Brevet FR2606159A1 — publié le 19880506

- 1 - DISPOSITIF RADAR POUR MESURER LA DISTANCE OUI LE SEPARE D'UN OBJET. La présente invention concerne un dispositif radar pour mesurer la distance 'h' qui le sépare d'un objet, dispo- sitif comportant des moyens d'émission pour émettre vers l'ob- jet une onde modulée en fréquence, des moyens de réception pour recevoir l'onde après réflexion sur l'objet, des moyens de mélange pour fournir une onde de battement entre l'onde émise et l'onde reçue, des moyens de traitement numérique ra- pide pour effectuer une opération de transformation temporel- le-fréquentielle sur l'onde de battement. Le genre d'application visé plus particulièrement par l'invention est la détermination de l'altitude d'un aéro- nef, le dispositif étant embarqué à bord de ce dernier tandis que l'objet est constitué par le sol. Depuis quelque temps, on s'efforce d'utiliser pour cette détermination de distance des circuits de traitement nu- mérique (voir par exemple le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 4 568 938). La présente invention propose un tel dispositif ra- dar présentant une structure qui permet d'effectuer des trai- tements numériques d'une manière très souple en faisant varier par exemple différents paramètres entrant en jeu pour la mesu- re de cette distance, et aussi une structure qui permet d'as- surer une grande fiabilité dans les résultats donnés. Pour cela, un dispositif du genre mentionné dans le préambule est remarquable en ce qu'il comporte des moyens de gestion pour piloter, notamment les moyens de traitement numé- rique et les moyens d'émission. Selon un mode de réalisation avantageux les moyens de gestion peuvent être réalisés sous forme de microprocesseur exécutant les instructions d'un programme implanté dans une - 2 - mémoire morte. Avec un tel mode de réalisation, on se rend compte que l'utilisateur en établissant un programme convena- ble est maitre des paramètres du dispositif, qu'il peut multi- plier les mesures pour s'assurer par redondance de leur exac- OS titude, qu'il peut détecter une défaillance et que, si cette défaillance provient des moyens de traitement numérique rapi- de, il peut prévoir que des traitements rapides soient exécu- tés à un rythme plus lent par les moyens de gestion, ce qui peut suffire probablement dans certaines circonstances. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante, accompagnée des dessins ci-anne- xés. Sur ces dessins: La figure 1 montre un dispositif radar conforme à l'invention. La figure 2 montre plus en détail les moyens de traitement rapide reliés avec les moyens de gestion ainsi que l'unité de visualisation. La figure 3 montre la commande de niveau des moyens d'émission. La figure 4 montre la commande de fréquence des moyens d'émission. La figure 5 montre la commande de gain des moyens de réception. La référence 1 portée sur la figure 1 indique le dispositif de l'invention. La référence 2 indique l'objet sé- paré d'une distance Oh' du dispositif. Dans l'exemple décrit se rapportant à l'application envisagée de radionavigation, l'objet 2 est la surface du sol tandis que le dispositif 2 est embarqué à bord d'un aéronef non représenté. Pour mesurer cette distance 'h', on utilise une on- de E(t) modulée linéairement en fréquence à partir d'une fré- quence porteuse fo (par exemple 4 GHz) sur une plage de fré- quence AF, ce qui s'écrit: (1) E(t) = A cos[2T(fo + T t)t] - T)t -3- pour t variant dans les laps de temps T o la dent de scie se produit. A est une constante définissant l'amplitude de l'onde. Cette onde est émise dans l'espace à partir d'une antenne d'émission 5 qui est connectée à la sortie d'un ampli- ficateur d'émission 7. Cet amplificateur 7 amplifie le signal fourni par un oscillateur 9 à commande de fréquence par ten- sion. Un générateur de signaux en dents de scie portant la ré- férence 11 fournit la tension de commande pour cet oscillateur 9. L'onde E(t) est réfléchie par l'objet 2 de sorte que l'onde reçue s'écrit: (2) R(t) = B cos[21(fo + -û (t-T)t] o B est une constante définissant le niveau reçu et T représente le retard entre l'onde émise et l'onde réflé- chie. Pour recevoir cette onde R(t), le dispositif radar 1 est muni d'une antenne de réception 15, d'un amplificateur haute fréquence de réception 17. Un circuit mélangeur 20 effectue le mélange de l'onde reçue amplifiée par l'amplificateur 13 avec l'onde d'émission prélevée au moyen d'un coupleur directif 22 inséré entre l'oscillateur 9 et l'amplificateur d'émission 7. Ce mé- langeur 20 fournit une onde M(t): AF (3) M(t) = C cos[2f- T yt] o C représente une constante. De la fréquence "fbe du signal M(t) on déduit la distance "hu: AF - _2h fb = T -F o T = 2h T c (c = vitesse de la lumière) d'o: (4) h fb- T 2AF Le signal M(t) est d'une façon avantageuse traité sous forme numérique; pour cela, on a prévu un convertisseur analogi- que-numérique 25 pour convertir ce signal M(t) qui a subi au- 2 606159 -- 4 -- paravant une amplification apportée par un amplificateur de battement 27. Le convertisseur analogique-numérique 25 fournit des échantillons numériques à un ensemble de traitement numé- rique rapide 30 qui est prévu pour en former des spectres en fréquence. Ces spectres sont ensuite traités par un ensemble de gestion 35 de façon à fournir à l'utilisateur la valeur de la distance 'h' sur un indicateur 40. Conformément à l'invention, le dispositif radar est muni d'un ensemble de gestion 50 pour fournir notamment à l'utilisateur la valeur 'h* par l'intermédiaire-d'une unité de visualisation 55 et pour piloter notamment le générateur de signaux de dents de scie 11 et aussi l'ensemble de traitement numérique rapide. En outre, l'ensemble de gestion pilote le niveau de l'onde d'émission en agissant sur une commande d'at- ténuation incorporée à l'amplificateur d'émission 7. Pour mon- trer le pilotage de ces éléments par l'ensemble de gestion, on a représenté sur les figures un faisceau FSCX qui les relie à l'ensemble de gestion 50. Il va de soi qu'en pratique les dif- férentes liaisons entre les éléments et l'ensemble de gestion peuvent ne pas emprunter le méme parcours et de ce fait n'ont pas forcément l'aspect physique d'un faisceau de fils. A la figure 2, on a représenté plus en détail l'en- semble de gestion 50, l'ensemble de traitement numérique rapi- de 30 et l'unité de visualisation 55. L'ensemble de gestion est constitué autour d'une unité à microprocesseur 100 comprenant, comme cela est bien connu, le microprocesseur proprement dit pPg (par exemple le 6809 fabriqué par MOTOROLA), une mémoire vive RAM et une mé- moire morte ROM dans laquelle est enregistré le programme sou- haité par l'utilisateur. Cette unité communique à l'extérieur par l'intermédiaire d'une ligne BSDG pour transmettre des don- nées et d'une ligne BADG pour transmettre des codes d'adres- ses. -5- L'ensemble 50 comporte un décodeur de codes d'adresse qui décode les codes transmis par la ligne BADG; ce décodeur fournit différents signaux CZF, CAFF, RG, WG, CDS, CTM, CATT qui sont transmis vers différents éléments du dispo- sitif radar de l'invention par l'intermédiaire du faisceau FSCX. L'ensemble 50 comporte aussi un circuit d'interface 115 programmable (par exemple le circuit immatriculé 6820, fabri- qué par MOTOROLA) dont les accès sont reliés à des fils fai- sant partie du faisceau FSCX. L'ensemble de traitement numérique est formé aussi d'une unité à microprocesseur 200 comportant un microproces- seur proprement dit fonctionnant rapidement (par exemple le TMS 320 fabriqué par Texas Instruments) une mémoire morte ROM et une mémoire vive RAM; cette unité est programmée pour ef- fectuer des transformations de Fourier rapide (on pourra à ce sujet consulter l'article de SURENDER HAGAR et al intitulé "pC builds FFT band spectrum analyzer paru dans le recueil "Si- gnal Processing with the TMS 320' édité par Texas Instru- ments). La transformation de Fourier est effectuée sur les si- gnaux de sortie d'un dispositif d'autocorrélation 203 d'un ty- pe décrit dans la demande de brevet français N 85 12 337 dé- posée le 13 août 1985 au nom de la Demanderesse. Les signaux de sortie de ce dispositif sont transmis par une ligne de transmission de données BSDF connectée à l'unité 200. L'entrée des signaux à autocorréler du dispositif est reliée à la sor- tie du convertisseur numérique-analogique 25 par l'intermé- diaire d'un registre 207. Un deuxième registre bidirectionnel 210 relie cette entrée à la ligne BSDF. Ainsi, il est possible de tester le bon fonctionnement du dispositif 203. Pour cela, le registre 207 est mis à l'état bloqué et des données prééta- blies provenant de l'unité 200 peuvent être injectées dans le dispositif et, de là, il devient possible de vérifier si ces données ont été correctement corrélées. Il est prévu aussi un décodeur de codes d'adresses 215 connecté sur la ligne BADF transmettant des codes d'adresses issus de l'unité 200; ce - 6 - décodeur 215 fournit notamment des signaux WF et RF.. L'ensem- ble 30 est connecté au faisceau FSCX par l'intermédiaire de deux mémoires 218 et 220 du type première donnée entrée, pre- mière donnée sortie (mémoire FIFO du genre LS222). L'entrée de la mémoire 218 est connectée par l'intermédiaire d'un registre bidirectionnel 222 à la ligne BSDF et sa sortie à la ligne BSDG par l'intermédiaire du faisceau FSCX. L'entrée de la mé- moire 220 est reliée à la ligne BSDG toujours par l'intermé- diaire du faisceau FSCX, tandis que sa sortie est reliée à la ligne BSDF par l'intermédiaire du registre 222.. Les signaux WF et RF permettent respectivement d'écrire dans la mémoire 210 et de lire dans la mémoire 220, les données à écrire et à lire concernant l'unité 200. Les signaux WG et RG traitant par le faisceau FSCX permettent respectivement l'écriture dans la mé- moire 220 et la lecture du contenu de la mémoire 218, les der- nières données à écrire et à lire concernant l'unité 100. Le signal CZF transitant par la ligne BSCC peut être utilisé pour initialiser ou reinitialiser l'unité 200. L'unité de visualisation 55 permet d'afficher le résultat fourni par l'unité 100 par l'intermédiaire de la li- gne BSDG transitant par le faisceau FSCX. C'est le signal CAFF affecté à l'unité 55 qui fixe la destination des données transmises par la ligne BSDG. A la figure 3 on a représenté une manière selon la- quelle on pourrait commander le niveau d'émission en agissant sur l'amplificateur d'émission 7. Cet amplificateur est formé d'un amplificateur à gain constant 300 suivi d'un atténuateur à diodes PIN commutables 302. La commutation de ces diodes est déterminée par un circuit de transcodage 305 que convertit en un code de commutation le code continu dans un registre 310. Les entrées de ce registre 310 sont reliées à la ligne BSDG par l'intermédiaire du faisceau FSCX. Pour que les données transmises par ces lignes soient enregistrées dans le registre 310, il faut que le signal CATT transitant par le faisceau FSCX soit actif. 2 6061S9 - 7 - La figure 4 montre comment le générateur de signaux en dents de scie est piloté par l'ensemble de gestion 50. Le générateur est élaboré autour d'un circuit 350 décrit dans le brevet européen N' 0 113 975. La durée des dents de scie est déterminée par un code contenu dans un registre 360. Les en- trées de ce registre 310 sont mises en relation avec la ligne BSDG par l'intermédiaire du faisceau FSCX lorsque le signal CDOS transitant aussi par ce faisceau est actif. Un circuit de minutage 370 est adjoint au circuit 350. Ce circuit de minuta- ge 370 (par exemple le circuit immatriculé 6840 et fabriqué par MOTOROLA) détermine la durée réelle de la dent de scie et cette durée est communiquée à l'ensemble de gestion par l'in- termédiaire de la ligne BSDG transitant dans le faisceau FSCX. Cette communication n'a lieu que si le signal CTM tran- sitant par le faisceau FSCX est actif. La figure 5 montre la manière dont on fait varier le gain de l'amplificateur de réception 27. Cet amplificateur est formé de deux amplificateurs à gain fixe 400 et 402 montés en cascade et entre lesquels est monté un atténuateur 405. Cet atténuateur est en fait un convertisseur numérique-analo- gique logarithmique (par exemple du type immatriculé AD7118); ce convertisseur fournit un signal de sortie qui est à la fois dépendant du code d'entrée et du signal d'entrée. Le code d'entrée provient du circuit 115 transitant par le faisceau FSCX. La structure du dispositif conforme à l'invention permet, par programmation, de satisfaire les souhaits les plus divers de l'utilisateur. Par exemple: - en agissant sur le générateur 11 on peut faire varier la du- rée T (et la mesurer ensuite par le circuit 370 pour des calculs plus précis) de sorte que la fréquence fb (voir for- mule (4)) reste dans des limites convenant au traitement ap- porté par l'ensemble de traitement numérique rapide 30. - en agissant sur le niveau d'émission au moyen de l'atténua- teur 302 (figure 3) on peut obtenir un niveau d'émission le 2 606159 -- 8 -- plus faible possible compatible avec une bonne-mesure de h', ce qui permet une moindre perturbation des appareils voisins. - en agissant sur le gain de l'amplificateur 27, l'amplitude des signaux à traiter par l'ensemble 30 est ajustée à sa va- leur optimale. - L'ensemble de gestion 50 peut déclencher un test de l'ensem- ble de traitement 30 et prendre des mesures en vue des dé- faillances de ce dernier. 9- REVENDICATIONS 1. Dispositif radar pour mesurer la distance h' qui le sépare d'un objet, dispositif comportant des moyens d'émis- sion pour émettre vers l'objet une onde modulée en fréquence, des moyens de réception pour recevoir l'onde après réflexion sur l'objet, des moyens de mélange pour fournir une onde de battement entre l'onde émise et l'onde reçue, des moyens de traitement numérique rapide pour effectuer une opération de transformation temporelle-fréquentielle sur l'onde de batte- ment, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de gestion pour fournir à l'utilisateur la valeur h' en agissant notam- ment sur les moyens d'émission et sur les moyens de traitement numérique rapide. 2. Dispositif radar selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les moyens de gestion sont constitués à partir d'un microprocesseur exécutant les instructions d'un programme implanté dans une mémoire morte. 3. Dispositif radar selon la revendication 1 ou 2, ca- ractérisé en ce que les moyens de traitement numérique rapide comportent un organe de transformation temporelle fréquentiel- le opérant sur les signaux de sortie d'un dispositif de corré- lation des signaux de battement. 4. Dispositif radar selon la revendication 2, caracté- risé en ce que l'organe de transformation est constitué par un microprocesseur rapide auquel est rattachée une mémoire morte dans laquelle est implanté notamment un programme pour l'opé- ration de transformation temporelle-fréquentielle. 5. Dispositif radar selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est prévu deux ensembles de mémoi- res du type première donnée entrée, première donnée sortie (mémoire FIFO) pour l'interconnexion des moyens de traitement numérique rapide avec les moyens de gestion. 6. Dispositif radar selon l'une des revendications 1 à , caractérisé en ce que les moyens d'émission comportent un oscillateur muni d'une commande de fréquence connectée à la - 10 - sortie d'un générateur de signaux en dents de scie variant sous la dépendance des moyens de gestion. 7. Dispositif radar selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens d'émission comportent un réseau d'atténuation de l'onde émise variant sous la dépendan- ce des moyens de gestion. 8. Dispositif radar selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens de réception comportent un amplificateur de signal de battement rattaché à un atténuateur muni d'une commande d'atténuation placée sous la dépendance des moyens de gestion.