Brevet FR2692363A1 — publié le 19931217

Procédé et dispositif de mesure de distances par émission d'ondes radioélectriques et ultrasonores La présente invention concerne un procédé et un dispositif de mesure de distances par émission d'ondes radioélectriques et ultrasonores. II est connu d'utiliser soit des ondes radioélectriques dans l'espace aérien, soit des ondes ultrasonores dans le milieu sous-marin à des fins de détection d'objets et de mesure de distance sur ces objets. Ces dispositifs encore connus sous les désignations "radar" ou "sonar" reposent sur un principe bien connu qui est d'émettre des impulsions périodiquement espacées, de recevoir sur un récepteur approprié l'impulsion d'émission et l'impulsion d'écho, et de mesurer le temps qui sépare les deux impulsions. Des besoins se font sentir actuellement pour des systèmes de localisation terrestre à bas coût sur des distances relativement faibles mais avec une bonne précision, tant dans le domaine militaire pour le ralliement de parachutistes par exemple que dans le domaine civil pour le guidage par exemple de véhicules sur un réseau routier, le guidage de piétons dans un parc d'attraction, ou encore les systèmes anticollision. Les dispositifs du type radar apparaissent mal adaptées à ces besoins pour plusieurs raisons - fonctionnant sur le principe de la détection d'échos, ils nécessitent des puissances d'émission élevées, - I'information de distance est connue au niveau du radar, alors qu'elle est nécessaire au niveau de la personne ou de l'objet qui veut se localiser, - il est difficile au radar de discriminer les points à localiser, à moins d'une interrogation par ce dernier, - le nombre de points à localiser est limité. Récemment, le système connu sous le nom de GPS (Global Positionning System) permet une localisation précise sans présenter les inconvénients précités mais il est tributaire de satellites dont la disponibi lité peut être mise en cause en temps de guerre. Le récepteur est par ailleurs trop onéreux pour des applications civiles à grande diffusion. Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités. A cet effet, I'invention a pour objet un procédé de mesure de distances entre stations émettrices-réceptrices d'ondes radioélectriques et ultrasonores caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer la différence des temps de propagation des ondes radioélectriques et ultrasonores transmises entre chaque station et à multiplier la différence obtenue par la vitesse de propagation des ondes ultrasonores. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. L'invention a pour principal avantage qu'elle permet d'obtenir pour les applications précitées des mesures relativement précises de distance entre stations mobiles ou fixes tout en tolérant une certaine imprécision sur la mesure des temps de propagation. A titre indicatif, une mesure du temps effectuée par exemple à 1 ms près ne procure qu'une erreur en distance d'environ 33 cm. Dans les mêmes conditions de précision un radar classique exigerait une mesure de temps à 1 nanoseconde près. D'autre part, la simplicité du procédé se retrouve dans sa mise en oeuvre qui n'exige que des moyens parfaitement maîtrisés et largement utilisés pouvant ainsi être réalisé au moindre coût. De ce fait les stations réceptrices peuvent être réalisées dans des dimensions très réduites sous la forme par exemple de boîtiers aisément manipulables par leurs utilisateurs.Un autre avantage qui résulte de l'invention est que les stations réceptrices peuvent mettre en oeuvre des moyens non rayonnants pour ne pas être brouillés mutuellement, ce qui permet d'en disposer autant que nécessaire. II est également possible de mettre à profit l'absorption importante des ondes ultrasonores par l'atmosphère pour réaliser des dispositifs calibrés en portée et permettre ainsi une réutilisation rapprochée des fréquences ; c'est ainsi qu'une liaison à 100 kHz, calibrée pour une portée de 500 m n'est pas détectable à une distance de 600 m. Enfin étant donné la faible dimension des longueurs d'onde ultrasonores (3,3 mm à 100 kHz), il est possible de réaliser des transducteurs d'émission très directifs, ce qui procure un gain de rayonnement important et permet la réalisation de systèmes originaux permettant par exemple des mesures simultanées d'angles et de distances. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent: - La figure 1 un diagramme de temps pour illustrer le procédé de mesure de distance selon l'invention. - Les figures 2 et 3 deux modes de réalisation respectivement d'une station émettrice et d'une station réceptrice. - La figure 4 une variante de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Dans l'exemple représenté à la figure 1, il est supposé qu'une station mobile B veuille mesurer sa distance par rapport à une station fixe A. A cet effet: - la station fixe A comporte un émetteur d'onde radioélectrique et un émetteur d'onde ultrasonore, ces deux émetteurs envoyant simultanément un même signal modulant. Pour la clarté de l'exposé, il est supposé que les émetteurs sont modulés en tout ou rien par une impulsion U, - la station mobile B comporte un récepteur radioélectrique et un récepteur ultrasonore. Le récepteur radioélectrique reçoit en premier un signal U1 retardé D d'un temps T1 = C par rapport à l'émission de A, où D désigne la dis- tance à mesurer et C désigne la vitesse de la lumière. Le récepteur ultrasonore reçoit de meme un signal U9 retardé d'un D temps T2 = S où S est la vitesse du son dans l'air. Par mesure de l'écart AT = T2 - T1 = lD- la station B en déduit une distance par rapport a A. tn pratique, comme C est de l'ordre de un million de fois supérieure à S, le terme en 1/C peut être négligé et la distance peut alors s'exprimer par la relation D = S figures . AT. Une mise en oeuvre de ce procédé est illustrée aux figures 2 et 3. L'émetteur qui est représenté à la figure 2 comporte d'une part, une voie d'émission ultrasonore composée d'un générateur 1 à la fréquence de l'onde ultrasonore, d'un modulateur 2 recevant sur un accès le signal issu du générateur 1 et sur un autre accès le signal modulant élaboré par le générateur de signal 5, un amplificateur 3 et un transducteur 4 dont le rôle est de convertir l'énergie en énergie acoustique, et d'autre part, une voie d'émission radioélectrique composée d'un générateur 6 à la fréquence radioélectrique, d'un modulateur 7 recevant sur un accès le signal issu du générateur 6 et sur l'autre accès le signal modulé à la fréquence ultrasonore, d'un amplificateur 8 et d'une antenne 9. Tous les circuits électroniques composant ce dispositif sont bien connus de l'homme de l'art, le transducteur 4 pouvant, par exemple, être du type de celui représenté à la figure 12 du fascicule E2692 des Techniques de l'ingénieur dont des copies peuvent être trouvées auprès du Centre Francais du Copyright 6 bis rue Gabriel Laumain, 75010 Paris France. La fréquence de l'onde ultrasonore suivant ce mode de réalisation se situe dans la plage allant de 30 à 100 kHz. Comme l'affaiblissement atmosphérique des ondes ultrasonores croit comme le carré de la fréquence, le choix de la fréquence de fonctionnement de l'émetteur doit tenir compte de la portée envisagée. Le choix de la fréquence radioélectrique n'a pas une grande incidence sur la réalisation de l'émetteur, mais sont choix peut dépendre des applications envisagées. Le signal modulant peut revêtir des formes diverses allant de l'impulsion, comme dans l'exemple donné précédemment, à un signal en dent de scie affectant l'onde ultrasonore d'une modulation linéaire en fréquence ou à un signal numérique portant une information comme, par exemple, I'indicatif de la station émettrice. La station réceptrice qui est représentée à la figure 3 comporte - une voie de réception ultrasonore comprenant un transducteur 11, un amplificateur 12 et un filtre 13 pour réduire la bande de bruit, - une voie de réception radioélectrique comprenant une antenne 14, un amplificateur 15, un filtre 16 et un démodulateur 17 dans lequel est intégré un filtre en bande de base, - un corrélateur 18 recevant les signaux détectés sur chacune des voies et déterminant la distance, laquelle est délivrée à l'utilisateur par un afficheur 19, et de façon optionnelle, un décodeur 20, connecté à l'une des voies (voie ultrasonore sur la figure 3), pour restituer l'information portée par le signal modulant et la délivrer à l'afficheur 19 et/ou au corrélateur 18. Le corrélateur 18 peut revêtir des structures diverses selon la nature du signal modulant, ces structures pouvant être celles - d'un simple compteur de temps dans le cas où le signal modulant est impulsionnel comme dans l'exemple représenté sur la figure 1 - d'un mélangeur suivi d'un fréquencemètre dans le cas d'une modulation linéaire de fréquence, (dans ce cas en effet, le battement entre les signaux U1 et U2 reçus par les voies radioélectrique et ultrasonore fournit une fréquence dont la valeur est proportionnelle à l'écart de temps séparant la réception des deux signaux, donc à la distance à mesurer), ou d'un corrélateur numérique à échantillonnage dans le cas où le signal modulant comporte une information binaire. Pour certains systèmes, comme par exemple un système de localisation à partir de plusieurs balises émettrices, I'afficheur 19 peut être avantageusement remplacé par un dispositif de traitement de l'information. Le dispositif décrit précédemment s'applique plus particulièrement au cas ou un grand nombre de stations réceptrices cherchent à se positionner vis à vis de stations émettrices. La figure 4 présente une variante du dispositif mieux adaptée à d'autres applications, par exemple à celles consistant à rechercher des personnes ou des objets, voitures volées par exemple. Dans cette variante, la station A est émettrice en ondes radioélectriques et réceptrice en ondes ultrasonores, la station B effectue les opérations complémentaires. La station B, portée par la personne ou l'objet recherché est en veille permanente sur la voie radioélectrique. Elle émet sur la voie ultrasonore dès qu'elle reçoit un appel de la station A. La station A mesure le temps séparant son appel de la détection du signal ultrasonore et en déduit la distance de la station B. Ce temps AT est la somme de trois termes: T1 temps de transmission de l'appel (négligeable), R retard à la réponse de la station B (supposé connu de la station A) et T2 temps de transmission du signal de réponse portant l'information de distance. La distance est donc obtenue par la relation: D = (AT- R)/S. Le fonctionnement inverse, interrogation par la voie ultrasonore et réponse par la voie radioélectrique est bien évidemment possible et conduit au même résultat. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de distances entre stations (A, B) émettrices-réceptrices d'ondes radioélectriques et ultrasonores caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer la différence des temps de propagation des ondes radioélectriques et ultrasonores transmises entre chaque station (A, B) et à multiplier la différence obtenue par la vitesse de propagation des ondes ultrasonores. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les ondes radioélectriques et ultrasonores sont transmises simultanément par une même station (A). 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la transmission des ondes radioélectriques et ultrasonores entre deux stations (A, B) s'effectue de façon complémentaire, I'une (A) étant émettrice des ondes radioélectriques et réceptrice des ondes ultrasonores, L'autre (B) étant émettrice des ondes ultrasonores et réceptrice des ondes radioélectriques. .4. Dispositif de mesure de distances entre stations (A, B) émet trices-réceptricesid'ondes radioélectriques et ultrasonores suivant lequel chaque station comporte une voie émission et une voie réception caractérisé en ce que la voie émission comprend, un premier modulateur (2) couplé à un générateur d'onde ultrasonore (1) et à un générateur de signal (5) pour transmettre par un transducteur d'onde ultrasonore (4) un signal ultrasonore modulé, et un deuxième modulateur couplé en sortie du premier modulateur et à un générateur d'onde radioélectrique pour transmettre sur une antenne d'émission (3) un signal radioélectrique modulé par le signal ultrasonore. 5. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que la voie réception comprend un démodulateur (17) d'onde radioélectrique couplé à une antenne de réception (14) et un corrélateur (18) couplé à un transducteur ultrasonore (11) de réception, et au démodulateur (17) pour calculer la différence des temps de propagation des ondes radioélectriques et ultrasonores et un afficheur (19) pour convertir la différence de temps en distance. 6. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que le corrélateur (18) est un compteur de temps. 7. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que le corrélateur (18) est un mélangeur de fréquence. 8. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'il comporte un décodeur (20) d'informations transmises sur la voie ultrasonore couplé au corrélateur (18). 9. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que le corrélateur (18) est un corrélateur numérique à échantillonnage. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 8 caractérisé en ce que l'afficheur (19) est un dispositif de traitement de l'information.