Brevet FR2699686A1 — publié le 19940624

i "Procédé de mesure de la distance et de la vitesse d'objets" L'invention concerne un procédé de mesure de la distance et de la vitesse des objets à l'aide d'on- des électromagnétiques. Pour mesurer la distance à l'aide d'ondes électromagnétiques (radar) on connaît différents pro- cédés Dans le cas du radar dit FMCW on émet conti- nuellement des ondes électromagnétiques dont la fré-10 quence est modulée essentiellement suivant une évolu- tion en rampe entre deux valeurs Dans les procédés connus de ce type, les ondes réfléchies, reçues, sont mélangées aux ondes émises en même temps Pendant la variation de fréquence, c'est-à-dire pendant la rampe15 du signal de modulation, la fréquence intermédiaire obtenue par le mélange permet de déterminer de manière simple le temps de parcours et ainsi la distance de l'objet. Lorsque l'objet réfléchissant se déplace par rapport à l'endroit de la mesure, le signal réfléchi subit un décalage Doppler Celui-ci est utilisé selon le procédé connu par le document W 092/11548 pour mesu- rer la distance et la vitesse en mesurant la différen- ce de fréquence pendant une montée et pendant une des-25 cente de la fréquence des ondes émises et en calculant la vitesse à partir de la différence des différences de fréquence et la distance à partir de la valeur moyenne des différences de fréquence. Dans un exemple de réalisation de ce procédé connu on utilise l'onde réfléchie par un objet ou le signal de fréquence intermédiaire qui en découle. La présente invention a pour but de créer un procédé permettant de mesurer les distances et vites- ses de plusieurs objets qui se trouvent simultanément dans la zone d'interception d'une installation de me- sure. A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus caractérisé en ce qu'on modu- le la fréquence d'un signal émis et pendant une montée et une descente de la fréquence du signal émis on mé- lange les signaux reçus au signal émis et on effectue l'analyse spectrale des signaux de fréquence intermé- diaires résultant du mélange et à partir de la fré- quence des lignes spectrales des signaux de fréquence intermédiaires, au moins pendant une montée et au moins pendant une descente de la fréquence du signal émis, on calcule la distance et la vitesse d'au moins un objet. Le procédé selon l'invention permet de mesu- rer la distance et la vitesse de plusieurs objets tout en offrant les avantages d'une mesure très précise, en particulier dans les conditions de distance relative- ment réduite et de vitesse de la circulation routière. En plus d'une mesure précise de la vitesse, le procédé selon l'invention permet également une mesure précise de la distance car pour mesurer la distance il y a une compensation de l'effet Doppler qui apparaît comme gê- nant dans les autres procédés connus de mesures de distances. Les avantages ci-dessus du procédé de l'in- vention sont particulièrement intéressants pour des installations d'avertissement de distances équipant les véhicules Ainsi, en utilisant la vitesse propre du véhicule, on peut distinguer de manière simple en- tre des objets qui arrivent en face, des objets immo- biles et des objets qui précèdent. Suivant une autre caractéristique de l'invention, on effectue l'analyse spectrale à l'aide d'une transformation de Fourier, rapide. Certains de ces développements concernent des moyens pour éviter des interprétations multiples qui pourraient exister dans la mise en oeuvre du pro- cédé défini ci-dessus Pour cela, on exploite notam- ment les résultats de plusieurs mesures successives. Pour limiter le temps de calcul pour l'ana- lyse spectrale, il est avantageux que les signaux de fréquence intermédiaires soient analysés de manière spectrale dans une plage de fréquence prédéterminée comprise par exemple entre O et 300 k Hz Cette plage dépend de la distance et de la vitesse à détecter ain- si que du choix de la pente des rampes. Des exemples de réalisation de l'invention sont représentés aux dessins et seront décrits ci- après de manière plus détaillée Ainsi: la figure 1 montre la courbe de fréquence en fonction du temps d'un signal émis et de deux si- gnaux reçus. la figure 2 montre les spectres de puis- sance de signaux reçus en différents instants. la figure 3 est un schéma bloc d'une in- stallation pour la mise en oeuvre du procédé de l'in- vention. la figure 4 est un ordinogramme servant à expliquer le procédé selon l'invention. Dans la description suivante et dans les dessins on utilisera les mêmes références pour les mê- mes éléments. La figure 1 montre la courbe de la fréquence du signal émis en fonction du temps sous la forme d'un trait plein a Entre plusieurs phases de fréquence constante on modifie la fréquence suivant une forme de rampe Dans un cycle de mesure qui dans le présent exemple englobe quatre rampes, pendant le premier temps de mesure T 1 le signal augmente, puis tombe de l O nouveau pendant un second temps de mesure T 2 Aux temps de mesure T 3 et T 4 la fréquence augmente ou di- minue avec toutefois une vitesse de variation infé- rieure à celle des temps de mesure T 1 et T 2. Lorsque le signal radar ainsi modulé en fré- quence rencontre un ou plusieurs objets réfléchis- sants, une partie du signal réfléchi est reçue de nou- veau par l'antenne Les courbes b et c montrent la forme de la fréquence de deux tels signaux de récep- tion Il est caractéristique pour les signaux reçus qu'il y ait un retard engendré par le chemin parcouru ainsi qu'un décalage de fréquence par effet Doppler au cas o la distance entre le dispositif émetteur et le dispositif récepteur (radar) et l'objet varie en fonc- tion du temps. Pour décrire de manière plus précise cette relation, on a représenté à échelle agrandie aux figu- res la et lb des parties de la figure 1 Un écho d'un premier objet (courbe en trait interrompu b) est re- tardé du temps de parcours dt 1 et est décalé de la fréquence f Dî 1 Pour ce premier objet, l'effet Doppler conduit à une augmentation de la fréquence car l'objet se rapproche du radar L'écho d'un second objet (cour- be en pointillés c) est retardé du temps de parcours dt 2 et est décalé de la fréquence f D,2 Pour l'illus- tration, on a fortement exagéré le déplacement ou dé- calage des fréquences et des temps. La figure lb montre les fréquences de diffé- rence entre le signal émis (courbe a) et les fréquen- ces des signaux reçus (courbes b, c) pendant le temps de mesure T 4 Les différences de fréquence portent des indices suivant le temps de mesure et l'objet réflé- chissant Ainsi, à titre d'exemple, f 411 désigne la différence de fréquence entre le signal reçu, réfléchi par le premier objet et le signal émis pendant le temps de mesure T 4. Les signaux reçus sont mélangés aux signaux émis en même temps de sorte que les différences de fréquence apparaissent comme des fréquences dans une bande de fréquence intermédiaire et on poursuit leur traitement notamment par une analyse spectrale Cela peut se faire par exemple par détection, numérisation puis transformation de Fourier discrète. Le résultat de cette analyse est représenté pour les temps de mesure T 1 T 4 et les signaux reçus selon la figure 1 Chaque objet réfléchi se retrouve ici chaque fois par un maximum local dont la position de fréquence dépend de la distance et de la vitesse relative. Le temps de parcours entre l'émission et la réception d'un signal est égal à dt = 2 s/c, relation dans laquelle c est la vitesse de la lumière A l'in- stant de la réception, la fréquence du signal émis est augmentée d'une valeur de df = (f H/T) * dt = 2 S * f H/(T c) Dans cette relation, f H représente l'augmen- tation de fréquence et T la durée de la rampe f H/T correspond ainsi à la vitesse d'augmentation de la fréquence En mélangeant le signal émis et le signal reçu on obtient une fréquence intermédiaire f O = df = 2 S * f H/(T-c). Lorsque l'objet réfléchi se déplace par rap- port au radar à une vitesse vr, on a un décalage par effet Doppler dans le signal reçu, égal à f B = -2 vr - f T/c, relation dans laquelle f T représente la fréquen- ce fondamentale du signal émis Pour la détection de n objets de mesure ou de rampe on obtient deux jeux de fréquences intermédiaires foi et f 2 i selon les équa- tions suivantes: fli = Ialsi + bvri f 2,i = la 2 si + b Vr,il a, = 2 f Ha/(T-c), a 2 = 2 f H,2/(T-c), b = 2 f T/c. Dans ces relations, i est un numéro d'ordre de l'objet respectif qui peut prendre une valeur com- prise entre 1 et n. Suivant l'objet on dispose ainsi de deux équations à deux inconnues pour calculer la distance s et la vitesse vr Toutefois, la condition est que l'exploitation des fréquences intermédiaires pendant un flanc montant et le flanc descendant consécutif re- pose sur la même association entre les fréquences in- termédiaires et l'objet respectif Pour assurer cela on peut tout d'abord admettre par hypothèse toutes les associations (dans le cas des figures 2 a et 2 b on a le système des équations avec les indices donnés à la fi- gure que l'on calcule en échangeant par exemple f 2,2 et f 2,1) et on contrôle la plausibilité du résultat. S'il s'avère par exemple pour l'une des associations admises qu'un objet se déplace à une vitesse qui n'est pas possible en circulation routière, on considère l'autre association comme vraie De plus, dans un cal- cul suivant, on peut calculer la vitesse avec les nou- velles indications de distance et de différence de temps et les comparer aux vitesses obtenues à l'aide de l'effet Doppler. Dans le mode de réalisation des figures 1 et 2, on a un cycle de mesure avec quatre rampes; la troisième et la quatrième rampe ont une pente diffé- rente de la première et de la seconde La pente des rampes peut correspondre par exemple aux valeurs sui- vantes: + 300 M Hz/lms, -300 M Hz/lms, + 300 M Hz/3 ms et -300 M Hz/3 ms On améliore ainsi l'association entre les fréquences mesurées et les objets. Pour la mise en oeuvre du procédé de l'in- vention, il est avantageux de choisir la pente des rampes pour que l'influence de l'effet Doppler soit inférieure à l'influence du temps Ainsi, dans les équations données ci-dessus, le premier terme sera le plus important si bien que le signe de la somme dépen- dra uniquement du fait qu'il s'agit d'une rampe crois- sante ou décroissante, ce qui est connu Le signe ne dépend pas des grandeurs à obtenir. De plus, la pente des rampes influence la résolution pour qu'avec une pente de rampes relative- ment faible, la plus grande influence de l'effet Dop- pler donne une plus grande résolution de la vitesse alors que pour des rampes plus raides, l'effet Doppler a une influence moindre et permet une identification plus simple d'un objet par sa distance Le changement de la pente des rampes selon l'exemple représenté per- met de déterminer avec une bonne résolution, à la fois la vitesse et la distance. La figure 3 montre un schéma bloc d'une in- stallation servant à la mise en oeuvre du procédé de l'invention Une partie avant de radar FMCW, connue, comprend principalement un oscillateur commandé (VCO)2, un circulateur 3, une antenne 4 et un mélan- geur 5 Le signal de sortie de l'oscillateur commandé est fourni au circulateur de l'antenne pour être émis. L'onde de retour après réflexion est fournie comme si- gnal correspondant par le circulateur au mélangeur 5 qui mélange ce signal au signal de sortie de l'oscil- lateur 2 La fréquence intermédiaire obtenue corres- pond à la différence des fréquences du signal émis et du signal reçu Cette différence est disponible à la sortie 6 du mélangeur 5. L'entrée de commande 7 de l'oscillateur com- mandé 2 reçoit un signal de modulation de fréquence du signal à émettre Ce signal présente la forme de rampe représentée schématiquement à la figure 3; il est fourni par un générateur de rampe 8 qui se compose de manière connue, principalement d'un intégrateur rece- vant pendant les rampes, *des tensions de signes algé- briques opposés La commande de cette intégration croissante et décroissante se fait par des signaux de commande fournis à l'entrée 9 du générateur de rampe 8 à partir d'une unité de commande et de calcul 11. L'unité de calcul et de commande 11 compor- te, en plus d'une unité de calcul, une unité de com- mande et les usuelles mémoires (portant globalement la référence 13 à la figure 3), des ports d'entrée/sortie numériques 14 pour la liaison avec le générateur de rampe 8 et le convertisseur analogique/numérique 12 ainsi qu'une interface 15 vers un système principal qui assure par exemple l'affichage des valeurs mesu- rées, les enregistre ou les exploite d'une autre ma- nière Comme l'unité de calcul et de commande corres- pond en principe à celle déjà utilisée dans les radars FMCW connus, la description détaillée est inutile. Vis-à-vis des unités de commande et de calcul connues, pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, on a principalement l'unité de calcul pour effectuer une transformation de Fourier, rapide, et les opérations de calcul décrites en liaison aux figures 1 et 2. Le programme, représenté sous la forme d'un ordinogramme à la figure 4, démarre en 21 En 22, pen- dant l'émission d'un signal modulé, c'est-à-dire pen- dant une séquence de m rampes, le signal de sortie du mélangeur 5 (figure 3) est détecté dans le convertis- seur analogique/numérique 12 A la fin de la séquence on dispose alors dans la mémoire de l'unité de calcul et de commande il des valeurs de détection correspon- dant à m mesures. L'analyse spectrale des m mesures se fait dans la partie de programme 23; puis en 24 on recher- che les spectres selon les maxima locaux et on calcule leur fréquence A partir des fréquences on calcule en la distance S et la vitesse relative vr de tous les objets. L'émission des valeurs calculées se fait dans la partie suivante 26 du programme, par exemple par un dispositif d'affichage ou un calculateur prin- cipal en vue de la suite du traitement. R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Procédé de mesure de la distance et de la vitesse des objets à l'aide d'ondes électromagnéti- ques, caractérisé en ce qu'on module la fréquence d'un signal émis et, pendant une montée et une descente de la fréquence du signal émis, on mélange les signaux reçus au signal émis et on effectue l'analyse spectra- le des signaux de fréquence intermédiaires résultant du mélange et à partir de la fréquence des lignes spectrales des signaux de fréquence intermédiaires, au moins pendant une montée et au moins pendant une des- cente de la fréquence du signal émis, on calcule la distance et la vitesse d'au moins un objet. 2 ) Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'on effectue l'analyse spectrale à l'aide d'une transformation de Fourier, rapide. ) Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on fait l'analyse spectrale des signaux de fréquence intermédiaires dans une plage prédéterminée de fréquences comprise par exemple entre 0 et 300 k Hz. ) Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'après une montée et une des- cente de la fréquence du signal émis, pour calculer la distance si et la vitesse vri de N objets (i = 1 n) on résout le système d'équations suivant f 1 i = Las si + b vri f 2,i = la 2-si + b vr,il a 1 = 2 f H,Â/(T-c), a 2 = 2 f I,2/(T*c), b = 2 f T/c. dans ces relations fli: fréquence intermédiaire pour la montée de la fréquence f 2,i: fréquence intermédiaire pour la chute de fré- quence f Rl: excursion de fréquence pour la montée en fré- quence f H,2: excursion de fréquence pour la chute de fré- quence T: durée de la montée ou de la chute f T: fréquence de base du signal émis c: vitesse de la lumière. 50) Procédé selon la revendication 4, carac- térisé en ce que pour la résolution du système d'équa- tion on peut tenir compte de plusieurs associations entre les différents objets et les différentes fré- quences intermédiaires et on sélectionne l'association correcte par comparaison de plusieurs mesures succes- sives. 6) Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'après m modifications de la fréquence (rampes) du signal émis, on calcule la dis- tance si et la vitesse vri de N objets (i = 1 n) en utilisant le système d'équations suivant fki = lak'si + bvril ak = 2 f H,k/(T-c), b = 2 f T/C, avec: fki:fréquence intermédiaire pour la rampe d'ordre k par réflexion sur l'objet d'ordre i f Hk excursion de fréquence pour la rampe d'ordre k T: durée d'une rampe f T: fréquence de base du signal émis c: vitesse de la lumière