Brevet FR2589246A1 — publié le 19870430

- 2589246 -4- DISPOSITIF POUR MESURER LA DISTANCE QUI LE SEPARE D'UN MOBILE. La pr6sente invention concerne un dispositif pour mesurer la distance qui le sépare d'un mobile, dispositif comportant des moyens d'émission pour émettre une onde dans un champ de mesure, des moyens de réception pour d'une part rece- voir l'onde réfléchie par le mobile se d6plaçant dans le champ de mesure, et pour d'autre part fournir un signal de battement à la fréquence Doppler, des moyens de délimitation pour for- mer, dans le champ de mesure, au moins deux lignes-repères et des moyens de traitement pour élaborer l'information de dis- tance à partir de la mesure des fr6quences Doppler aux fran-' chissements par le mobile desdites directions repères. Dans les demandes de brevet d'Allemagne Fédérale No 2 315 815, 2 315 816 et 2 365 763, un tel dispositif est décrit. Ce dispositif décrit est embarqué sur un mobile et utilis6 dans un asservissement pour le maintenir par sustenta- tion électromagnétique, à une distance fixe d'un rail. Cette distance se déduit de la fréquence Doppler en des instants dé- finis par des lignes-repères obtenues au moyen d'un faisceau laser émis depuis le mobile et se réfléchissant sur des ré- flecteurs disposés le long du rail à égale distance les uns des autres. Ce dispositif nécessite la pr6sence d'éléments disposes (les r6flecteurs) en vis à vis. Or, il existe certai- nes applications o la présence de ces éléments en vis a vis n'est pas tol6rable. C'est le cas notamment o le dispositif est utilisé pour déclencher une mine au passage d'un véhicule circulant dans son voisinage. Il importe alors que le disposi- tif soit discret, ce qui exclut donc la présence d'objets ex- térieurs pour coopérer avec le dispositif. Il convient de no- ter que pour ce genre d'application, la mesure de distance -2 est indispensable pour ne déclencher la mine que si le véhicu- le pénètre dans la zone d'efficacité de celle-ci. Pour cela, un dispositif pour mesurer la distan- ce qui le sépare d'un mobile est remarquable en ce que les moyens de délimitation sont constitués à partir de détecteurs thermiques disposés dans un montage optique dont l'axe optique définit la ligne-repère et en ce qu'il est prévu un circuit de chronométrage pour définir les instants de franchissement par le mobile des repères et pour les fournir au moyen de traitement. Un mode de réalisation préféré, selon lequel il est prévu un moyen de mise en route commandé à partir des dé- tecteurs thermiques pour ne déclencher les moyens d'émission qu'au franchissement d'une direction repère par le mobile, procure l'avantage suivant. Le dispositif devient alors pratiquement indéce- lable puisqu'en dehors du passage de véhicule; il se comporte d'une manière passive c'est-à-dire qu'il n'émet aucun rayonne- ment. La description suivante, faite en regard des dessins annexes, le tout donné à titre d'exemple non limita- tif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réali- see. La figure 1 montre schématiquement un dispositif pour mesurer la distance conforme à l'invention. La figure 2 est un schéma destiné à faciliter la compréhension du fonctionnement du dispositif de l'invention. La figure 3 montre un mode de réalisation du dispositif pour mesurer la distance conforme à l'invention. Les figures 4a et 4b montrent les ordinogrammes de fonctionnement d'un ensemble à microprocesseur faisant par- tie du dispositif de la figure 3. La figure 5 montre, en variante, comment le dis- positif de la figure 3 peut être modifié pour pouvoir déclen- cher une mine. -3- La figure 6 montre la modification afférente ap- portée à l'ordinogramme de la figure 4b. La figure 7 montre un mode de réalisation des moyens de délimitation. La figure 8 montre un montage d'éléments détec- teurs thermiques convenant pour les moyens de délimitation. La figure 9 montre un dispositif pour mesurer la distance, pour lequel lignes-repères sont prévues. La figure 10 montre la modification apportée en conséquence au schéma de la figure 3. Le dispositif de l'invention porte sur la figure 1 la référence 1. Le mobile 2, par exemple un véhicule rou- tier, se déplace avec une vitesse "v" selon une trajectoire 3 supposée rectiligne. Cette trajectoire pénètre, comme repré- sentg sur la figure 1, le champ de mesure 5 du dispositif 1. Ce champ de mesure est défini en fait par la portée d'un sys- tème radar-Doppler 6 qui fait partie du dispositif 1 et qui émet et reçoit des ondes électromagnétiques par l'intermédiai- re d'une antenne d'émission-r6ception 7; la largeur du lobe de rayonnement de cette antenne 7 est OR. Grace à des moyens de délimitation constitués notamment par des dispositifs 8a et 8b, on crée dans ce champ d'action des zones-repères que l'on assimilera à deux lignes droites Ca et Cb et qui seront d6nom- mées lignes-repères. Ces lignes forment entre elles un angle O dont le sommet se situe au niveau du dispositif 1. La trajectoire 3 coupe les lignes repères Ca et Cb aux points Ma et Mb respec- tivement. Un circuit de traitement 10 fournit sur la borne 12 l'indication de distance R entre le point Na et le-dispositif 1. Cette distance est déterminée notamment par les fréquences Doppler fournies par le système radar Doppler 6. Conformément à l'invention, les dispositifs 8a et 8b sont constitués à partir de détecteurs thermiques 15a et b disposés dans un montage optique formé de deux systèmes optiques 20a et 20b dont les axes optiques définissent les li- - 4 - gnes-repères. Il est prévu un circuit de chronométrage 25 pour définir les instants de franchissement des lignes-repères et pour les fournir au circuit de traitement 10. Le principe de fonctionnement de l'invention re- pose sur les considérations suivantes: On se reporte à la figure 2. Le point O repré- sente l'emplacement du dispositif 1. La trajectoire 3 coupe les droites Ca et Cb aux points Ma et Mb en formant les angles a et b respectivement. On note par tb et ta les instants o le mobile 2 franchit les lignes Cb et Ca. Lorsque le mobile franchit la ligne Cb, par sui- te de l'effet Doppler il existe une différence de fréquence fb entre l'onde émise, dont la longueur d'onde est À, et l'onde reçue fb = v cos(cb) Lorsque le mobile franchit la ligne Ca la diffé- rence de fréquence fa s'écrit: fa =2v cos(aa) En remarquant que: (aa) (ab) = O et si on suppose ensuite petit on peut écrire: fa - fb - 2v.. sin(ab) Na Mb R sin 8 sin(aa) d'o R _ À (ta-tb).fb-fa 2 8 sin O Les symboles signifient: à peu près égal. - 5 - La figure 3 montre en détail un mode de réalisation du dispositif 1. Le système radar 6 est formé d'un générateur haute fréquence 30 fournissant une onde continue de 15000 MHz par exemple; cette onde est transmise à l'antenne d'émission- réception 7 en passant successivement par l'intermédiaire d'un premier coupleur directif 32, d'un deuxième coupleur directif 33 et d'un interrupteur à diode PIN 34. Un circuit-mélangeur équilibré 35 effectue le mélange de l'onde directe prélevée au moyen du coupleur 32 et de l'onde réfléchie prélevée par le coupleur 33. Après une amplification procurée par un amplifi- cateur 37, on obtient un signal de battement ayant la fréquen- ce due à l'effet Doppler et une amplitude convenable pour être codé sous forme numérique par le convertisseur numérique-ana- logique 40. Un circuit à seuil 42 fournit à sa sortie un si- gnal indiquant que le mobile 2 est d'une certaine importance, ce qui correspond à une certaine amplitude du signal à la sor- tie de l'amplificateur 37. Le circuit de chronométrage 25 est constitué de la manière suivante. Les fils de sortie des détecteurs thermi- ques sont reliés respectivement aux entrées (+) et (-) d'un amplificateur différentiel 50; un circuit d'évaluation en va- leur absolue 52, dont l'entrée est connectée à la sortie de cet amplificateur 50, fournit un signal dont l'amplitude dé- pend de celle du signal de sortie, mais non de son signe. Un circuit à seuil 54, connecté à la sortie du circuit 52, ne fournit un signal actif à sa sortie que si l'amplitude du si- gnal appliqué à son entrée a une valeur suffisante. Ce signal actif met à "1" l'état d'une bascule 56. Le signal de sortie de cette bascule ouvre ou ferme, selon son état, une porte ET 58 à deux entrées. Les signaux périodiques émis en permanence par un circuit d'horloge 60 ne sont transmis à une entrée de comptage d'un compteur 62 par l'intermédiaire de cette porte 58 que lorsque le signal de sortie de la bascule 56 l'autori- se. -____________ 2589246 Il convient de remarquer la liaison qui existe entre la sortie de la bascule 56 et la commande de l'interrup- teur 34. L'interrupteur 34 est fermé (alors l'antenne 10 rayonne) lorsque la porte 58 est ouverte, ce qui correspond au passage du mobile 2 entre les deux lignes repères Ca et Cb; c'est-à-dire que le dispositif ne rayonne que durant le temps nécessaire à une mesure de distance. Le circuit de traitement 10 est élaboré autour d'un ensemble à microprocesseur 80 constitué essentiellement d'un microprocesseur proprement dit, par exemple le TMS 32010 fabriqué par la soci6té TEXAS INSTRUMENT et une mémoire à lec- ture seule (m6moire ROM) contenant les instructions qui régis- sent tout le fonctionnement du dispositif.'L'ensemble 80 com- munique avec l'extérieur au moyen de deux lignes communes BUSAD et BUSD. La ligne BUSD bidirectionnelle est utilisée pour fournir des données à l'extérieur et pour en recevoir, la ligne BUSAD pour transmettre des codes d'adresses. Un décodeur décode certains de ces codes d'adresses pour élaborer dif- férents signaux de commandes TOUT, TRST, TT, TRZ, TS2. Les si- gnaux de commande TOUT, TT et TS2 sont respectivement appli- qu5s à l'entr6e de commande "état ouvert-état passant" d'am- plificateurs à trois états 92, 96 et 102 connectés à la ligne BUSD. L'amplificateur 92 permet de fournir sur la borne 12 l'indication de distance. Les entrées de l'amplificateur 96 reçoivent les signaux donnant le contenu du compteur 62. La sortie de l'amplificateur 98 est reliée à la commande de mise à zéro du compteur 62. Les signaux de commande TRST et TRZ sont appliqués directement à l'entrée de remise à zéro de la bascule 56 et du compteur 62. L'entrée de l'amplificateur 102 est reliée à la sortie du circuit à seuil 42. On notera la présence d'un ensemble amplificateur à trois états commandé directement à l'ensemble 80 d'une manière décrite dans un ar- ticle dont il sera fait mention ci-dessous. Le dispositif fonctionne de la manière suivan- te. On suppose tout d'abord que l'interrupteur 34 est ouvert : J 1 - 7 - et que le véhicule 2 se déplace de la droite vers la gauche (voir figure 1). Lorsqu'il franchit la ligne Cb, le détecteur décèle ce franchissement; il y a donc un déséquilibre aux entrées de l'amplificateur différentiel 50 (figure 3); quel que soit le signe de ce déséquilibre seule son amplitude est considérée à la sortie du circuit d'évaluation 52. Finalement, le circuit à seuil 54 fournit à sa sortie un signal actif. Ce- ci a deux conséquences: la première est que la bascule 56 change d'état provoquant d'une part la fermeture de l'inter- rupteur 34 et d'autre part le passage par la porte 58 des im- pulsions de comptage du circuit d'horloge 60 pour le compteur 62; la deuxième conséquence est qu'un signal actif est appli- qué à l'entrée IRQ pour interruption de l'ensemble 80, ce qui déclenche le déroulement du programme d'interruption qui sera examiné plus en détail. A l'intérieur du système radar-Doppler 6 l'onde de battement à la sortie de l'amplificateur est convertie par le codeur 40 pour être traitée par l'ensemble 10 et fournit ainsi l'information de vitesse du véhicule 2 au franchissement de la ligne Cb. Puis le véhicule 2 franchit la ligne Ca. Un signal actif apparaît à la sortie du circuit 54; ce signal n'a aucun effet sur la bascule 56 mais déclenche au niveau de l'ensemble 80 la deuxième partie du programme d'interruption décrit ci-après. Cette deuxième partie a pour but d'une part de déterminer-la vitesse du véhicule au franchissement de la ligne Ca et d'autre part de calculer la distance R. Cette par- tie de programme détermine également quelques fonctions anne- xes comme par exemple la remise à zéro de la bascule 56 et du compteur 96. D'autre part, on peut utiliser le signal à la sortie du circuit à seuil 42 pour valider ou non le résultat de la mesure de R. L'ordinogramme représentant le fonctionnement de l'ensemble 80 est représenté aux figures 4a et 4b. La figure 4a représente la phase d'initialisation déclenchée par la mise en route du dispositif. La case K8 à la figure 4a signifie que l'on rend actif le si- gnal TRST; pour cela, on engendre un certain code d'adresse sur la ligne BUSAD. Ce certain code est reconnu par le déco- deur 90 de sorte que le signal TRST est rendu actif pour met- tre à l'état "0" la bascule 56. La case K10 à la figure 4a si- -gnifie-que l'on- red actif le signal TRZ; pour cela, on en- gendre un certain autre code d'adresse sur la ligne BUSAD. Ce certain autre code reconnu par le décodeur 90 rend actif le signal TRZ. De cette manière donc, le contenu du compteur 62 est initialisé à zéro. A la case K12 on indique que l'on met à zéro le contenu d'un emplacement d'une mémoire (emplacement dénommé NIRQ) située à l'intérieur de l'ensemble 80. Le dérou- lement du programme dont l'ordinogramme est représenté à la figure 4b est déclenché par des impulsions provoquant des in- terruptions. C'est ce qui est indiqué par la case K20. Le pro- gramme commence par le test du contenu de l'emplacement NIRQ (case K22). Si ce contenu est inférieur à une quantité égale par exemple à 300 on effectue la branche de programme BRO, si- non, on effectue la branche de programme BR1. La branche de programme BRO commence à la case K30 o figure une procédure de transformation de Fourier rapide. On trouvera tous les dé- tails sur cette procédure, dans laquelle participe le conver- tisseur analogique-numérique 40, dans l'ouvrage édité par TEXAS INSTRUMENT intitulé "Signal Processing with the TMS 320" à l'article: "Signal processing PC builds FFT-based Spectrum analyzer" pages 21-26. Les différents échantillons appelés Pi, résultant de cette transformation, par exemple au nombre de 256, sont rangés en mémoire interne de sorte que l'échantillon de plus forte valeur PMAX puisse être déterminé (case K32). De là, on peut calculer (case K34) la valeur Vb qui est mise en mémoire. Puis on met à l'emplacement NIRQ la valeur 300 (case K36). Enfin, cette branche de programme se termine par une phase d'attente pour la prochaine impulsion d'interrup- tion. -9 Cette prochaine impulsion d'interruption permet le déroulement de la branche de programme BR1 puisque le test indiqué à la case K22 est négatif. On retrouve dans cette branche les mêmes opérations indiquées aux cases K30 et K32 (dans cette branche BR1 elles sont référencées par E40 et K42). Cependant, on a inséré (case K41) une opération suppl5- mentaire. Cette opération consiste à mettre à zéro la bascule 56. La case K44 indique le calcul de la vitesse Va. Puis on vient lire (case K47) le contenu du compteur 62. Pour cela, on active le signal TT; ce contenu est nécessaire pour calculer (case K51) la valeur R; cette valeur peut être enfin communi- quée à la borne 12 et pour cela on active (case K53) le signal TOUT. Puis on met "O" à l'emplacement de mémoire repéré par NIRQ (case K56) et l'on passe enfin en phase d'attente K58. La prochaine impulsion d'interruption déclenchera alors le d5rou- lement de la branche BRO de programme. Dans le genre d'utilisation de déclenchement de mine envisagé ci-dessus, l'amplificateur 92 au lieu d'être connecté à tous les fils de la ligne BUSD peut être connecté à un seul fil FB de cette ligne, comme indiqué sur la figure 5. Pour que ce signal soit rendu actif, il doit auparavant satis- faire certains tests. Ceci est représenté à la figure 6 o l'on voit que des tests viennent s'insérer entre les cases K51 et K53 de l'ordinogramme de la figure 4b. Ces cinq tests sont représentés par les cases K512 et K518. A la case K512 on vient tester si le niveau du signal de battement a une valeur suffisante, ce qui revient à tester la valeur du signal de sortie du circuit à seuil 42. Puis enfin, on compare la valeur R qui vient d'être calculée avec une valeur RMAX donnant la portée d'ef- ficacité de l'explosif déclenché par le dispositif de l'inven- tion. Si R est inférieur à la valeur RMAX, alors la case K53' signifie qu'un signal actif "1" est fourni à la borne 12. - 10 - Il est à remarquer que si un seul des tests indiqués aux cases K512 et K518 est négatif, on passe à la ca- se K56, ce qui revient à mettre à l'état initial le disposi- tif. A la figure 7, on représente un mode de réalisa- tion préféré d'un dispositif 8 pour créer les Iignes-repères. Dans ce dispositif de la figure 7, les détecteurs thermiques portant toujours les références 15a et 15b sont disposés dans le plan focal 107 d'une surface concave réfléchissante, de sorte qu'un faisceau centré sur la ligne Ca vient converger sur le détecteur 15a en passant au travers d'un hublot 110 pratiqué dans une enceinte 120 protégeant l'ensemble et qu'un autre faisceau centré sur la ligne Cb converge sur le détec- teur 15b. La figure 8 montre comment les détecteurs ther- miques peuvent être constitués. Les références 150 et 151 re- pèrent les éléments sensibles au rayonnement thermique; un signal de sortie est appliqué à un amplificateur différentiel , de sorte que le signal de sortie est insensible aux déri- ves thermiques des deux éléments 150 et 151 et aux variations de rayonnement (et en général à tous les parasites affectant de la même façon les deux détecteurs). A la figure 9, on montre un dispositif conforme à l'invention o le véhicule peut surgir indifféremment de la droite ou de la gauche de la ligne Ca. Pour cela, on crée une troisième ligne repère Cb(g) en plus de la ligne repère Cb(d) située à droite. A ces lignes Cb(g), Ca, Cb(d) on peut asso- cier des montages optiques 20b(g), 20a et 20b(d) avec les dé- tecteurs 15b(g), 15a et 15b(d) ou bien, comme dans la figure 7, disposer trois des éléments détecteurs dans le plan focal de la surface 100. La figure 10 montre comment les signaux de sor- tie de ces différents éléments de sortie sont utilisés. Les signaux de sortie des éléments 15a et 15b(d) sont appliqués aux entrées (-) et (+) d'un amplificateur différentiel 50d suivi d'un circuit d'évaluation 52d et d'un circuit à seuil - 11 - 54d. D'une manière semblable, les signaux de sortie des éé16- ments 15a et 15b(g) sont appliqués aux entrées (-) et (+) d'un amplificateur différentiel 50g suivi d'un circuit d'évaluation 52g et d'un circuit à seuil 54g. Une porte OU receuille les signaux aux sorties des circuits 54g et 54d pour les fournir à la bascule 56 et à l'ensemble 80. - 12 - REVENDICATIONS: 1. Dispositif pour mesurer la distance qui le sépa- re d'un mobile, dispositif comportant des moyens d'émission pour émettre une onde dans un champ de mesure, des moyens de réception pour d'une part recevoir l'onde réfléchie par le mo- bile se déplaçant dans le champ de mesure, et pour d'autre part fournir un signal de battement à la fréquence Doppler, des moyens de délimitation pour former, dans le champ de mesu- re, au moins deux lignes-repères et des moyens de traitement pour élaborer l'information de distance à partir de la mesure des fréquences Doppler aux franchissements par le mobile des- dites lignes-repères, caractérisé en ce que les moyens de dé- limitation sont constitués à partir de détecteurs thermiques disposés dans un montage optique présentant au moins deux axes optiques pour définir les lignes-repères, et en ce qu'il est prévu un circuit de chronométrage pour définir les ins- tants de franchissement par le mobile des lignes repères et pour les fournir au moyen de traitement. 2. Dispositif pour mesurer la distance qui le sépa- re d'un mobile, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu un moyen de mise en route commandé à partir des détecteurs thermiques pour ne déclencher les moyens d'émission qu'au franchissement d'une ligne-repère par le mo- bile. 3- Dispositif pour mesurer la distance qui le sépa- re d'un mobile selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les détecteurs thermiques sont disposés à une certaine distance les uns des autres dans le plan focal d'une optique convergente de façon à créer des lignes-repères, les axes op- tiques étant définis par les trajets issus de ces détecteurs et obtenus par l'optique convergente. 4. Dispositif pour mesurer la distance qui le sépa- re d'un mobile selon la revendication 1 ou 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens de traitement sont conçus pour évaluer la grandeur suivante: - 13 - R = -/2 (ta - tb) fb - fa e ' sin e o X est la longueur d'onde de rayonnement de l'onde émise par les moyens d'émission, (ta - tb) est l'intervalle de temps séparant le franchissement par le mobile de deux lignes repères, fa, fb sont les fréquences Doppler engendrées par le mobile au franchissement des lignes repères et 0 est l'angle formé par les lignes repères. 5. Dispositif pour mesurer la distance qui le sépa- re d'un mobile selon l'une des revendications 1 à 4, destiné à fournir un signal relatif à un mobile et dans lequel les moyens de traitement comportent un analyseur de spectre de fréquence Doppler pour fournir des composantes de fréquence, caractérisé en ce qu'un signal actif n'est fourni que si cer- taines des conditions suivantes sont respectées: cl) la distance R qui le sépare du mobile est inférieure à une valeur prédéterminée RMAX, c2) le niveau du signal de battement est suffisant.