Brevet FR2742874A1 — publié le 19970627

La présente invention est relative aux procédés et aux systèmes électromagnétiques pour la détection et/ou la localisation d'individus. Elle trouve en particulier avantageusement application à la recherche de victimes d'avalanches. D'autres applications sont bien entendu envisageables pour l'invention. Notamment, l'invention s'applique à toute détection et/ou localisation dune personne cachée par un obstacle opaque et pourrait par exemple également être utilisée pour la recherche de personnes ensevelies sous des décombres. De nombreux systèmes pour la détection et la localisation de victimes ensevelies sous un dépôt d'avalanche sont déjà connus. I1 a notamment déjà été proposé d'équiper les skieurs de balises chimiques permettant une détection olfactive par les chiens des sauveteurs. On pourra à cet égard se référer à la demande de brevet français FR 2 677 890. Des systèmes mettant en oeuvre des émissions et réceptions électromagnétiques ont également déjà été proposés. On peut notamment citer le système ARVA (Aide à la Recherche de Victimes d'Avalanches), qui est particulièrement développé en France. Dans ce système, les skieurs sont porteurs de balises de localisation qui émettent à la fréquence de 457 KHz. On connaît également des systèmes, tel que le système commercialisé en France sous la dénomination RECO, dans lesquels les vêtements des skieurs sont équipés de dipôles d'émission destinés, sous éclairage électromagnétique, à émettre aux alentours de 1,8 GHz. Dans tous les cas, les systèmes de détection électromagnétique connus à ce jour présentent l'inconvénient majeur de ne pouvoir fonctionner que si la personne que l'on recherche est équipée d'une balise ou d'un dispositif spécifique d'émission ; on dit alors que cette personne constitue une cible "coopérative". Or, on constate malheureusement que les cas où les personnes ensevelies ne sont pas équipées, soit du fait de leur imprudence, soit en raison d'une mauvaise évaluation du risque d'avalanche, restent fréquents. En outre, dans le cas d'une balise, celle-ci doit être activée par la personne qui la porte, avant qu'elle ne se trouve prise dans une avalanche. L'invention permet de pallier ces inconvénients. Plus particulièrement, l'invention propose un procédé électromagnétique pour la détection et/ou la localisation d'un individu, constituant une cible "non coopérative", dans lequel on émet au voisinage d'une zone de recherche un signal électromagnétique, caractérisé en ce qu'on détecte au voisinage de ladite zone le signal rétrodiffusé par celle-ci, en ce qu'on filtre le (ou les) signal(aux) ainsi obtenu(s) par un filtre passe bande de façon à en extraire les composantes qui correspondent a un mouvement humain, et en ce qu'on traite le (ou les) signal(aux) filtré(s) ainsi obtenu(s) pour en déduire la présence d'un individu et/ou le localiser. Un tel procédé permet, sans équipement particulier de la personne que l'on recherche, de détecter et le cas échéant, de la localiser par les mouvements qu'elle peut avoir, notamment par ses mouvements de respiration ou ses tentatives de dégagement dans le cas où elle se trouve ensevelie. Selon une mise en oeuvre avantageuse, pour localiser un individu, on dispose sur la zone de recherche au moins une sonde modulante qui génère un écho virtuel à une fréquence distincte de celle(s) d'un mouvement humain, on détecte au voisinage de la zone de recherche un signal correspondant à cet écho virtuel, on traite des signaux d'écho virtuel ainsi obtenus de la même façon que des signaux rétrodiffusés filtrés, et on compare des paramètres issus du traitement des signaux d'écho virtuel et des paramètres issus du traitement des signaux retrodiffusés filtrés pour localiser ledit individu. Dans le cas où l'invention est appliquée à la recherche de victimes d'avalanches, la fréquence de la porteuse du signal électromagnétique émis est de préférence comprise entre 500 et 1000 MHz. Cette bande de fréquences correspond en effet aux fréquences optimales pour la détection radar à travers un manteau neigeux : pour des fréquences plus élevées, l'atténuation des ondes par la neige est importante ; pour des fréquences inférieures, le signal utile devient trop faible pour assurer facilement la détection. L'invention propose également un système pour la mise en oeuvre de ce procédé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 illustre un système de détection et localisation conforme à un mode de réalisation possible pour l'invention - la figure 2 illustre schématiquement une détection mise en oeuvre conformément à l'invention - la figure 3 est un graphe sur lequel on a porté en fonction du temps la puissance, en sortie de l'antenne de détection mesurée pendant l'expérience illustrée à la figure 2. Le système de détection et localisation illustré sur la figure 1 est un radar multistatique bifréquence à impulsions. Ce système comporte une antenne d'émission 1, ainsi qu'une pluralité d'antennes de réception 2. I1 comporte également des moyens référencés par 3 dans leur ensemble pour la génération d'un signal destiné à être rayonné par l'antenne 1, ainsi que pour la démodulation et le traitement des signaux reçus par les antennes 2. Les antennes de réception 2 sont par exemple réparties en ligne de façon à former une ou plusieurs paires interférométriques devant le manteau neigeux sur lequel les recherches sont effectuées. Les antennes 2 sont dans cet exemple au nombre de quatre, deux antennes successives étant séparées d'une distance comprise entre 0,5 et 1 mètre. Bien entendu, d'autres dispositions sont possibles pour les antennes 1 et 2. En particulier, la disposition des antennes 1 et 2 sera avantageusement adaptée à la typologie du dépôt neigeux sur lequel les recherches sont effectuées. Par ailleurs, selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les antennes d'émission et de réception 1 et 2 sont plantées directement dans la neige. On élimine ainsi leurs mouvements propres. En outre, on évite que les ondes électromagnétiques aient à traverser des interfaces air/neige, qui constituent des dioptres susceptibles d'occasionner des pertes de puissance importantes. Les antennes 1 et 2 sont à cet effet des circuits imprimés à substrat en résine d'époxy, qui présentent une certaine robustesse et dont la structure plane est facile à planter dans la neige. Par ailleurs, ces antennes d'émission et de réception 1 et 2 sont avantageusement des antennes à fentes antipodales, par exemple des antennes à fentes évasées de type VIVALDI. on sait en effet qu'avec une telle structure d'antenne, le champ électromagnétique est généré à l'intérieur des fentes. Par conséquent, l'émission et la réception par des antennes de ce type ne sont pas perturbées par la présence de gouttes d'eau à la surface de l'antenne. Les moyens 3 comportent un oscillateur de référence 4, qui pilote d'une part un générateur de synchronisation 5 et d'autre part des synthétiseurs de fréquences 6A et 6B. Les synthétiseurs 6A et 6B génèrent des tensions sinusoïdales, dont les fréquences FA et FB correspondent aux deux fréquences d'émission et de réception du système. Ces fréquences FA et FB sont par exemple de 750 et 780 MHz, l'oscillateur 4 oscillant à la fréquence de 60 MHz. Pour l'émission par l'antenne 1, les moyens 3 comportent un sommateur 7 sur lequel les signaux en sortie des synthétiseurs 6A, 6B sont envoyés pour être mélangés, ainsi qu'une porte de modulation 8 sur laquelle les signaux en sortie du sommateur 7 sont envoyés avant d'être rayonnés par l'antenne 1. La porte de modulation 8 est commandée par le générateur de synchronisation 5. Elle module les signaux mélangés en un train d'impulsions répétitives, avec une durée d'impulsion de 33 ns et un facteur de forme 1/16. Les différentes voies de réception en sortie des antennes 2 comportent chacune une porte 10, ainsi que des sommateurs 11 pour la démodulation en phase et en quadrature des signaux de fréquence FA et FB reçus par les antennes 2. Les portes 10 sont commandées par le générateur de synchronisation de façon à ouvrir des fenêtres de réception de 33 ns de largeur et décalées par pas de 16 ns par rapport à la porte de modulation 8. En sortie des mélangeurs 11, les signaux de phase et de quadrature sont filtrés par des filtres passe bande 12 permettant d'extraire dans les signaux reçus les composantes non statiques de ceux-ci qui correspondent aux mouvements que l'on cherche à détecter (mouvements de respiration, mouvements de dégagements, etc.). La bande passante de ces filtres 12 est à cet effet avantageusement comprise entre 0,03 Hz et 3 Hz. Les signaux de phase et de quadrature I et Q ainsi filtrés sont ensuite numérisés par un convertisseur analogique/numérique 13, puis transmis à une unité de traitement 14 qui traite ces signaux pour en déduire une information de détection et/ou de localisation d'une personne ensevelie sous un manteau neigeux. Le système comporte en outre une unité de visualisation 15 sur laquelle ces informations sont affichées à destination des opérateurs. Bien entendu, de façon à ce que leur propre présence ne soit pas détectée, ceux-ci se déportent à quelques dizaines de mètres de la zone de recherche et des antennes d'émission et de réception 1 et 2. On va maintenant décrire un exemple de traitement simple qui peut être réalisé par l'unité de traitement 14 sur les huit signaux complexes qu'elle reçoit. Pour détecter la présence d'un individu vivant caché sous la neige, c'est à dire les composantes non statiques des signaux rétrodiffusés sur les antennes 2, l'unité de traitement 14 calcule pour chaque antenne 2, chaque fréquence FA, FB et chaque fenêtre de détection, la valeur moyenne du produit conjugué Sak(t).Sak(t)* sur un intervalle de temps d'une dizaine de secondes, où Sak(t) est le signal temporel en sortie des filtres 12 de la voie de réception correspondant à l'antenne k. Ce produit conjugué est comparé à un seuil. I1 y a détection de la présence d'un individu par une antenne 2 lorsque la valeur moyenne du produit conjugué est supérieur à ce seuil. Pour limiter les fausses alarmes, on confirme cette détection en calculant la variance des différents produits conjugués correspondant aux huit voies de réception et on compare cette variance à un seuil. On dispose ainsi d'un critère de détection global qui tient compte de la réception sur les différentes voies. Cette détection peut en outre être confirmée en calculant les coefficients d'intercorrélation entre les signaux des différentes voies et différentes fréquences et en analysant ces différents coefficients pour estimer la vraisemblance de l'événement. Par exemple, on vérifie que des signaux correspondant à deux antennes voisines sont effectivement corrélés. Les coefficients d'intercorrélation forment la matrice de covariance estimée dont on calculera le ou les vecteurs propres. Ces derniers permettent de combiner les 8 voies de manière cohérente pour former une ou des voies qui ont la propriété d'offrir une sensibilité maximale aux sources de mouvement qui ont délivré le signal de détection. On notera que cette procédure de confirmation n'est possible que parce que les mouvements que l'on détecte, tels que les mouvements de respiration de la victime, sont par nature ininterrompus et localisés en une position stable. Pour localiser la personne qui correspond à la composante non statique détectée, on peut calculer pour chaque fenêtre de réception, chaque couple d'antennes (i,j), et pour chaque fréquence FA, FB, le déphasage Tij = arg (sai(t)sai*(t)) qui correspond à l'orientation géométrique de la personne par rapport au couple d'antennes i, j. On peut également calculer pour chaque fenêtre de réception et chaque antenne k, l'argument Dk = arg ( ) signifiant valeur moyenne de, qui correspond au déphasage entre les signaux en sortie des voies de fréquences FA et FB pour l'antenne k et qui porte une information sur la distance totale antenne 1 --personne-- antenne k. Les paramètres Ti,j et DK ainsi obtenus seraient redondants dans l'hypothèse d'un milieu de propagation homogène. Toutefois, un des problèmes que pose plus particulièrement un milieu tel qu'un manteau neigeux tient en ce qu'il est hétérogène. Un manteau neigeux est en effet constitué d'une pluralité de dépôts successifs qui présentent des densités et des propriétés diélectriques différentes et qui sont brassés et modifiés dans un dépôt d'avalanche. Le milieu de propagation comporte en outre des cavités plus ou moins grandes, ainsi que des inclusions de rochers, des troncs d'arbres, de la terre, etc... tout comme peut également comporter un milieu de propagation résultant d'un tremblement de terre. Pour résoudre cette difficulté, on déplace sur la zone de recherche une sonde modulante 16 qui génère un écho virtuel à une fréquence suffisamment élevée pour ne pas être confondue avec la fréquence d'un mouvement naturel. Le système comporte en sortie des mélangeurs 11 des moyens - non représentés sur la figure 1 pour ne pas la surcharger - pour transmettre à l'unité de traitement 14 les signaux démodulés correspondant à cet écho virtuel. L'unité de traitement 14 calcule les paramètres Ti,j et/ou DK de cet écho virtuel et l'opérateur déplace sa sonde 16 de façon que ces paramètres convergent vers ceux qui correspondent à la rétrodiffusion par la personne que l'on cherche à localiser. Dans la position finale, la sonde coïncide avec la victime. La sonde modulante 16 est par exemple constituée d'un dipôle fermé alternativement sur un circuit ouvert et un court-circuit à une fréquence de 40 Hz. Par ailleurs, il est possible, au lieu de déplacer une sonde sur la zone de recherche, de quadriller celle-ci avec une pluralité de sondes modulantes 16 émettant chacune sur une fréquence différente. Bien entendu, d'autres traitements que ceux qui viennent d'être décrits peuvent également être envisagés. En particulier, il peut être prévu des traitements de filtrage permettant d'améliorer le contraste entre le signal utile et les signaux parasites en utilisant toutes les caractéristiques spectrales de ces signaux. L'invention a été ici décrite dans le cas d'un radar multistatique bifréquence à impulsions, mais s'applique bien entendu de la même façon à toute détection radar et en particulier à une détection par radar à ondes continues et/ou par radar monofréquence ou multifréquence. Pour une présentation générale des techniques radar, on pourra avantageusement se référer à l'ouvrage "Principes de traitement des signaux radar et sonar" - F. Le Chevalier - MASSON - 1989, dont l'enseignement est ici inclus par référence. Un exemple de mise en oeuvre de l'invention est illustrée sur les figures 2 et 3. Dans cette mise en oeuvre, la détection a été réalisée, ainsi qu'on la représenté sur la figure 2, derrière un mur de neige N. Ce mur de neige N était d'une hauteur approximative de 2m, d'une largeur de 5,20 m et d'une épaisseur de 3,60 m. I1 était constitué de neige fraîche et de neige ancienne plus ou moins souillée, malaxées et tassées en partie par des engins. La détection était réalisée par une antenne de réception 2 disposée par rapport au mur N du même côté que l'antenne d'émission 1. Un certain nombre d'événements sont intervenus derrière le mur N et ont été détectés par l'antenne 2. On a porté sur le graphe temporel de la figure 3 la puissance relevée en sortie des voies de l'antenne 2, qui correspond aux échos non statiques reçus par ladite antenne 2. Les pics de puissance qui apparaissent sur ce graphe coïncident bien avec différents événements qui sont intervenus derrière le mur N - entre 0 et 120 s, il n'y a personne derrière le mur N, mais on observe le passage d'un skieur au loin (pic A) - entre 130 et 180 s, une personne s'est placée derrière le mur, en position debout (pic B) - entre 180 et 220 s, cette personne s'est tenue le plus immobile possible, mais ses mouvements de respiration étaient détectés (pic C) - entre 220 et 270 s, cette personne a bougé une main (pic D); - entre 270 et 290 s, elle s'est éloignée (pic E); - entre 340 et 420 s, une barquette a été installé au pied du mur (pic F); - entre 420 et 480 s, une personne s'est allongée sur cette barquette (pic G); - entre 480 et 520 s, cette personne a bougé une main (pic H); ; - entre 520 et 580 s, cette personne a effectué six respirations fortes (pic I); - entre 580 et 600 s, cette personne s'est levée (pic J). On voit sur cet exemple que l'invention permet de clairement discriminer les échos qui proviennent d'une personne en mouvement, des échos dus à son environnement statique. I1 est donc possible de détecter la respiration ou les mouvements légers d'une personne prise sous une avalanche. On notera par ailleurs qu'avec une fréquence de fonctionnement comprise entre 500 et 1000 MHz, l'invention permet de détecter une victime sous 10 mètres de neige, alors que les recherches traditionnelles à l'aide de perches sont limitées à une profondeur de 6 mètres. REVENDICATIONS 1. Procédé électromagnétique pour la détection et/ou la localisation d'un individu, constituant une cible non coopérative, dans lequel on émet (1) au voisinage d'une zone de recherche (N) un signal électromagnétique, caractérisé en ce qu'on détecte (2) au voisinage de ladite zone (N) le signal rétrodiffusé par celle-ci, en ce qu'on filtre le(ou les) signal(aux) ainsi obtenu(s) par un filtre passe bande (12) de façon à en extraire les composantes qui correspondent à un mouvement humain, et en ce qu'on traite (14) le (ou les) signal(aux) filtré(s) ainsi obtenu(s) pour en déduire la présence d'un individu et/ou le localiser. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bande passante du filtre (12) est comprise entre 0,03 Hz et 3 Hz. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que pour localiser un individu, on dispose sur la zone de recherche au moins une sonde modulante (16) qui génère un écho virtuel à une fréquence distincte de celle(s) d'un mouvement humain, en ce qu'on détecte au voisinage de la zone de recherche un signal correspondant à cet écho virtuel, en ce qu'on traite des signaux d'écho virtuel ainsi obtenus de la même façon que des signaux rétrodiffusés filtrés, et en ce qu'on compare des paramètres issus du traitement des signaux d'écho virtuel et des paramètres issus du traitement des signaux retrodiffusés filtrés pour localiser ledit individu. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, pour la détection et/ou la localisation d'une personne ensevelie sous un dépôt d'avalanche, caractérisé en ce que la fréquence de la porteuse du signal électromagnétique émis est comprise entre 500 et 1000 MHz. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, pour la détection et/ou la localisation d'une personne ensevelie sous un dépôt d'avalanche, caractérisé en ce que les antennes d'émission et de réception sont plantées directement dans la neige. 6. Système électromagnétique pour la détection et/ou la localisation d'un individu, constituant une cible non coopérative, comportant des moyens (1) pour l'émission d'un signal électromagnétique au voisinage d'une zone de recherche, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de réception (2) pour la détection au voisinage de la zone de recherche du signal rétrodiffusé par celle-ci, un filtre passe bande (12) qui permet de filtrer le(ou les) signal(aux) ainsi obtenu(s) pour en extraire les composantes qui correspondent à un mouvement humain, ainsi que des moyens (14) pour le traitement du (ou des) signal(aux) filtré(s) ainsi obtenu(s) pour en déduire la présence d'un individu et/ou le localiser. 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une sonde modulante (16) qui génère un écho virtuel à une fréquence distincte de celle(s) d'un mouvement humain. 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que la sonde modulante (16) est un dipôle fermé alternativement en circuit ouvert et court-circuit à une fréquence supérieure à celles filtrées par le filtre passe bande (12). 9. Système selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les antennes d'émission et réception (1, 2) sont des circuits imprimés, par exemple à substrat en époxy. 10. Système selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que les antennes d'émission et réception (1, 2) sont des antennes à fentes antipodales.