Brevet FR2927424A1 — publié le 20090814

La présente invention se rapporte à un appareil à fonctionnement radar pour la détection et la localisation de discontinuités dans les matériaux. Il est souvent nécessaire de connaître l'homogénéité de la matière pour des raisons de contrôle de qualité mais aussi lors de diagnostics destinés à connaître ou à certifier l'état interne de la matière ou celui d'un matériau. En effet, une structure porteuse dont l'intérieur des supports, par exemple des longerons, est devenu creux par des cavités ou des galeries représente un danger en raison de sa résistance mécanique amoindrie. Il en est ainsi des poutres en bois qui peuvent être attaquées par des insectes ou des animaux rongeurs. C'est le cas des termites représentant un véritable fléau dans certaines régions. Les galeries intérieures restent invisibles et la présence des termites n'est détectée actuellement que par deux catégories d'appareils. Tout d'abord ceux dits acoustiques qui se contentent d'amplifier le bruit de ces insectes au travail et de l'écouter. Cette technique est bien entendu, très dépendante de la qualité sonore de l'environnement. Les endroits bruyants ne permettent pas une identification certaine car le bruit caractéristique à détecter est noyé dans des bruits parasites de forte intensité sonore. La signature sonore des termites est masquée par le bruit ambiant et il est pratiquement impossible d'extraire le bruit utile. Les diagnostics dans ces milieux pollués par le bruit ambiant n'apportent aucune information utile. Une autre technique procède par la détection du mouvement des insectes en utilisant les micro-ondes et l'effet Doppler. 35 Cette technique qui donne de bons résultats, présente deux limitations importantes. D'abord, elle ne permet de détecter que la présence des insectes. Si les insectes sont absents, aucune autre information ne peut être tirée de tels instruments de détection. Ensuite, il n'est pas possible de connaître l'état du volume intérieur du bois, c'est-à-dire les dégradations causées, leur position, leurs dimensions. La présente invention a pour but, de façon générale, de connaître l'état d'homogénéité de la matière et par conséquent de connaître l'état de l'espace intérieur : présence de galeries, de volumes creux et autres discontinuités de la matière révélant des dégâts provoqués par les insectes, des défauts de fabrication ou la présence de différents types de matières non souhaitées. De plus, l'exploitation des résultats des mesures procure des informations sur l'épaisseur du matériau, sur sa forme ou ses différences de formes (poutre rongée de l'extérieur côté invisible) ainsi que diverses informations sur l'état de sa structure interne. Les informations sont utilisées pour déterminer les caractéristiques mécaniques de la matière ou du matériau et la présence et l'ampleur des cavités ou galeries internes. Elles peuvent aussi être utilisées pour vérifier l'absence de défauts dans une matière ou un matériau. L'appareil selon la présente invention se caractérise en ce qu'il se compose d'un émetteur de rampe périodiques de fréquences alimentant une chaîne directe vers une antenne et une chaîne dérivée vers un mélangeur avec les signaux de l'onde réfléchie, le signal résultant à la sortie du mélangeur étant traité pour fournir le spectre en fréquences du champ de mesure et déterminer la position et les dimensions des défauts. L'appareil selon la présente invention permet de détecter toute discontinuité à l'intérieur d'une matière ou d'un matériau, plus particulièrement celle formant une variation de la constante diélectrique. L'invention présente de nombreux avantages parmi lesquels : . la multiplicité des applications depuis la détection des galeries de termites jusqu'à des contrôles de qualité d'homogénéité d'une matière ou d'un matériau, . la possibilité de déduire des mesures l'épaisseur du matériau, possibilité particulièrement utile dans le cas d'une face arrière inaccessible, . des applications dans la télémesure et dans l'imagerie interne des matières et des matériaux et la présence et l'identité d'éléments cachés (éclats d'obus dans le bois, présence des armatures et leur épaisseur dans le béton..). Des applications plus spécifiques peuvent être mentionnées telles que la surveillance d'un niveau de liquide dans une réserve, l'épaisseur d'une cuve, les diagnostics immobiliers. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit, donnée à titre d'exemple et accompagnée des dessins dans lesquels : . la figure 1 est un schéma synoptique général de l'ensemble de l'appareil, . la figure 2 est un schéma à blocs de la partie émission de l'appareil, . la figure 3 est un schéma à blocs de la partie centrale de l'appareil, . la figure 4 montre sur un graphique le train impulsionnel en fréquence à l'émission, . la figure 5 montre sur un graphique en correspondance avec celui de la figure 4, les impulsions de synchronisation pour le traitement du signal, . la figure 6 est un graphique composé sur lequel figurent les rampes répétitives de fréquences en émission juxtaposées aux rampes de fréquence de 5 réception, . la figure 7 est la représentation graphique du spectre d'amplitude des fréquences en fonction de la distance, tel que résultant de la transformée de Fourrier de la différence entre les fréquences reçues, 10 . la figure 8 est un organigramme synoptique montrant la succession des fonctions existant dans l'appareil. En se référant au schéma général de la figure 1, l'appareil selon l'invention se compose des blocs 15 fonctionnels suivants. Un émetteur EMET est alimenté par un bloc d'alimentation ALIM et reçoit des signaux de commande à partir d'un bloc de commande COMET. L'émetteur EMET génère périodiquement des rampes linéaires de 20 fréquences du type de celles représentées sur la figure 4 entre une fréquence minimale Fmin et une fréquence maximale Fmax. Les rampes périodiques de fréquences sont injectées dans un module coupleur hybride COUPL HY de 25 forme, par exemple en rr, connu sous la désignation "branchline" agissant en tant que diviseur sur deux voies vers d'une part un mélangeur MELA et vers d'autre part un circulateur CIRCL. Le circulateur CIRCL a pour but de 30 discriminer et de diriger les signaux émis et les signaux reçus. Sa sortie d'émission se confond avec son entrée de réception sur une seule voie vers un bloc d'antenne ANT comportant une antenne hyperfréquence de préférence du type à ouverture, par exemple à cornet 35 qui est utilisée en émission et en réception. La sortie du circulateur CIRCL correspond à l'entrée de la voie de réception. Elle est reliée à la 4 deuxième entrée du mélangeur MELA duquel ressort un signal différentiel traité dans un bloc de traitement BLOTRA suivi d'un afficheur AFFICH par lequel sont présentés les résultats des mesures ou la visualisation de l'exploitation des mesures par exemple la profondeur des défauts en fonction de l'épaisseur du matériau. Un bloc EXMES d'exploitation des mesures permet de fournir de façon chiffrée les résultats de mesure par exemple des distances et des épaisseurs de matériau. L'ensemble des circuits et éléments est incorporé dans un corps de forme générale en pistolet présentant une poignée. Le front avant de ce corps est par exemple le plan d'émission de l'antenne. On expliquera maintenant plus en détail la composition des blocs fonctionnels de l'appareil de détection et de visualisation selon l'invention. On se référera ci-après aux figures 2 et 3 illustrant le détail des parties les plus importantes de l'appareil. La partie d'émetteur correspondant à la figure 2 comprend un circuit d'alimentation ALIM commune à l'ensemble des modules et blocs fonctionnels de l'appareil. Le module émetteur EMET est constitué principalement par un oscillateur générant des fréquences à partir d'une commande en tension. Il est connu sous le signe VCO. Il est suivi par un circuit doubleur de fréquence DOBLE passif ne venant pas dégrader le rapport signal sur bruit et dont la sortie est reliée au coupleur hybride COUPL HY par exemple un coupleur dit "branchline" référencé CPL. L'oscillateur VCO est commandé en tension à partir d'un module de commande MOCO qui génère par exemple des impulsions périodiques triangulaires de tension par exemple comprises entre 0 et 20 volts et de largeur D correspondant à une fraction majoritaire de la période T à une fréquence de répétition Frep comprise entre 0,5 KHz et 1,5 KHz. A titre d'exemple, on peut citer D= 1 ms et T= 1,2 ms. L'oscillateur VCO ainsi commandé, émet des rampes linéaires montantes périodiques de fréquences sur une durée T entre une fréquence minimale Fmin par exemple de 4 GHz et une fréquence maximale Fmax par exemple de 8 GHz suivies d'une descente linéaire de récupération telles que représentées sur la figure 4. Ces rampes de fréquences sont périodiques à la même fréquence de répétition Frep que la commande en tension. La forme générale du signal est triangulaire. Il remplit ainsi la fonction générale de wobulateur. Le signal périodique formé des rampes linéaires périodiques et montantes de fréquences alimente le doubleur passif de fréquences DOBLE d'où il sort dans la gamme de fréquences, s'étendant par exemple de Fmin-Fmax = 8-16 GHz. Bien entendu, les fréquences limites utilisées seront fonction des caractéristiques des circuits hyperfréquences et notamment celles du guide d'onde. On ne peut utiliser une fréquence située au-delà de la fréquence de coupure du guide d'onde. Un module de référence MODREF génère un signal de référence par exemple sous la forme d'impulsions périodiques de tension par exemple rectangulaires à un rythme dont la fréquence se situe entre 0,65 et 1,2 KHz par exemple 1 KHz. Ce signal de référence est fourni simultanément à l'oscillateur VCO et au convertisseur analogique-numérique. On examinera maintenant la partie centrale représentée sur la figure 3. Le signal d'émission ainsi que le signal de référence sont fournis au coupleur hyperfréquences hybride assurant la fonction générale de diviseur. De façon non limitative, pour cette application un coupleur hyperfréquences CPL du type connu sous la désignation "branchline" a été utilisé. Il s'agit d'un coupleur passif à large bande 5 passante et faible bruit et diviseur de puissance dirigeant le signal à chaque fois à puissance réduite de moitié sur une voie 1 vers le circulateur CIRCL et à travers lui vers l'antenne AN'r et sur une voie 2 vers le mélangeur MELA. Si la puissance incidente est de 3mW, les puissances de sortie sur les voies 1 et 2 seront chacune de 1,5 mW, les signaux de la voie 2 étant en quadrature de phase par rapport aux signaux de la voie 1. On examinera successivement les voies 1 et 2. Elles comportent d'abord pour la voie 1 d'émission le circulateur CIRCL et l'antenne ANT et ensuite pour la voie 2 le mélangeur MELA puis l'ensemble de traitement du signal. 20 Sur la voie 1 d'émission, le circulateur CIRCL est traversant vers l'antenne ANT pour la puissance incidente. Celle-ci vient alimenter l'antenne ANT à travers un guide d'onde adapté ou son guide d'onde GUIDO. L'antenne ANT est par exemple une antenne 25 hyperfréquence du type à ouverture par cornet qui présente son propre gain par exemple 20dB et une ouverture angulaire d'onde de l'ordre de 20° d'angle. La voie 2 aboutit à une première entrée du mélangeur MELA en vue de son mélange avec le signal de 30 l'onde réfléchie qui arrive par la deuxième entrée du mélangeur. Une fraction utilisable de l'onde réfléchie est captée par l'antenne qui en transmet les signaux contenus au circulateur CIRCL par l'intermédiaire du 35 guide d'onde GUIDO. Le circulateur CIRCL joue son rôle de coupleur sélectif, dirigeant les signaux de l'onde 10 15 réfléchie vers le mélangeur MELA. Avant leur entrée dans le mélangeur MELA, ces signaux subissent un filtrage passe-bande avec amplification dans un module FILTRA dans la bande exploitée des hyperfréquences par exemple 8-16 GHz. Dans le mélangeur MELA s'opèrent la multiplication des fréquences avec les composantes somme, soustraction pour tous les harmoniques des signaux émis et reçus. On comprend qu'à un instant donné, la différence entre les signaux émis et les signaux reçus correspond à une différence de fréquences correspondant à une distance qui lorsque transformée par la formule de Fourrier donnera une amplitude en fonction d'une distance. A la sortie de FILTRA, le signal subit une conversion analogique-numérique dans un module CAN à une fréquence de travail c'est-à-dire d'échantillonnage Fech par exemple de 200 KHz, qui permet de ne garder que la composante de soustraction des signaux provenant du mélangeur MELA. Cette conversion est suivie d'un filtrage numérique dans un module FILTRAN permettant de rejeter tous les signaux parasites. Ce filtrage numérique s'effectue par un filtre passe-bande dont la bande passante est située par exemple entre 10 et 60 KHz. Le signal numérisé est ensuite traité en lui appliquant la transformée de Fourrier dans le module de traitement MOTRA pour récupérer en sortie le spectre utile des fréquences. Le signal de sortie porteur des informations relatives au spectre des fréquences subit un ou plusieurs traitements ou retraitements spécifiques dans un module EXMES d'exploitation des mesures pour visualiser de façon plus directement compréhensible les résultats de l'analyse. La courbe du spectre des fréquences en fonction de la distance par rapport à l'appareil dont un exemple est représenté sur la figure 7, est alors affichée en fonction de l'épaisseur "e" du matériau sur un afficheur AFFICH permettant de visualiser la distance des discontinuités dans le matériau. Le premier pic de fréquences est celui correspondant à la face avant plane de l'antenne en contact avec le matériau et le dernier celui de la face arrière du matériau. La distance entre ces deux pics d'extrémité correspond à l'épaisseur "e" du matériau testé. Les pics intermédiaires correspondent chacun à une discontinuité dans le matériau testé par exemple pour le bois à une galerie de termites. On peut envisager en plus, un affichage en pseudo 3D par colorimétrie de l'amplitude des signaux pour rajouter un troisième axe de visualisation des barres de couleur différente selon l'état ou tout autre mode adapté de visualisation. Pour encore mieux faire comprendre l'invention, on décrira ci-après à l'aide de l'organigramme de la figure 8 le schéma fonctionnel de l'appareil. La fonction générale d'alimentation des circuits n'a pas été représentée car elle se retrouve dans tous les appareils actuels et ne comporte aucune originalité. On génère des signaux triangulaires de fréquence analogues à ceux représentés sur la figure 5 à partir de signaux triangulaires de tension. Les excursions en fréquences dans le temps sont de 4 GHz portant la fréquence de 4 GHz à 8 GHz selon une rampe linéaire montante et ensuite une décroissance rapide de la fréquence maximale 8 GHz à la fréquence minimale Fmin 4 Ghz pour un raccordement à la rampe montante de la période suivante. On procède ensuite à un doublement de la fréquence devenant Fmin = 8 GHz et Fmax = 16 GHz. Un couplage hybride à deux voies partage la puissance entre, d'une part une puissance d'émission vers un couplage directionnel et ensuite une excursion hyperfréquence par l'antenne et, d'autre part, une puissance vers une fonction MELANGE. Le partage s'effectue par exemple pour moitié sur chaque voie. Le couplage directionnel dirige les signaux reçus de faible puissance vers un étage de filtrage et d'amplification pour arriver à la fonction MELANGE. Les signaux après mélange sont convertis par échantillonnage en signal numérique qui, après filtrage numérique subissent un traitement numérique comprenant entre autres opérations l'application de la fonction de Fourrier pour obtenir le spectre en fréquences qui, après une fonction d'exploitation avant affichage par exemple une préparation à l'affichage au niveau de la présentation et de la propreté des courbes avant leur affichage sur un module afficheur. L'invention se rapporte également à l'application du principe hyperfréquence utilisant l'analyse et le traitement des signaux contenus dans l'écho pour déterminer les défauts d'homogénéité, c'est-à-dire de variation de densité dans les matériaux. Plus particulièrement, on utilise cette technique pour déterminer la présence de galeries d'insectes dans un matériau, notamment dans le bois. REVENDICATIONS 1. Appareil pour la détection et la localisation de discontinuités ou la présence de corps étrangers dans un matériau par utilisation d'une onde hyperfréquence émise et captée après réflexion caractérisé en ce qu'il se compose d'un générateur EMET de rampes de fréquences périodiques montantes entre Fmin et Fmax à une fréquence de répétition Frep formant un signal triangulaire et alimentant un coupleur hybride COUPL HY divisant la puissance sur une voie d'émission et sur une voie de mélange, les signaux transitant par la voie d'émission sont émis par une antenne hyperfréquence ANT à travers un circulateur CIRCL dirigeant les signaux reçus vers un mélangeur MELA, ce mélangeur MELA fournissant les signaux résultant du mélange à un convertisseur CAN analogique-numérique pour être traitées dans un module de traitement MOTRA en vue de l'affichage du spectre des fréquences réfléchies duquel sont tirées les distances des discontinuités par rapport à un plan de référence. 2. Appareil selon la revendication 1 caractérisé en ce que les fréquences des rampes périodiques montantes entre Fmin et Fmax résultent d'un doublement de fréquences après passage dans un module doubleur DOBLE. 3. Appareil selon la revendication 2 caractérisé en ce que la bande des fréquences utilisées comprises ente Fmin et Fmax est égale à 4 GHz. 4. Appareil selon la revendication 3 caractérisé en ce que les fréquences Fmin et Fmax sont égales respectivement Fmin = 8 GHz et Fmax = 16 GHz 5. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la fréquence de répétition Frep des rampes périodiques montantes de fréquence est comprise entre 0,5 et 1,5 KHz. 6. Appareil selon la revendication 1 caractérisé en ce que le générateur des signaux triangulaires hyperfréquences est un oscillateur à excitation en tension connu sous VCO. 7. Appareil selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un module de référence MODEREF émet un signal de référence pour le convertisseur CAN. 8. Appareil selon la revendication 1 caractérisé en ce que le coupleur hybride COUPL HY est un coupleur à faible bruit. 9. Appareil selon la revendication 8 caractérisé en ce que le coupleur hybride COUPL HY à faible bruit est du type "branchline" 10. Appareil selon la revendication 1 caractérisé en le signal est filtré et amplifié dans un module de filtrage et d'amplification FILTRA entre le circulateur CIRCL et le mélangeur MELA. 11. Appareil selon la revendication 10 caractérisé en ce que le filtre du module de filtrage et d'amplification FILTRA est du type passe bande dans la gamme des fréquences utilisées entre Fmin et Fmax. 12. Appareil selon la revendication 1 caractérisé en le convertisseur CAN fonctionne par échantillonnage à une fréquence Fech. 13. Appareil selon la revendication 12 caractérisé en la fréquence Fech est égale à 200kHz. 14. Appareil selon les revendications 1 et 12 caractérisé en ce que le convertisseur CAN est suivi d'un module de filtrage numérique FILTRAN à bande passante s'étendant entre 10 et 60 Khz. 15. Appareil selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'antenne hyperfréquence ANT est du type à ouverture. 16. Appareil selon la revendication 15 caractérisé en ce que l'antenne hyperfréquence ANT est du type à cornet. 17. Appareil selon la revendication 1 13 caractérisé en ce que le module de traitement MOTRA comprend au moins une transformation de Fourrier. 18. Appareil selon la revendication 16 caractérisé en ce que le module de traitement MOTRA est suivi par un module d'exploitation des mesures EXMES pour la préparation des résultats à l'affichage. 19. Application de l'appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes à la détection et à la localisation de défauts de qualité d'un matériau ou la présence de corps étrangers. 20. Application de l'appareil tel que revendiqué ci-dessus à la détection, à la localisation et à la mesure de galerie(s) provoquée(s) par les insectes dans un matériau brut ou mi-oeuvré ou Euvré, notamment dans le bois.