Brevet FR2897162A1 — publié le 20070810

Méthode de détection hyperfréquence et détecteur utilisant cette méthode La présente invention se rapporte à une méthode de détection d'une cible par signaux hyperfréquence permettant de détecter la présence d'une cible ou de mesurer la distance d'une cible à faible distance. L'invention se rapporte également à un détecteur hyperfréquence de faible coût mettant en oeuvre cette méthode, appartenant à la famille des radars à très courte portée et émettant des signaux radiofréquence fonctionnant sur une bande de fréquence autorisée par l'autorité de régulation européenne, connue sous le nom d'ISM (Industriel, Scientifique et Médical), comprise entre 2,4 et 2,48 GHz. Il existe déjà de nombreux dispositifs hyperfréquences capables de détecter une cible. Un premier type de détecteur utilise des radars à émissions continues de type FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave). Ces radars sont parmi les plus utilisés pour mesurer simultanément la distance et la vitesse d'un objet pour une portée comprise généralement entre 2m et 200m. Le principe de mesure repose généralement sur la comparaison fréquentielle entre un signal émis modulé en fréquence et un signal d'écho reçu après réflexion sur la cible à détecter. L'écho de l'objet retardé est mélangé avec le signal d'émission produisant une fréquence de battement. Malheureusement, dans le cas des objets immobiles, le radar FMCW est peu adapté pour une détection à faible portée (c'est-à-dire une portée inférieure à environ 1 mètre) avec une extrême précision sur la mesure de distance, à cause de la résolution qui demande une très grande bande passante. En effet, la bande passante nécessaire pour une précision en distance d'environ 1cm est largement supérieure à la bande passante ISM. Un second type de détecteur exploite le temps de vol que met l'onde pour effectuer le trajet aller et retour entre le radar et la cible à détecter. Le signal émis peut être constitué d'une onde impulsionnelle ou d'une onde CVV (Continuous Wave) modulée. Afin de mesurer le temps de vol, on exploite le retard existant entre le code émis et le code reçu par un traitement numérique classique de corrélation. Cependant, lorsque la portée du système est faible, le temps de vol devient très petit (par exemple 2ns pour une distance de 30 cm). Un tel dispositif est donc peu adapté à détecter des cibles à des courtes distances car le décalage à opérer est beaucoup trop court. De plus, le système ne reçoit pas seulement l'impulsion réfléchie par l'objet, mais aussi des impulsions de fuite qui sont dues principalement à la désadaptation de l'antenne et la mauvaise isolation entre l'émission et la réception. Dans ce cas, il devient très difficile de distinguer entre l'impulsion réfléchie par l'objet et les impulsions parasites et par conséquent la mesure de distance est beaucoup plus compliquée à réaliser. II nécessite également une très grande bande passante. Une autre méthode connue pour mesurer la distance d'un objet consiste à utiliser notamment la rotation de phase du signal écho de l'objet, c'est-à-dire à mesurer le décalage de phase entre le signal émis par le radar et le signal écho reçu. Pour simplifier, ce décalage de phase sera appelé phase dans la suite du présent document. En théorie, cette mesure de la phase devrait être suffisante pour mesurer la distance de l'objet par rapport au radar. Mais en pratique, la mesure de distance est ambiguë à chaque fois que la phase est supérieure à 271. Il est donc préférable de mesurer également la différence ou l'écart de phase existant pour deux signaux radars émis à deux fréquences distinctes, ainsi que l'amplitude du signal écho reçu. Les documents US2004/0263383, US2004/0246166 et US2005/0007124 mettent déjà en oeuvre une implémentation du principe de détection d'objet à très courte portée basé sur la mesure de l'amplitude du signal écho reçu de l'objet et/ou la phase du signal écho de l'objet et/ou l'écart de phase entre deux fréquences du signal écho. Cependant, l'expérience montre que des perturbations, telles que des ondulations, apparaissent sur les courbes de réponse en amplitude, en phase, et en écart de phase, notamment lorsque le niveau du signal écho de l'objet est plus faible que le niveau des signaux perturbateurs ou notamment en cas d'utilisation d'une seule antenne pour l'émission et la réception. Par conséquent, les courbes de mesure ne sont plus monotones ce qui fait que la précision de la mesure de distance de l'objet n'est pas satisfaisante. Ces perturbations proviennent principalement des signaux de fuite du circulateur de l'antenne et de la désadaptation de l'antenne, mais aussi de la distorsion du démodulateur IQ servant à analyser les signaux reçus. L'utilisation d'une seule antenne rend plus critique l'effet de désadaptation de l'antenne et il est important de se prémunir des ondulations que cela peut provoquer pour éviter de dégrader la sensibilité du détecteur. La solution d'utiliser deux antennes séparées pour l'émission et la réception permettrait d'éviter les problèmes d'isolation entre voie d'émission et voie de réception, mais cette solution nécessite un coût et un encombrement important non compatibles avec la réalisation d'un détecteur hyperfréquence de petite taille et à faible coût. Il existe aussi des méthodes d'annulation de couplage entre émission et réception mais ces méthodes analogiques proposent des architectures complexes à mettre en oeuvre et exigent une parfaite adaptation des composants radiofréquence utilisés, ce qui augmente leur coût. C'est pourquoi, le but de l'invention est de proposer une méthode simple et peu coûteuse pour améliorer la précision du système de détection ou diminuer l'hystérésis de décision (c'est-à-dire améliorer le rapport entre l'étendue de la zone d'incertitude de mesure et la portée typique du détecteur). Un détecteur hyperfréquence mettant en oeuvre une telle méthode sera capable de détecter des cibles statiques et mobiles, métalliques et non métalliques, situées à courte distance (c'est-à-dire environ inférieure ou égale à 1 mètre), avec un faible hystérésis de décision (de l'ordre de 1 centimètre). De plus, ce détecteur travaillera dans une bande passante étroite compatible avec la bande de fréquence ISM 2,4GHz û 2,48GHz, qui permet la réalisation d'un radar faible coût, et il n'utilisera qu'une seule antenne, par exemple une antenne patch, de façon à optimiser sa taille et son coût. Pour cela, l'invention décrit une méthode de détection d'une cible dans un détecteur hyperfréquence comportant des moyens d'émission et des moyens de réception de signaux radiofréquence dans la bande de fréquence ISM, une unité de traitement délivrant une information de présence ou de distance de la cible. La méthode est caractérisée en ce qu'elle comprend : - une étape préliminaire de calibrage à vide dans laquelle les moyens d'émission émettent un signal de calibrage, les moyens de réception reçoivent en écho un signal de calibrage correspondant et l'unité de traitement calcule et mémorise l'amplitude du signal de calibrage reçu et la phase du signal de calibrage reçu, - une étape de mesure d'une cible dans laquelle les moyens d'émission émettent des signaux de mesure selon au moins deux fréquences d'émission distinctes et les moyens de réception reçoivent en écho des signaux de mesure correspondants réfléchis par la cible, - une étape de correction dans laquelle l'unité de traitement tient compte de l'amplitude du signal de calibrage reçu et de la phase du signal de calibrage reçu pour calculer une amplitude corrigée des signaux de mesure reçus, une phase corrigée des signaux de mesure reçus et un écart de phase corrigé entre deux signaux de mesure reçus de fréquences distinctes, - une étape de décision dans laquelle l'unité de traitement détermine une information de présence ou de distance de cible à partir de l'amplitude corrigée, de la phase corrigée et de l'écart de phase corrigé. Avantageusement, cette méthode permet ainsi de calculer un vecteur perturbateur à vide complexe dont on utilise l'amplitude et la phase pour corriger les mesures de distance de cible, dans le but de compenser les perturbations dues notamment au démodulateur IQ, au circulateur et à l'antenne. D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par la figure 1 qui montre un schéma simplifié donnant l'architecture générale d'un détecteur conforme à l'invention. En référence au mode de réalisation de la figure 1, un détecteur hyperfréquence comporte un oscillateur radiofréquence 10 de type VCO (Voltage Controlled Oscillator) qui émet un signal dont la fréquence est contrôlée par une tension continue d'entrée 11. Cet oscillateur 10 délivre une porteuse dans la bande de fréquence allouée, à savoir la bande ISM entre 2,4GHz et 2,48 GHz. Un séparateur 15, tel que par exemple un coupleur -10dB, permet de récupérer une partie de la puissance du signal d'émission venant de l'oscillateur 10 pour l'injecter dans la voie OL (Oscillateur Local) d'un démodulateur IQ 30. Ce signal 16 servira de phase de référence au démodulateur IQ 30. Le signal d'émission traverse ensuite un diviseur de Wilkinson 20 qui est utilisé pour isoler le signal d'émission du signal de réception. Il serait également possible d'utiliser un circulateur passif à la place du diviseur de Wilkinson, mais un circulateur passif est plus cher et moins facilement intégrable dans un circuit intégré qu'un diviseur de Wilkinson. Le signal d'émission est ensuite envoyé au moyen d'une antenne 23. Après réflexion sur une cible de l'onde électromagnétique émise, un signal réfléchi est récupéré par la même antenne 23. Ce signal de réception, appelé aussi signal écho, est isolé du signal d'émission par le diviseur de Wilkinson 20 puis est amplifié par un amplificateur 25 de faible bruit, ayant par exemple 20dB de gain. L'utilisation d'une seule antenne 23 pour l'émission et la réception permet notamment d'optimiser le coût et la taille du détecteur. Cette antenne 23 peut être par exemple une antenne patch. L'avantage d'une antenne patch est d'être imprimée, donc facilement intégrable. Il est nécessaire récupérer l'enveloppe complexe du signal de réception dans le but d'obtenir une information donnant l'amplitude du signal écho mais aussi la phase du signal écho, correspondant au déphasage entre le signal émis et le signal écho reçu. Une fois amplifié par l'amplificateur 25, le signal écho est donc injecté dans l'entrée RF (Radio Fréquence) du démodulateur IQ 30. Le démodulateur IQ 30 fournit en sortie deux signaux analogiques I et Q basse fréquence, qui représentent une projection du signal écho dans un repère orthogonal à deux axes. Le niveau de puissance du signal écho reçu peut parfois être très faible, particulièrement dans des zones de détection aveugles, ce qui peut se traduire par des erreurs sur les mesures d'amplitude et de phase du signal écho. La méthode de détection préconisée dans l'invention a notamment pour but de corriger les erreurs liées à la dynamique du démodulateur IQ 30. Grâce à cette méthode, on peut donc utiliser avantageusement un démodulateur IQ 30 peu coûteux dont la dynamique est faible, par exemple de l'ordre de 30dB. Les deux signaux de sortie I et Q du démodulateur IQ 30 sont ensuite envoyés, via des convertisseurs analogiques/digitaux (CAN), vers une unité de traitement numérique 40. L'unité de traitement 40 effectue un traitement du signal permettant de calculer l'amplitude et la phase du signal écho à partir des signaux I et Q reçus, dans le but d'obtenir un signal de sortie S indiquant une présence d'une cible et/ou une distance d'une cible par rapport au détecteur. L'unité de traitement 40 délivre également un signal 41 de consigne de fréquence, dans le but de fournir une valeur de consigne de la fréquence d'émission des signaux à émettre par le détecteur. Cette consigne 41 est envoyée via un convertisseur digital/analogique (CNA) sur l'entrée 11 de l'oscillateur VCO 10. La méthode proposée par l'invention va maintenant être décrite. Cette méthode doit permettre de diminuer la présence et l'influence des perturbations et ondulations des signaux mesurés dans le but de diminuer l'hystérésis de décision d'un tel détecteur hyperfréquence. Elle comprend une première étape préliminaire de calibrage, dite de calibrage à vide. Cette étape préliminaire se déroule lorsque le détecteur est déjà installé dans son environnement de travail et se déroule à vide, c'est-à-dire sans présence de cible dans la zone de détection du détecteur. Durant cette étape de calibrage à vide, les moyens d'émission 10,15,20,23 du détecteur émettent un signal de calibrage selon une fréquence prédéfinie par l'unité de traitement 40 (via la consigne 41), dans la bande de fréquence ISM. Les moyens de réception 20,23,25,30 du détecteur reçoivent un signal de calibrage correspondant, qui est l'écho du signal de calibrage émis. Le signal de calibrage reçu est transmis à l'unité de traitement 40 qui alors calcule et mémorise l'amplitude du signal de calibrage reçu ainsi que la phase du signal de calibrage reçu (c'est-à-dire le déphasage entre le signal de calibrage émis et le signal de calibrage reçu). Le but de cette étape de calibrage est donc de déterminer la composante amplitude et la composante phase d'un vecteur perturbateur à vide ou de déterminer les composantes en phase et en quadrature I et Q du vecteur perturbateur à vide. La connaissance de ces deux paramètres est en effet indispensable pour bien apprendre l'environnement de travail du détecteur et l'influence de ses composants internes, de façon à pouvoir corriger ensuite les mesures effectuées par le détecteur. L'étape de calibrage à vide peut donc avoir lieu lors de la mise en place initiale du détecteur dans son environnement ou suite à toute réinitialisation du détecteur. Dans un mode de réalisation préféré, l'étape de calibrage à vide s'effectue en utilisant successivement plusieurs fréquences dans la bande ISM. On peut ainsi mémoriser des valeurs distinctes de l'amplitude du signal de calibrage reçu et de la phase du signal de calibrage reçu pour chacune des fréquences choisies. Dans ce cas, l'unité de traitement 40 envoie plusieurs consignes de fréquence 41. Cette fonctionnalité permettra d'optimiser la correction à effectuer sur les futurs signaux de mesure reçus, à partir des valeurs de calibrage mémorisées pour chaque fréquence. Une fois que l'amplitude du signal de calibrage reçu et la phase du signal de calibrage reçu sont mémorisés par l'unité de traitement 40, la méthode de détection comporte une étape de mesure d'une cible à détecter dans laquelle les moyens d'émission 10,15,20,23 émettent des signaux de mesure selon au moins deux fréquences distinctes et les moyens de réception 20,23,25,30 reçoivent en écho des signaux de mesure correspondants réfléchis par la cible éventuelle. Ces signaux de mesure sont transmis à l'unité de traitement 40 qui calcule alors l'amplitude des signaux de mesure reçus et la phase des signaux de mesure reçus. Préférentiellement, les mesures sont effectuées au moins à deux fréquences distinctes de la bande ISM pour que l'unité de traitement 40 puisse calculer un écart de phase entre les signaux de mesure reçus à ces deux fréquences distinctes. Ce paramètre d'écart de phase permettra en effet d'améliorer la portée de la détection de la cible. Les deux fréquences sont déterminées par l'unité de traitement 40 (par exemple une mesure à une fréquence F1 de 2,4 GHz suivie d'une mesure à une fréquence F2 de 2, 48 GHz). L'étape suivante est une étape de correction dans laquelle l'unité de traitement 40 tient compte des valeurs (mémorisées durant l'étape de calibrage) de l'amplitude du signal de calibrage reçu et de la phase du signal de calibrage reçu pour calculer : une amplitude corrigée des signaux de mesure reçus, - une phase corrigée des signaux de mesure reçus et un écart de phase corrigé entre deux signaux de mesure reçus de fréquences distinctes. Enfin, la méthode comporte une étape de décision dans laquelle l'unité de traitement 40 du détecteur détermine une information de sortie S du détecteur, à partir de l'amplitude corrigée, de la phase corrigée et de l'écart de phase corrigé. Si le détecteur est par exemple du type détecteur de présence, cette information de sortie S indiquera seulement la présence ou l'absence d'une cible. Si le détecteur est par exemple du type détecteur de proximité, cette information de sortie S indique également la distance de la cible par rapport au détecteur. Le calcul de l'écart de phase corrigé est important pour déterminer avec une meilleure précision la distance de la cible. En effet, avec une fréquence F égale par exemple à 2,4 GHz, la longueur d'onde L correspondante est de l'ordre de 6 cm. Donc, si l'on utilisait seulement la phase corrigée pour une seule fréquence, la distance d'une cible serait calculée avec un modulo de 3 cm (car l'onde fait l'aller-retour), ce qui limiterait grandement la portée du détecteur. En calculant un écart de phase entre un signal de fréquence F1 de 2,4 GHz et un signal de fréquence F2 de 2,48 GHz, on obtient un signal équivalent de 0,08 GHz dont la longueur d'onde correspondante est alors d'environ 1,8 mètre. La distance d'une cible sera donc calculée avec un modulo de 1,8 mètre, ce qui permet d'augmenter nettement la portée du détecteur. Durant l'étape de décision, l'unité de traitement 40 utilise d'abord l'amplitude corrigée des signaux de mesure reçus pour déterminer la présence ou l'absence d'une cible en comparant cette amplitude corrigée par rapport à un seuil prédéterminé, mémorisé par exemple dans l'unité de traitement. Si l'amplitude corrigée est inférieure à ce seuil, alors le détecteur signale une absence de cible. Si l'amplitude corrigée est supérieure à ce seuil, alors le détecteur signale une présence d'une cible dans son champ de portée. Dans le cas où la présence d'une cible est détectée, l'unité de traitement 40 utilise ensuite l'écart de phase corrigé entre deux signaux de mesure reçus de fréquences distinctes. On obtient alors une distance calculée sur une portée d'environ 1,8 mètre (comme indiqué ci-dessus), mais dont la précision n'est pas suffisante, car par exemple une incertitude de 5 sur l'écart de phase donnera alors une incertitude de 180cm * (5 / 360 ) = 2cm. L'unité de traitement 40 calcule donc une première estimation de distance de cible, qui couvre une grande portée mais avec un fort hystérésis de décision. L'unité de traitement 40 utilise ensuite la phase corrigée des signaux de mesure reçus. Cette information permet de calculer une distance beaucoup plus précise mais uniquement sur une portée d'environ 3 cm (comme indiqué ci-dessus). Dans ce cas, une incertitude de 5 sur l'écart de phase donnera alors une incertitude de 3cm * (5 / 360 ) = 0,04cm. Ce traitement est donc complémentaire du traitement précédent puisqu'il permet un calcul de distance plus précis autour de cette première estimation de distance préalablement déterminée. Ainsi, l'association du critère basé sur l'écart de phase corrigé puis du critère basé sur la phase corrigée permet d'obtenir des mesures de distance d'une portée d'environ 1,8 mètre avec un hystérésis de décision de l'ordre de 1%. Optionnellement, pour augmenter la précision du détecteur, l'invention prévoit d'effectuer un nombre N d'étapes de mesures en utilisant un nombre N de signaux de mesure émis à un nombre N de fréquences distinctes, réparties dans la bande ISM. Par exemple, On peut effectuer un nombre de cinq étapes de mesure à partir de signaux émis entre 2,4 GHz et 2,48 GHz, en faisant des sauts successifs de fréquence inférieurs ou égaux à 0,02 GHz pour chacune des étapes de mesure. Ensuite, lors des étapes de correction correspondantes aux N étapes de mesure, l'unité de traitement 40 calcule et mémorise N valeurs d'amplitudes corrigées, N valeurs de phases corrigées et N valeurs d'écarts de phase corrigés (en utilisant alors des mesures pour 2*N fréquences, de façon à obtenir N valeurs d'écarts de phase), avec les valeurs de calibrage correspondantes à chaque fréquence et déterminées durant l'étape de calibrage. Enfin, durant l'étape finale de correction, l'unité de traitement 40 effectue une moyenne de ces N différentes mesures, de façon à obtenir une valeur plus précise d'une amplitude corrigée moyenne, d'une phase corrigée moyenne et d'un écart de phase corrigé moyen. Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer d'autres variantes et perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de moyens équivalents. REVENDICATIONS 1. Méthode de détection d'une cible dans un détecteur hyperfréquence comportant des moyens d'émission (10,15,20,23) et des moyens de réception (20,23,25,30) de signaux radiofréquence dans la bande de fréquence ISM, une unité de traitement (40) délivrant une information de présence ou de distance de la cible, caractérisé en ce que la méthode comprend : - une étape préliminaire de calibrage à vide dans laquelle les moyens d'émission (10,15,20,23) émettent un signal de calibrage, les moyens de réception (20,23,25,30) reçoivent en écho un signal de calibrage correspondant et l'unité de traitement (40) calcule et mémorise l'amplitude du signal de calibrage reçu et la phase du signal de calibrage reçu, - une étape de mesure d'une cible dans laquelle les moyens d'émission (10,15,20,23) émettent des signaux de mesure selon au moins deux fréquences d'émission distinctes et les moyens de réception (20,23,25,30) reçoivent en écho des signaux de mesure correspondants réfléchis par la cible, - une étape de correction dans laquelle l'unité de traitement (40) tient compte de l'amplitude du signal de calibrage reçu et de la phase du signal de calibrage reçu pour calculer une amplitude corrigée des signaux de mesure reçus, une phase corrigée des signaux de mesure reçus et un écart de phase corrigé entre deux signaux de mesure reçus de fréquences distinctes, - une étape de décision dans laquelle l'unité de traitement (40) détermine 25 une information de présence ou de distance de cible à partir de l'amplitude corrigée, de la phase corrigée et de l'écart de phase corrigé. 2. Méthode de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que durant l'étape de calibrage à vide, les moyens d'émission (10,15,20,23) émettent un signal de calibrage à plusieurs fréquences d'émission distinctes et l'unité de 30 traitement (40) calcule et mémorise l'amplitude du signal de calibrage reçu et la phase du signal de calibrage reçu pour chaque fréquence d'émission. 11 3. Méthode de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce l'étape de mesure est effectuée N fois avec N fréquences d'émission distinctes des signaux de mesure dans la bande de fréquence ISM, et durant l'étape de correction, l'unité de traitement (40) calcule une moyenne des N amplitudes corrigées, des N phases corrigées et des N écarts de phase corrigés. 4. Méthode de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans l'étape de décision, l'unité de traitement utilise d'abord l'amplitude corrigée pour détecter la présence d'une cible, puis utilise l'écart de phase corrigé pour calculer une première estimation de distance de cible, puis utilise la phase corrigée pour calculer une distance précise à partir de la première estimation de distance. 5. Détecteur hyperfréquence comprenant des moyens d'émission (10,15,20,23) et des moyens de réception (20,23.25,30) de signaux radiofréquences dans la bande de fréquence ISM, une unité de traitement (40) des signaux émis et des signaux reçus, caractérisé en ce que le détecteur est susceptible de mettre en oeuvre une méthode de détection d'une cible selon l'une des revendications précédentes.