Brevet FR2943139A1 — publié le 20100917

TÉLÉMÈTRE ABSOLU HYPERFRÉQUENCE DE HAUTE PRÉCISION À MESURE PAR TRANSMISSION DESCRIPTION 5 DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne le domaine de la télémétrie hyperfréquence. Elle trouve notamment application dans la mesure de précision de la distance absolue entre deux objets et la surveillance de faibles 10 déplacements relatifs entre ces deux objets. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La mesure de distance entre deux objets peut être obtenue de multiples façons. Une technique bien connue 15 consiste à installer un système radar ou lidar sur l'un des objets et de mesurer la distance à un réflecteur situé sur l'autre objet. La distance est généralement obtenue par le temps de vol aller-retour d'une impulsion ou la différence de fréquence entre l'onde 20 émise et l'onde reçue dans le cas d'un système FMCW. La mesure du déplacement d'un objet par rapport à un autre peut être bien entendu obtenue par différence entre mesures de distance consécutives. Lorsqu'une précision élevée est requise, on utilise de préférence 25 un dispositif interférométrique évaluant le déplacement d'un objet à partir du défilement des franges d'interférence entre une onde de référence et une onde réfléchie par cet objet. Pour certaines applications industrielles, 30 notamment pour des chaînes d'assemblage, il est nécessaire d'obtenir des informations de position et/ou de déplacement d'un grand nombre d'objets ou de points situés sur ces objets. Il est connu d'utiliser pour ce faire un dispositif dénommé � laser tracker � capable d'émettre un faisceau laser dans un grand nombre de directions et de mesurer les distances respectives à une pluralité d'objets situés dans le champ de balayage du faisceau. On trouvera par exemple une description d'un laser tracker dans la demande internationale WO-A-0109642. Un tel dispositif est cependant très coûteux et peu adapté aux environnements industriels dans la mesure où il est particulièrement fragile et sensible à la poussière, aux variations de température, de pression, d'humidité et au niveau lumineux ambiant. Un télémètre hyperfréquence de haute précision a été proposé dans la demande non publiée FR-A-0757471 déposée au nom de la présente demanderesse. Cependant ce télémètre ne permet que de mesurer un déplacement relatif et non une distance absolue entre deux objets. Un premier but de la présente invention est par conséquent de proposer un télémètre absolu, autrement dit un système capable de mesurer la distance entre deux objets avec une très haute précision tout en étant particulièrement robuste et de faible coût. Un but subsidiaire de la présente invention est de prévoir la possibilité de mesurer quasi-simultanément les distances à un très grand nombre d'objets. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention est définie par un système de mesure de distance entre deux antennes, dans lequel chaque antenne est reliée à un module d'émission/réception, chaque antenne émettant tour à tour et l'autre recevant le signal émis, les signaux émis et réfléchi par l'antenne émettrice et le signal reçu par l'antenne réceptrice étant transmis à un analyseur de réseau vectoriel, ledit analyseur étant adapté à mesurer pour une pluralité de fréquences les paramètres S , i =1,2 ;j=1,2 du quadripôle compris entre les modules d'émission/réception des deux antennes, des moyens de calcul étant adaptés à effectuer une transformée de Fourier inverse de chacun de ces paramètres pour obtenir les réponses impulsionnelles correspondantes et y déterminer la position temporelle d'un pic de signal, une première et une seconde positions temporelles, t11 et ti21, étant déterminées pour deux réponses impulsionnelles différentielles du quadripôle entre une première configuration où une première antenne émettrice est occultée et une configuration où elle ne l'est pas, une troisième et quatrième positions temporelles, et t12 , étant déterminées pour deux réponses impulsionnelles différentielles du quadripôle entre une seconde configuration où une seconde antenne émettrice est occultée et une configuration où elle ne l'est pas, la distance D entre les deux antennes étant alors déterminée par : 330 D= CX12 +121 - (t11 +122 2 où c est la célérité de la lumière dans l'air. Pour chaque réponse impulsionnelle différentielle ladite position temporelle est avantageusement obtenue comme la position temporelle du premier pic apparaissant dans cette réponse. L'invention concerne également un système de mesure de distance entre une pluralité M d'antennes, dans lequel chaque antenne est reliée à un module d'émission/réception, chaque antenne émettant tour à tour et les autres antennes recevant alors le signal émis, les signaux émis et réfléchi par cette antenne ainsi que les signaux reçus par les antennes réceptrices étant respectivement transmis à un analyseur de réseau vectoriel via un premier et un second commutateurs, ledit analyseur étant adapté à mesurer pour chaque couple m d'antennes, les paramètres S;.;', i =t2 ; j =t2 du quadripôle compris entre les modules d'émission/réception de ces deux antennes, le système comprenant en outre des moyens de calcul adaptés à effectuer une transformée de Fourier inverse de chacun de ces paramètres pour déterminer les réponses impulsionnelles sm u i=1,2 ; j=1,2 correspondantes et y déterminer la position temporelle d'un pic de signal, une première et une seconde positions temporelles, tilt et ti21, étant déterminées pour deux réponses impulsionnelles différentielles de chaque 4 quadripôle entre une première configuration où une première antenne émettrice du quadripôle est occultée et une configuration où elle ne l'est pas, une troisième et quatrième positions temporelles, et T;"2, étant déterminées pour deux réponses impulsionnelles différentielles de ce quadripôle entre une seconde configuration où une seconde antenne émettrice est occultée et une configuration où elle ne l'est pas, la distance entre les antennes du quadripôle étant m m rG 1m l 1 déterminée par Dm = c~~~ +~~~ 2 `~~ +~ ~~ J où c est la célérité de la lumière dans l'air. Pour chaque réponse impulsionnelle différentielle, ladite position temporelle est avantageusement obtenue comme la position temporelle du premier pic apparaissant dans cette réponse. Selon un mode particulier de réalisation, lesdites antennes sont choisies toutes identiques. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS 20 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, fait en référence aux figures jointes parmi lesquelles : 25 La Fig. 1 illustre schématiquement un système de mesure de distance selon un premier mode de réalisation de l'invention ; La Fig. 2 illustre schématiquement un système de mesure de distance selon un second mode de réalisation de l'invention La Fig. 3 représente schématiquement un système de 5 mesure de distance selon un second mode de réalisation de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'idée à la base de l'invention est d'utiliser un 10 système hyperfréquence comprenant une première antenne installée sur un premier objet et une seconde antenne installée sur un second objet, et de mesurer la distance entre les antennes émettrice et réceptrice au moyen des paramètres S dudit système hyperfréquence. 15 Plus précisément, la Fig. 1 représente un système de mesure de distance selon un mode de réalisation de l'invention. Ce système 100 comprend une première antenne 111, installée sur un premier objet 101 et une seconde 20 antenne 112, installée sur un second objet 102. Les antennes 111 et 112 sont alternativement émettrices et réceptrices. Elles sont respectivement reliées à un premier duplexeur 131 et un second duplexeur 132 par des câbles coaxiaux 121 et 122. Le premier duplexeur 25 131 est connecté en entrée/sortie à un premier module d'émission/réception 141. Le second duplexeur 132 est de la même façon connecté en entrée/sortie à un second module d'émission/réception 142. Les premier et second modules d'émission/réception 141, 142 sont en outre 30 reliés à un analyseur de réseau vectoriel 160 qui détermine les paramètres S du réseau et les fournit aux moyens de calcul 170. Le système 100 comprend enfin des moyens de contrôle (non représentés) pilotant les modules d'émission/réception, l'analyseur de réseau ainsi que les moyens de calcul. L'ensemble constitué par les duplexeurs 131 et 132, les câbles coaxiaux 121 et 122, les antennes 111 et 112 et l'air séparant les deux antennes peut être vu comme un quadripôle Q, représenté en trait discontinu, d'entrées et et e2 et de sorties si et s2. On rappelle que les paramètres S d'un quadripôle, sont définis par : S11 =b S21=b2 512= bl S22=b2 (1) al al a2 a2 où al et a2 sont les amplitudes complexes des ondes entrantes en et et e2, bl et b2 sont les amplitudes complexes des ondes sortantes en fi et s2. Les paramètres S sont de manière équivalente les coefficients de la matrice de dispersion du quadripôle. Pour mesurer les paramètres S, on injecte alternativement un signal en et et e2 et l'on mesure dans chacun des cas l'amplitude et la phase des ondes sortantes en fi et s2. Les paramètres S du quadripôle sont mesurés à une pluralité de fréquences f1,f2,...,fN, équidistribuées avec un intervalle fréquentiel Ô. f. Pour ce faire, soit l'on injecte successivement une onde à ces différentes fréquences, soit l'on injecte un signal large bande dont on détermine les composantes fréquentielles à fi,f2'...'fN . Dans les deux cas on mesure les paramètres S.j i=1,2; j =t2 selon (1) et l'on obtient ainsi un échantillonnage de la matrice de transfert du quadripôle dans le domaine fréquentiel. On calcule ensuite la transformée de Fourier inverse de chaque paramètre S , i =1,2 ; j=1,2; par exemple au moyen d'une IFFT, pour déterminer la réponse impulsionnelle correspondante, désignée par s.j avec su=TF-1(S). On obtient ainsi les réponses impulsionnelles entre les différentes entrées et les différentes sorties du quadripôle. En général cette réponse impulsionnelle présente une pluralité de pics dus à des multi-trajets, c'est-à-dire à des réflexions du signal sur des éléments de l'environnement. La Fig. 2 illustre schématiquement la méthode de mesure de distance utilisant le système de la Fig. 1. Dans une première étape 210, alors que l'antenne 111 fonctionne comme antenne d'émission, on occulte cette antenne pour mettre le système dans une première configuration occultée. En pratique, on place une plaque réfléchissante sur cette antenne ou on la déconnecte du câble coaxial 121. On mesure alors les paramètres S11 et S21 du système dans la première configuration occultée, notés ci-après S11 et S2i' A l'étape 220, alors que l'antenne 111 fonctionne toujours en antenne d'émission, on supprime l'occultation et l'on mesure les paramètres S11 et S21 en configuration non occultée. On calcule en 225 les différences complexes 511" -511 et S21` -521 pour chacune des fréquences fi,f2,...,fN et l'on effectue une transformée de Fourier inverse de ces différences complexes pour déterminer les réponses impulsionnelles différentielles correspondantes, à savoir s7ûsu et s21 ùs21 . Selon une variante, on peut effectuer une transformée de Fourier inverse de chacune des valeurs complexes S11, S11, 521, S21, puis calculer les différences de réponses impulsionnelles dans le domaine temporel. Dans tous les cas, on détermine la position temporelle du pic d'émission dans les réponses impulsionnelles différentielles s7ûs11 et s2i'ûs21 , soit respectivement ti11 et ti21. A l'étape 230, alors que l'antenne 112 fonctionne comme antenne d'émission, on occulte cette antenne pour mettre le système dans une seconde configuration occultée. En pratique, on place une plaque réfléchissante sur cette antenne ou on la déconnecte du câble coaxial 122. On mesure alors les paramètres S22 et S12 du système dans la seconde configuration occultée, notés ci-après S22 et S7 A l'étape 240, alors que l'antenne 112 fonctionne toujours en antenne d'émission, on supprime l'occultation et l'on mesure les paramètres S22 et S12 en configuration non occultée. On calcule en 245 les différences complexes et 512" -512 pour chacune des fréquences fi,f2,...,fN occ 22 et l'on effectue une transformée de Fourier inverse de ces différences complexes pour déterminer les réponses impulsionnelles différentielles correspondantes, à savoir s22" ùs22 et s12~ ùs12 . Selon une variante, on peut, 5 comme précédemment, effectuer une transformée de Fourier inverse de chacune des valeurs complexes S22, 522, S1z S12, puis calculer les différences de réponses impulsionnelles dans le domaine temporel. Dans tous les cas, on détermine la position temporelle du pic 10 d'émission dans les réponses impulsionnelles différentielles s22' ùs22 et s1z~ ùs12, soit respectivement t22 et t12 . A l'étape 250, on détermine la distance D entre la première et la seconde antennes à partir de 15 l'expression : D = c112 +t21 ù (t11 +122 2 où c est la célérité de la lumière dans l'air. 20 Plus précisément, l'expression (2) donne la distance entre les centres de phase respectifs des deux antennes 111 et 112. La distance physique entre les deux objets est déduite de D et des positions respectives des antennes 111 et 112 disposées sur les 25 objets 101 et 102. On pourra par exemple déterminer une fois pour toutes l'offset entre la distance entre les deux objets et la distance entre les centres de phase des antennes grâce à un laser tracker. (2) On comprendra que, dans l'expression (2), les termes ti12 et ti21 prennent en compte non seulement le temps de propagation entre les deux antennes mais également les retards dus à la propagation dans les composants hyperfréquence, à savoir pour l'essentiel les câbles coaxiaux, les duplexeurs et les modules d'émission/réception. En revanche, les termes tilt et ti22 représentent exclusivement les retards de propagation dans les composants hyperfréquences. On obtient ainsi une estimation très précise de la distance entre antennes, indépendamment des caractéristiques des composants hyperfréquence utilisés. En outre, cette mesure de distance est insensible aux dérives éventuelles pouvant affecter les caractéristiques des composants hyperfréquence, soit en raison de fluctuations thermiques ou de leur vieillissement. Enfin, le fait de déterminer les positions temporelles des pics d'émission dans des réponses impulsionnelles différentielles entre une configuration occultée et une configuration non occultée permet de s'affranchir des pics parasites dus à l'environnement. La Fig. 3 représente schématiquement un système de mesure de distance selon un second mode de réalisation de l'invention. Ce système permet de mesurer une pluralité de distances entre M>2 objets 305. Chacun de ces objets est équipé d'une antenne 310 reliée à un duplexeur 330 par un câble coaxial 320. Avantageusement, les antennes seront choisies identiques et un seul modèle sera alors utilisé. Les duplexeurs 330 sont respectivement connectés aux modules d'émission/réception 340. Les signaux émis et reçus par les différentes antennes sont transmis à un analyseur de réseau 360, à travers un commutateur de signaux reçus 345 et un commutateur de signaux émis 346. Les paramètres mesurés sont traités par les moyens de calcul 360. Le séquencement et le pilotage des mesures sont assurés par des moyens de contrôle (non représentés), commandant les modules d'émission/réception 340, les commutateurs 345 et 346, l'analyseur de réseau vectoriel 360, ainsi que les moyens de calcul 370. Chacune des antennes 310 est tour à tour émettrice, les autres antennes étant alors réceptrices. Lorsqu'une antenne 310 émet, le signal émis par cette antenne est transmis à l'analyseur de réseau 360 via le commutateur 345. Les signaux reçus par les autres antennes sont transmis tour à tour à l'analyseur de réseau 360 via le commutateur 346. On peut ainsi mesurer les paramètres S7 de M(M -1) 2 quadripôles, chaque quadripôle m =1,..,M(Mù1)/2 étant relatif à un couple d'antennes parmi At. Pour un quadripôle m donné, les paramètres e sont mesurés pour une pluralité N de fréquences flD...,fN De manière similaire au premier mode de réalisation, pour chaque couple d'antenne, les moyens de calcul déterminent les réponses impulsionnelles différentielles m,occ m m,occ m Sll ùSll , S21 ùS21 entre la première configuration occultée et la configuration non occultée m,occ m m,occ m ainsi que celles s22 ùs22 et s12 ùs12 entre la seconde configuration occultée et la configuration non occultée. Les pics correspondant à l'antenne d'émission sont identifiés dans chaque réponse impulsionnelle différentielle et leurs positions temporelles tilt, t 21/ X22' T;2, sont respectivement mesurées. La distance Dm entre les antennes du quadripôle m est donnée par : lm 2 1m l 10 Dm - c l2 +ti21 ù 11l +ti22 2 où c est la célérité de la lumière dans l'air. On notera qu'en choisissant convenablement l'ordre des mesures, il suffira de procéder à M 15 occultations pour calculer toutes les réponses impulsionnelles différentielles et donc les valeurs de distances. Avantageusement, les mesures en configuration d'occultation pourront être réalisées une fois pour toutes dans une phase de calibration. 20 On notera que le système de mesure de distance selon le premier ou le second mode de réalisation de l'invention permet également de déterminer le déplacement relatif d'un objet par rapport à un autre 25 entre deux instants consécutifs en calculant la différence entre les distances séparant ces deux objets, mesurées respectivement en ces deux instants. (3) REVENDICATIONS1. Système de mesure de distance entre deux antennes (111, 112), caractérisé en ce que chaque antenne est reliée à un module d'émission/réception (141, 142), chaque antenne émettant tour à tour et l'autre recevant le signal émis, les signaux émis et réfléchi par l'antenne émettrice et le signal reçu par l'antenne réceptrice étant transmis à un analyseur de réseau vectoriel (160), ledit analyseur étant adapté à mesurer pour une pluralité de fréquences les paramètres SZ~ , i =1,2 ;j=1,2 du quadripôle compris entre les modules d'émission/réception des deux antennes, des moyens de calcul (170) étant adaptés à effectuer une transformée de Fourier inverse de chacun de ces paramètres pour obtenir les réponses impulsionnelles correspondantes et y déterminer la position temporelle d'un pic de signal, une première et une seconde positions temporelles, ti11 et t21, étant déterminées pour deux réponses impulsionnelles différentielles du quadripôle entre une première configuration où une première antenne émettrice est occultée et une configuration où elle ne l'est pas, une troisième et quatrième positions temporelles, ti22 et ti12, étant déterminées pour deux réponses impulsionnelles différentielles du quadripôle entre une seconde configuration où une seconde antenne émettrice est occultée et une configuration où elle ne l'est pas, la distance D entre les deux antennes étant alors déterminée par :D = cX12+t21-(Ill +122) 2 où c est la célérité de la lumière dans l'air. 2. Système de mesure de distance selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour chaque réponse impulsionnelle différentielle ladite position temporelle est obtenue comme la position temporelle du premier pic apparaissant dans cette réponse. 3. Système de mesure de distance entre une pluralité M d'antennes, caractérisé en ce que chaque antenne est reliée à un module d'émission/réception (340), chaque antenne émettant tour à tour et les autres antennes recevant alors le signal émis, les signaux émis et réfléchi par cette antenne ainsi que les signaux reçus par les antennes réceptrices étant respectivement transmis à un analyseur de réseau vectoriel (360) via un premier et un second commutateurs (345, 346), ledit analyseur étant adapté à mesurer pour chaque couple m d'antennes, les paramètres S;J , i=1,2 ; j=1,2 du quadripôle compris entre les modules d'émission/réception de ces deux antennes, le système comprenant en outre des moyens de calcul (370) adaptés à effectuer une transformée de Fourier inverse de chacun de ces paramètres pour déterminer les réponses impulsionnelles s i=1,2 ;j=1,2 30 correspondantes et y déterminer la position temporelle 15 16 d'un pic de signal, une première et une seconde positions temporelles, till et ti21, étant déterminées pour deux réponses impulsionnelles différentielles de chaque quadripôle entre une première configuration où une première antenne émettrice du quadripôle est occultée et une configuration où elle ne l'est pas, une troisième et quatrième positions temporelles, et T;"2, étant déterminées pour deux réponses impulsionnelles différentielles de ce quadripôle entre une seconde configuration où une seconde antenne émettrice est occultée et une configuration où elle ne l'est pas, la distance entre les antennes du quadripôle étant m m déterminée par Dm = +121 2 +122 où c est la célérité de la lumière dans l'air. 4. Système de mesure de distance selon la revendication 3, caractérisé en ce que pour chaque réponse impulsionnelle différentielle ladite position temporelle est obtenue comme la position temporelle du premier pic apparaissant dans cette réponse. 5. Système de mesure de distance selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que lesdites antennes sont toutes identiques.25