Ti est au moins égal à un temps t t max correspondant au décalage maximal à mesurer entre l'émission SE et le signal en retour SR 3 - Dispositif pour mesurer le temps de propagation d'une onde en télémétrie caractérisé en ce qu.'il comprend en combi- naison: - une diode laser 1 dont la lumière réfléchie est captée par une photodiode 3, générant un signal de retour SR. - un premier générateur 4 dont les 'signaux SE sont utilisés pour moduler l'onde lumineuse émise par la diode laser 1. - un second générateur 5 identique au précédent pour élaborer un signal de référence Sréf. - des moyens 6 et 7 pour réaliser la onction d'intercorréla- tion C (t) entre les signaux SR et Sréf- - des moyens 8 et 9 pour synchroniser, après un retard A, le générateur de référence 5 au générateur d'émission 4. - des moyens d'amplification 10 et 11 pour amplifier les signaux SE et SR. - des moyens 12, associés aux moyens de synchronisation 8 et 9, pour mesurer le retardf entre les signaux SR et Sréf- - des moyens 13 générant une base de temps pour l'ensemble du dispositif.