Brevet FR2581765A1 — publié le 19861114

SYSTEME ELECTRODIAGNETIQUE DE MESURE DE COURTES DISTANCES La présente invention concerne un système électromagnétique de mesure de courtes distances de type radar, tel que ceux qui sont utilisés comme fusée de proximité å bord des missiles, ou encore de détecteur de proximité à bord d'engins-cibles. Le but de ces radars, de faibles dimensions et poids, est de fournir un signal de présence lorsque le mobile à détecter atteint une distance prédéterminée. Un mode de réalisation bien connu de ces radars est basé sur 1 ltémission d'une onde électromagnétique continue modulée en fréquence suivant une loi périodique qui peut être sinusoïdale, en "dents de scie", ou triangulaire. En faisant battre au moyen d'un mélangeur le signal émis avec l'écho reçu, on obtient un signal dont la fréquence moyenne est caractéristique de la distance de la cible. Par exemple, dans le cas d'une modulation lineaire (triangle ou dent de scie), la fréquence de battement est proportionnelle à la distance de la cible. Pour obtenir un signal de déclenchement lorsque la cible se trouve à une distance donnée, il suffit d'amplifier ce battement et de le filtrer dans un filtre passe-bande accordé sur la fréquence de battement correspondant à la distance choisie. Une détection et une comparaison a un seuil complètent le dispositif. La figure 1 annexée montre schématiquement un tel dispo- sitif connu de l'art antérieur. Dans ce dispositif, un générateur 1 alimente, par l'intermédiaire-d'un circulateur 2, une antenne 3. L'onde émise par l'antenne 3 est modulée au moyen d'un signal (en dents de scie dans l'exemple) issu d'un modulateur 4; Le signal reçu en écho est appliqué à l'une des entrées d'un mélangeur 5 recevant par ailleurs un signal identique à celui qui est émis. Le signal de battement obtenu est amplifié et filtré en 6, détecté en 7 et comparé à un seuil prédéterminé en 8. Le comparateur 8 délivre le signal porteur de l'information recherchée. L'inconvénient principal de ce dispositif est que, du fait de la structure spectrale du signal de battement, le niveau détecté a' la sortie du filtre passe-bande varie en fonction du retard T de l'écho suivant une loi telle que représentée a' la figure 2, caractérisée par des lobes secondaires de part et d'autre du maximum. Comme le niveau reçu dépend aussi de la surface équivalente radar de la cible, dont la valeur est mal connue, on voit que le système est peu précis. En effet, une cible de forte surface radar risque de donner un signal de déclenchement à une distance correspondant à un lobe secondaire, donc plus grande que celle à laquelle le dispositif est réglé, et qui correspond au lobe principal. La présence des lobes secondaires entraîne donc des risques de déclenchement intempestifs d'autant plus grands gue la surface équivalente radar de la cible est mal connue. L'invention permet de s'affranchir de cette cause d'erreur grace à une exploitation particulière du signal de battement. Conformément à l'invention, au moins deux harmoniques du signal de battement sont isolés et respectivement mélangés aux harmoniques de rang correspondant du signal de modulation. Le traitement des signaux ainsi obtenus permet de mettre en evidence le signal porteur de l'information de distance à mesurer. Avantageusement, le traitement des signaux consiste en une multiplication de l'un par l'autre de façon à obtenir une tension dont la polarité est positive ou négative suivant que le déphasage relatif est ou ou 1800. Mais il est également possible, au lieu de multiplier les signaux entre eux, d'en effectuer la somme avant détection de façon à obtenir un signal de présence de niveau faible en dehors de la zone de détection, lequel signal peut être comparé à un seuil de précision. L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques ressortiront, à la lecture des descriptions d'exemples de réalisation données ci-après et illustrée par les figures jointes dans lesquelles - la figure 3 représente la fréquence en fonction du temps d'un signal de modulation - la figure 4 représente l'amplitude, en fonction du retard de l'écho, de l'harmonique de rang n du signal de battement - la figure 5 représente, de la même manière que la figure 4, l'amplitude des harmoniques de rang n et n+l - la figure 6 représente un exemple de réalisation d'un système conforme a' l'invention - les figures 7 et 8 représentent des variantes du système représenté à la figure 6 - la figure 9 représente, en fonction du retard de l'écho, le signal obtenu avec le système représenté à la figure 8. Pour comprendre le fonctionnement de l'invention, on remarque que, de même que le signal émis, le signal de battement est périodique, de période T, et possède donc un spectre de~raies équidistantes dont l'écartement est égal à 1. T Les raies dominantes de ce spectre sont situées aux alentours de la fréquence moyenne de battement correspondant au retard de l'écho. L'amplitude d'une raie particulière, par exemple l'harmonique de rang n de la fréquence de modulation, est donc caractéristique du retard de l'écho. Dans le cas d'une modulation de l'émission par un signal en dents de scie, d'excursion # F et de période T, tel que celui représenté par le diagramme de la figure 3, on peut montrer que l'amplitude de l'harmonique de rang n de la fréquence de modulation, contenue dans le battement de l'écho avec le signal émis est proportionnelle à un coefficient A n donné par sin) # (#F # - n) An = , # désignant le retard de # (#F# - n) l'écho. An est donc maximal pour # F = n L'amplitude A n varie en fonction de # suivant la fonction sin x , bien connue en théorie du signal, qui x possède les lobes secondaires déjà signalés. Ces lobes secondaires sont alternativement positifs et négatifs, ce qui correspond à des inversions de phase du battement. Cette amplitude A n en fonction du retard de l'écho est représentée à la figure 4. L'invention consiste à exploiter à la réception deux harmoniques particuliers du battement, et plus particulièrement leurs amplitudes et leurs phases respectives, ceci permet de s'affranchir des erreurs de mesure dues aux lobes secondaires de la loi de réponse en distancez Sur la figure 5, on a tracé les courbes de variation des amplitudes des harmoniques de rang n (traits pleins) et n+l (traits pointillés) en fonction du retard T de l'écho. On voit que dans toute la région où se trouvent des lobes secondaires, ceux-ci sont de signes opposés pour les deux harmoniques condisérés. Les signes sont identiques seulement pour les valeurs de correspondant à la partie commune aux deux lobes principaux des deux courbes (partie hachurée). La connaissance du déphasage relatif de ces deux harmoniques permet donc de délimiter parfaitement la zone de détection indépendamment du niveau reçu. La précision peut encore être augmentée en comparant l'amplitude de ces harmoniques au voisinage du point de recoupement En application de ce principe, le dispositif, objet de l'invention peut être constitué de la façon représentée schématiquement à la figure 6. Dans ce dispositif, les éléments analogues à ceux du dispositif antérieur de la figure 1 sont repérés avec les mêmes numéros. C'est ainsi que l'on retrouve le générateur 1 qui alimente, par l'intermédiaire du circulateur 2, une antenne 3 en un signal modulé en fréquence par un modulateur 4. Bien entendu, pour certaines applications, on pourrait utiliser deux antennes, l'une pour l'émission et l'autre pour la réception : ceci permettrait la suppression du circulateur 2. Ce modulateur 4 délivre la tension de modulation, par exemple une tension en dents de scie de période T et donc de fréquence fm = 1 . Un générateur 9 de fréquences T fournissant la fréquence de modulation m ainsi que ses harmoniques nfm et (n+l)fm , respectivement de rangs n et n+l Le mélangeur 5 effectue le battement d'une fraction du signal émis avec le signal reçu. Conformément à l'invention, deux chaînes d'amplification sélectives 10 et 11 sont accordées sur les harmoniques n et n+l de la fréquence de modulation. Eventuellement, une seule chaine d'amplification commune aux deux harmoniques pourrait être utilisée. Deux mélangeurs, 12 et 13, constitués par exemple de multiplicateurs, ou de démodulateurs en anneau, fournissent les amplitudes des signaux à la fréquence Doppler avec conservation de la phase. Ces mélangeurs sont attaqués, d'une part par les harmoniques reçus, et d'autre part, par les signaux de référence de fréquences nfm et (n+l)fm déduits de la fréquence de modulation par multiplication et issus du générateur 9. Deux amplificateurs de type basse fréquence, 14 et 15, dont la bande passante est déterminée par la vitesse de déplacement de la cible, de façon à prendre en compte l'effet Doppler en résultant sont placés respectivement à la sortie des mélangeurs 12 et 13. Un multiplicateur 16 faisant fonction de démodulateur d'amplitude et de détecteur de phase reçoit les signaux issus des amplificateurs 14 et 15, la polarité de la tension de sortie est positive ou négative selon que les signaux à l'entrée du multiplicateur sont en phase ou en opposition de phase. Ce multiplicateur est suivi d'un filtre passe-bas 17 et d'un dispositif à seuil 18 dont le niveau est réglé à une valeur positive. Si on se réfère à la figure 5, on voit que le dispositif décrit ci-dessus permet de détecter le passage d'une cible à une distance prédéterminée, avec une zone -d'incertitude dont la largeur, exprimée en retard de l'écho, est égale à1. #f Par exemple, si z f =100 MHz, la zone d'incertitude sera de 10 ns, ce qui correspond à 1,5 m L'avantage principal du dispositif est que la zone d'incertitude n'est pas augmentée lorsqu'il se produit des fluctuations importantes du niveau reçu. Le dispositif de la figure 7 représente une variante de celui de la figure 6. En effet, au cas où la précision obtenue est insuffisante, un dispositif de comparaison des amplitudes des harmoniques peut être ajouté sous forme d'une "voie différence". Un dispositif de soustraction 19 permet de détecter l'égalité des niveaux des deux harmoniques reçus. I1 est avantageux d'effectuer cette soustraction sur les signaux détectés. Une logique de décision 20 indique le passage de la cible à la distance correspondant au recoupement des courbes (voir figure 5) lorsque l'on a simultanément - annulation du signal de la voie différence, - dépassement du seuil positif de la voie produit. Une autre amélioration possible consiste à utiliser un contrôle automatique de gain (C.A.G.) pour compenser les variations d'amplitude de l'écho reçu. Il est particulièrement avantageux de commander le gain de la chaîne de réception à partir de la voie produit uniquement lorsqu'elle délivre une tension négative, c'est-à-dire lorsque la cible se trouve à une distance correspondant aux lobes secondaires. De cette façon, le gain se trouve réglé à une valeur telle que, lorsque la cible se trouve à la distance correspondant au lobe principal, le niveau du signal de la voie produit atteint une valeur maximale dépendant peu du niveau reçu. On peut alors régler correctement le seuil de détection, par exemple à la moitié de la valeur maximale attendue du signal. On obtient ainsi une faible probabilité de fausse alarme due au bruit, une bonne probabilité de détection, ainsi qu'une bonne précision. Outre l'utilisation du produit ou de la différence des harmoniques précédemment décrite, il peut être envisagé d'en effectuer la somme au moyen d'un additionneur 21 comme indiqué sur la figure 8. Comme les lobes secondaires des courbes de réponse en distance de ces harmoniques sont en opposition de phase, on obtient ainsi une courbe de réponse avec des lobes secondaires particulièrement faibles, comme cela est illustré par la figure 9. Cette voie somme peut être exploitée à la place ou en complément de la voie produit lorsqu'il y a un risque de présence de cibles multiples proches les unes des autres. En effet, dans ce cas, la voie produit peut donner des réponses parasites dues à des produits croisés indésirables. La description de l'invention ci-dessus dans le cas d'une modulation de fréquence en dents de scie n'est pas limitative. On peut utiliser d'autres types de modulation périodique, à condition de choisir les harmoniques que l'on exploite à la réception de façon judicieuse. Ainsi, dans le cas d'une modulation triangulaire, les harmoniques à considérer sont ceux de rang n et n+2. Si l'on désire que le radar puisse détecter une cible dans une gamme de distances étendue, on peut exploiter un nombre plus grand d'harmoniques de la fréquence de modulation contenus dans ce battement. Le traitement de ces signaux est identique à ce qui a été décrit précédemment. REVENDICATIONS 1. Système électromagnétique de mesure de courtes distances de type radar à modulation périodique de fréquence, dans lequel un signal dont la fréquence est caractéristique de la distance à mesurer est obtenu en effectuant le battement de l'écho reçu avec l'onde émise, caractérisé en ce que, au moins deux harmoniques du signal de battement sont isolés et respectivement mélangés aux harmoniques de rang correspondant du signal de modulation, le traitement des signaux ainsi obtenus délivrant le signal porteur de l'information de distance à mesurer. 2. Système électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le traitement des signaux consiste en une multiplication de l'un des harmoniques par l'autre de façon à obtenir une tension dont la polarité est positive ou négative suivant que le déphasage relatif est ou ou 180 . 3. Système électromagnétique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la tension positive ou négative résultante est comparée à un seuil positif dont le dépassement indique la présence d'une cible dans une zone déterminée indépendamment du niveau de l'écho reçu. 4. Système électromagnétique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la différence des signaux présents dans les deux voies est effectuée après détection dans la bande Doppler, l'annulation de cette différence associée au dépassement du seuil permettant d'indiquer avec précision le passage de la cible au centre de la zone de détection. 5. Système électromagnétique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un dispositif de contrôle automatique de gain est utilisé pour commander le gain des deux chaînes de réception de façon à réguler le niveau reçu, ce signal de commande n'étant utilisé que lorsqu'il est négatif. 6. Système électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la somme des signaux en bande Doppler est effectuée avant détection, de façon à obtenir un signal de présence de niveau faible en dehors de la zone de détection, lequel signal peut être comparé à un seuil de décision. 7. Système électromagnétique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la modulation de fréquence possède une loi en dents de scie, les harmoniques de battement exploités étant de rang n et n+l par rapport à la fréquence de modulation. 8. Système électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la modulation de fréquence utilisée possède une loi triangulaire, les harmoniques de battement exploités étant de rang n et n+2 par rapport à la fréquence de modulation.