Brevet FR2600778A1 — publié le 19871231

DISPOSITIF RADAR POUR MESURER LA DISTANCE OUI LE SEPARE D'UNE SURFACE. La présente invention concerne un dispositif radar pour mesurer la distance "ht qui le sépare d'une surface, dispositif comportant des moyens d'émission pour émettre vers ladite surface une onde modulée en fréquence élaborée par un os05 cillateur muni d'une commande en fréquence, des moyens de réception pour recevoir cette onde réfléchie par ladite surface,. un circuit mélangeur pour fournir une onde de battement entre l'onde émise et l'onde reçue et un circuit de traitement comportant un circuit de numérisation de l'onde de battement et 10 un opérateur de transformation temporelle-fréquentielle pour fournir des composantes fréquentielles à partir desquelles est établie la distance "h'. Un tel dispositif radar trouve d'importantes applications notamment dans le domaine de la radionavigation o il 15 peut être utilisé comme radioaltimètre. On pourra consulter aussi le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 568 938. Dans le dispositif radar de ce brevet, on effectue une transformation temporelle-fréquentielle directement sur l'onde de battement. La composante fréquentielle la plus basse 20 en fréquence o l'on trouve un signal fournit la distance "h". Le fait d'effectuer une transformation temporelle-fréquentielle directement sur l'onde de battement conduit à un premier inconvénient. En effet, les composantes fréquentielles ainsi déterminées sont très affectées par le bruit toujours 25 présent dans ce genre de dispositif radar et l'on estime que la distance 'h' ne peut être que très approximative. Le fait de considérer pour déterminer la distance 'h' la composante fréquentielle la plus basse conduit à un deuxième inconvénient. Ce deuxième inconvénient se manifeste 30 surtout pour des distances 'h" faibles et lorsqu'il y a dépla- - 2 cement relatif du dispositif radar et de la surface. On montrera dans la suite du présent exposé que le spectre de l'onde de battement est élargi par une fonction 'sin x/x" o x est une variable dépendant de "h" et de la durée de la variation 05 de fréquence de l'oscillateur. Il en découle que la composante fréquentielle la plus basse ne représente pas forcément la distance "h'. De plus, le spectre de l'onde de battement peut être encore élargi par le phénomène de Doppler lorsqu'il y a un déplacement relatif entre le dispositif et la surface. Une caractéristique importante de l'invention selon laquelle le circuit de traitement comporte en outre un opérateur d'autocorrélation-pour effectuer une autocorrélation de l'onde de battement avant de l'appliquer aux moyens de transformation temporelle-fréquentielles, évite le premier inconvé15 nient précité et supprime dans une large mesure l'effet du bruit. Une autre caractéristique importante de l'invention selon laquelle le circuit de traitement comporte aussi des moyens de traitement de spectre pour déterminer la fréquence à 20 partir de laquelle la distance "h" est déterminée évite le deuxième inconvénient précité et permet donc d'obtenir une bonne approximation de la distance "h" même s'il y a déplacement relatif entre le dispositif radar et la surface. La-description suivante, accompagnée des dessins 25 annexés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 représente le dispositif radar conforme à l'invention. La figure 2 représente, en fonction du temps, l'al30 lure de quelques signaux du dispositif de la figure-1. La figure 3 représente l'allure de spectre des signaux de la figure 2. A la figure 1, la référence 1 indique le dispositif de l'invention destiné à mesurer la distance "h' qui le sépare 35 d'une surface plane 2. Dans l'exemple décrit, on se place dans - 3 le cadre de la radionavigation o le dispositif 1 est à bord d'un aéronef tandis que la surface plane n'est autre que le sol et la distance "h" est donc l'aititude. Le dispositif 1 comporte une antenne d'émission 5 à OS partir de laquelle est émise une onde E(t) vers le sol et une antenne de réception 7 pour capter l'onde réfléchie R(t) par le sol 2. Un circuit mélangeur 10 effectue le mélange de l'onde réfléchie avec une partie de l'onde émise prélevée au moyen d'un coupleur 12 connecté au niveau de l'entrée de l'antenne 10 d'émission 5. L'onde émise est élaborée au moyen d'un oscillateur hyperfréquence 14 oscillant à partir d'une fréquence f0 de l'ordre de 4 GHz. Sa fréquence est commandée par un générateur de signaux en dents de scie 16. Ainsi l'onde émise est modulée en fréquence sur une plage de fréquence AF et l'on 15 peut écrire: AF tt (1) E(t) = A cos[2T(fo + -F t)t] 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. L'onde reçue R(t) après réflexion sur le sol (2) s'écrit: R(t) = B cos[2M(fo + T (t-_))t] T o B est une constante définissant le niveau reçu et T représente le retard entre l'onde émise et l'onde réfléchie. Le circuit mélangeur 10 a pour-but de faire apparaître à sa sortie un Signal: (2) M(t) = C cos[21 F Tt] o C représente une constante. De la fréquence "fb" du signal M(t) on déduit la distance 30 h": AF 2h fb = T - ou T = T c - 4 (c = vitesse de la lumière) * d'o: h = fbc T 2AF Le circuit de traitement 20 effectue donc un trai05 tement sur le signal de sortie du circuit mélangeur 10 après une amplification apportée par un amplificateur 22. Ce traitement est effectué sur des échantillons numériques obtenus par un convertisseur analogique-numérique 25. Une opération de transformation temporelle-fréquentielle, une transformation de 10 Fourier par exemple, 27 est utilisée pour déterminer la fréquence "fb" afin que la distance 'h' soit visualisée par un indicateur 30. Conformément à l'invention, le circuit de traitement 20 comporte, en outre, un opérateur d'autocorrélation 31 15 pour effectuer une autocorrélation de l'onde de battement numérisée par le convertisseur analogique-numérique 25 avant de subir l'opération de transformation temporelle-fréquentielle exécutée par l'opérateur 27. De plus, le circuit 20 comporte des moyens de traitement de spectre 32 pour déterminer, à par20 tir du spectre obtenu par ladite transformation temporellefréquentielle, la fréquence "fb' correspondant à la distance "h". Le fonctionnement du dispositif de l'invention repose sur les considérations suivantes. Pour simplifier les ex25 plications, on se place dans le cas o la surface 2 se comporte comme une surface réfléchissante parfaite (réflexion spéculaire). A la figure 2 en a on représente l'allure de la variation de fréquence del'onde émise E(t) en trait simple et 30 l'onde reçue R(t) en trait double. Ces fréquences varient linéairement en fréquence pendant un temps T et avec une période TR. Le signal de battement M(t) a donc l'allure représentée en b; ce signal se présente donc sous la forme de trains de sinusoïdes. Ceci se décompose-en un signal rectangulaire RT(t) 35 montré en c et d'une sinusoïde Si(t) montrée en d (on a ici négligé les ruptures de phase). -5 La figure 3 montre l'allure des différents spectres relatifs à ces signaux. - en a on a représente le spectre SP[RT(t)] du signal rectangulaire. Ce signal étant périodique, son spectre est formé de raies discrètes espacées de 1/Tr. Les amplitudes de ces composants ont pour enveloppe la fonction [sin x/x]2. - en b on a représenté le spectre SP[Si(t)] du signal Si(t) qui est formé de deux composantes aux fréquences 'fb" 10 et "-fb"; seule la composante à "fb" est représentée. - en c on a finalement le spectre du signal SP[M(t)] de M(t) qui est donné par le produit de convolution des deux précédents spectres: SP[M(t)] = SP[Si(t)] * SP[RT(t)] c'est-à-dire que ce spectre est celui du signal RT(t) décalé de la fréquence fb. On s'aperçoit donc que les composantes fréquentielles de fréquence les plus basses ne correspondent pas très exactement à la fréquence 'fb". Bien que jusqu'à présent on ait raisonné sur le spectre du signal à la sortie du mélangeur 10, le raisonnement s'applique aussi sur la fonction d'autocorrélation de ce même signal. Puisque le spectre d'un signal et le spectre de sa fonction d'autocorrélation ont des raies aux mêmes fréquences, 25 l'opération d'autocorrélation permet que la transformation apportée par l'opérateur 27 s'effectue sur un signal qui possède un meilleur rapport signal/bruit et donc on obtient ainsi une meilleure précision. Les moyens de traitement 32 de spectres traitent 30 les différentes raies fournies par l'opérateur 27.-Selon un mode de réalisation de l'invention, les moyens 27 déterminent le barycentre du spectre. Ainsi pour un spectre dont les composantes ont pour amplitude cn (n = k, k+1,..., k+m) s'étalant sur des fréquences fn, la fréquence "fb" est déterminée 35 par: - 6 - k+m fb = n=k k+m E cn n=k Selon un deuxième mode de réalisation, les moyen 32 utilisent le procédé suivant: - On détermine la valeur "i" qui donne le maximum en valeur 05 absolue de cn-cn_1 c'est-à-dire: ci-ci_1. - On détermine celle des composantes ci ou ci_1 qui a la plus forte amplitude, d'o la fréquence fb: fb = fi ou fi-1 selon que ci> ci_1 ou cil>ci. Selon un troisième mode de réalisation, les moyei 10 27 utilisent le procédé suivant: - On calcule f2b selon la formule s ns k+m E Cn.f2m 1 5 f 2 n=k f2b = k+m k+m E cn n=k - On détermine ensuite fb en calculant la racine carrée de la quantité précédente. Ces autres modes de réalisation ne sont pas incompatibles avec le quatrième mode de réalisation qui consiste à prendre pour fb la valeur maximale des composants cn. On détermine alors la valeur n soit i qui est telle que ci soit maximal, d'o fb = fi. En pratique ces moyens de traitement de spectre 32 sont constitués avantageusement par un ensemble à microprocesseur; il sera facile pour.tout homme de l'art de programmer les procédés évoqués pour obtenir la valeur 'fb". - 7 REVENDICATIONS: 1. Dispositif radar pour mesurer la distance 'h" qui le sépare d'une surface, dispositif comportant des moyens d'émission pour émettre vers ladite surface une onde modulée 05 en fréquence élaborée par un oscillateur muni d'une commande en fréquence, des moyens de réception pour recevoir cette onde réfléchie par ladite surface, un circuit mélangeur pour fournir une onde de battement entre l'onde émise et l'onde reçue et un circuit de traitement comportant un circuit de numérisa10 tion de l'onde de battement et un opérateur de transformation temporellefréquence pour fournir des composantes fréquentielles à partir desquelles est établie la distance "h",caractérisé en ce que le circuit de traitement comporte en outre un opérateur d'autocorrélation pour effectuer une autocorrélation 15 de i'onde de battement avant de l'appliquer aux moyens de transformation temporelle-fréquentielles. 2. Dispositif radar selon la revendication 2 caractérisé en ce que le circuit de traitement comporte aussi des moyens de traitement de spectre pour déterminer la fréquence à 20 partir de laquelle la distance "h" est déterminée. 3. Dispositif radar selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de traitement de spectre déterminant la fréquence "fb" fournissant la distance "h": k+m E cn.fn n=k b k+m E cn n=k o cn sont les valeurs d'amplitude du spectre fourni par l'opérateur de transformation temporelle-fréquentielle et fn les valeurs de fréquence relatives à ces amplitudes (n entier variant de k à k + m). 4. Dispositif radar selon la revendication 2, caracté30 risé en ce que les moyens de traitement de spectre opèrent, sur les valeurs d'amplitude cn pour des fréquences fn, selon le procédé suivant: - 8 - On détermine la valeur 'i" qui donne le maximum en valeur absolue de Cn-cn_1 c'est-à-dire: ci-ci_1. - On détermine celle des composantes ci ou ci_1 qui a la plus forte amplitude, d'o la fréquence fb: fb = fi ou fi-1 selon que ci>ci_1 ou cij> ci (n entier variant de k à k+m). 5. Dispositif radar selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de traitement de spectre opèrent sur des valeurs d'amplitude cn pour des fréquences fn, selon 10 le procédé suivant: - On calcule f2b selon la formule k+m E Cn.f2m f2 n=k b k+m E cn n=k - La valeur "h" est déterminée par la valeur fb racine carrée de la quantité précédente, (n entier variant de k à k+m). 6. Dispositif radar selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de traitement de spectre opèrent sur des valeurs d'amplitude cn pour des fréquences fn pour déterminer la valeur i" itelle que ci soit la plus grande des composantes et la fréquence "fb" donnant 'h" étant alors fb = 20 fi (n entier variant de k à k+m).