Brevet FR2965636A1 — publié le 20120406

TÉLÉMÈTRE ABSOLU HYPERFRÉQUENCE DE HAUTE PRÉCISION. TRANSPOSITION DE FRÉQUENCE 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 à un grand nombre d'objets et de leurs déplacements 10 relatifs. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La mesure de distance entre deux objets peut être 15 obtenue de multiples façons. Une technique bien connue consiste à installer un système radar ou lidar sur l'un des objets et à 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 20 impulsion ou la différence de fréquence entre l'onde 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 25 précision élevée est requise, on utilise de préférence 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, 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 Cracker » 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 Cracker dans la demande internationale TRIO-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 FR-A-2920886 déposée au nom de la présente demanderesse. Cependant ce télémètre permet de ne mesurer qu'un déplacement relatif entre deux antennes et non la distance absolue à un objet. La demande non publiée FR 09 53498, également déposée au nom de la présente demanderesse, décrit un télémètre hyperfréquence large bande utilisant un réflecteur à deux états radioélectriques. La commutation du réflecteur d'un état à un autre permet d'éliminer les réflexions parasites sur l'environnement et d'identifier le signal réfléchi par le réflecteur en question. Toutefois, le couplage entre l'antenne de réception et de réémission du réflecteur peut introduire d'importantes perturbations, ce d'autant que le signal reçu doit généralement être amplifié avant d'être réémis. Il en résulte une dégradation du rapport signal à bruit au niveau du dispositif de mesure. Un premier but de la présente invention est de proposer un télémètre absolu du type large bande, présentant une grande sélectivité par rapport aux réflexions parasites sur l'environnement et un rapport signal sur bruit élevé. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention est définie par un système de mesure de distance d'une antenne à un réflecteur, ladite antenne étant reliée à un module d'émission et un module de réception. Le module de réception effectue une transposition en fréquence du signal reçu. Le signal ainsi transposé et le signal émis sont transmis à des moyens de mesure adaptés à mesurer, pour une pluralité de fréquences, un paramètre égal au rapport complexe entre ces deux signaux, le système comprenant en outre des moyens de calcul adaptés à effectuer une transformée de Fourier inverse de ce paramètre pour obtenir une réponse impulsionnelle correspondante, et à déterminer la position temporelle d'un pic de signal dans cette réponse, une première position temporelle, étant déterminée dans une réponse impulsionnelle différentielle obtenue comme différence entre une première réponse impulsionnelle relative à une première configuration où le réflecteur est dans un premier état radioélectrique et une seconde réponse impulsionnelle relative à une seconde configuration où le réflecteur est dans un second état radioélectrique, ladite distance étant déterminée à partir de ladite première position temporelle et d'une seconde position temporelle correspondant à la réflexion sur ladite antenne de l'onde émise. Selon une première variante, le réflecteur comprend une première antenne et une seconde antenne, un commutateur permettant de connecter la première antenne à une première borne reliée à une impédance ou à une seconde borne reliée à la seconde antenne via un amplificateur et un module de transposition de fréquence. Selon une seconde variante, le réflecteur comprend une première antenne et une seconde antenne, le signal reçu par la première antenne étant amplifié par un amplificateur de gain variable et transposé en fréquence par un module de transposition de fréquence avant d'être retransmis par la seconde antenne, le gain de l'amplificateur pouvant être commuté d'une première valeur de gain à une seconde valeur de gain. Avantageusement, le signal reçu subit un filtrage dans un filtre passe-bande avant d'être retransmis sur la seconde antenne. Selon une troisième variante, le réflecteur comprend une antenne reliée à un duplexeur dont la sortie est connectée à un commutateur, ledit commutateur permettant de connecter la sortie du duplexeur à une première borne reliée à une impédance ou à une seconde borne reliée à l'entrée du duplexeur via un amplificateur et un module de transposition de fréquence. Selon une quatrième variante, le réflecteur comprend une antenne reliée à un duplexeur, le signal en sortie du duplexeur étant amplifié par un amplificateur de gain variable et transposé en fréquence par un module de transposition de fréquence avant d'être fourni à l'entrée du duplexeur, le gain de l'amplificateur pouvant être commuté d'une première valeur de gain à une seconde valeur de gain. Avantageusement, le signal reçu en sortie du 10 duplexeur subit un filtrage dans un filtre passe-bande avant d'être fourni à l'entrée du duplexeur. Typiquement, le module de transposition de fréquence effectue un premier décalage de fréquence et le module de réception effectue un second décalage de 15 fréquence, les premier et second décalages de fréquence étant de même amplitude et de signes opposés. Ladite première position temporelle est obtenue par les moyens de calcul comme la position temporelle du pic de plus forte intensité apparaissant dans la 20 réponse impulsionnelle différentielle. La seconde position temporelle est obtenue par les moyens de calcul comme celle du premier pic apparaissant dans la première ou la seconde réponse impulsionnelle. L'invention concerne également une méthode de 25 mesure de distance d'une antenne à un réflecteur dans laquelle l'antenne émet une onde, la reçoit après réflexion sur le réflecteur, dans laquelle ledit réflecteur effectue un premier décalage de fréquence entre l'onde qu'il reçoit et l'onde qu'il renvoie, 30 l'onde reçue par l'antenne subissant un second décalage en fréquence, opposé au premier. On détermine alors à partir de l'onde émise par l'antenne et de l'onde reçue, décalée en fréquence : - une première réponse impulsionnelle dans une première configuration où le réflecteur est dans un 5 premier état radioélectrique ; - une seconde réponse impulsionnelle dans une seconde configuration où le réflecteur est dans un second état radioélectrique ; et l'on déduit : 10 - une première réponse impulsionnelle différentielle comme différence entre les première et seconde réponses impulsionnelles; - une position temporelle d'un pic de signal dans la première réponse impulsionnelle différentielle, dite 15 première position temporelle ; - une estimation de ladite distance à partir de la première position temporelle et d'une seconde position temporelle correspondant à la réflexion de l'onde sur ladite antenne. 20 Ladite première position temporelle est obtenue comme la position temporelle du pic de plus forte intensité apparaissant dans la réponse impulsionnelle différentielle. La seconde position temporelle est obtenue comme celle du premier pic apparaissant dans la 25 première ou la seconde réponse impulsionnelle. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de 30 l'invention apparaîtront à la lecture d'un. mode de réalisation préférentiel de l'invention, fait en référence aux figures jointes parmi lesquelles : La Fig. 1 illustre schématiquement un système de mesure de distance selon un mode de réalisation de l'invention ; La Fig. 2 représente un système hyperfréquence équivalent au système de la Fig. 1 ; Les Figs. 3A à 3D représentent des exemples de réalisation du réflecteur utilisé dans le système de la Fig. 1 ; La Fig. 4 représente schématiquement une méthode de mesure de distance utilisant le système de la Fig 1. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Nous considérerons dans la suite un système hyperfréquence comprenant une première antenne et au moins un réflecteur à deux états radioélectriques, installé sur l'objet dont on souhaite mesurer la distance, comme dans la demande FR 09 53498. Le coefficient de réflexion du réflecteur est différent suivant qu'il est dans le premier ou le second état radioélectrique. La distance entre l'antenne et le réflecteur peut être obtenue à l'aide des paramètres S du système hyperfréquence, mesurés une première fois lorsque le réflecteur est dans un premier état radioélectrique et une seconde fois lorsque le réflecteur est dans un second état radioélectrique. Toutefois, à la différence du système décrit dans la demande précitée, le réflecteur comprend un module de transposition de fréquence comme décrit ci-après. La Fig. 1 représente un système de mesure de distance selon un mode de réalisation de l'invention. Ce système 100 comprend une antenne 111 et un réflecteur 112 installé sur l'objet dont on souhaite connaître la distance. Le réflecteur peut prendre au moins deux états radioélectriques possibles et, dans chacun de ces états, renvoie un signal décalé en fréquence par rapport au signal reçu, comme détaillé plus loin. L'antenne 111 est reliée à un duplexeur 130 par un câble coaxial 120, le duplexeur étant lui-même connecté en entrée à un module d'émission 140 et en sortie à un module de réception 150. Le module d'émission 140 est en outre relié à des moyens de mesure de paramètres S, 160, par exemple un analyseur de réseau. Plus précisément, le signal d'émission e, généré par le module d'émission est transmis directement à ces moyens de mesure. Le module de réception 150 reçoit le signal s,, et effectue une transposition de fréquence de sorte que le signal transposé en fréquence, sl, transmis aux moyens de mesure, est sensiblement centré sur la même fréquence que le signal el. Les paramètres S mesurés par les moyens de mesure 160 sont fournis aux moyens de calcul 170. Le système 100 comprend enfin des moyens de contrôle 180 pilotant les modules d'émission/réception, les moyens de mesure 160, ainsi que les moyens de calcul 170. Dans un mode de réalisation particulier, les moyens de contrôle 180 permettent également de contrôler l'état radioélectrique du réflecteur, par exemple de commuter le réflecteur d'un premier à un second état radioélectrique et, le cas échéant, de piloter les moyens de réception 150. L'ensemble constitué par le duplexeur 130, les moyens de réception 150, le câble coaxial 120, l'antenne 111, le réflecteur 112 ainsi que l'environnement situé entre l'antenne et le réflecteur, représenté en trait discontinu, peut être considéré comme un quadripôle Q bouclé sur une charge Z. Le schéma du système hyperfréquence équivalent a été représenté en Fig. 2. Le quadripôle Q a une première entrée el et une première sortie correspondant respectivement aux sorties des modules d'émission 140 et de réception 150. La seconde sortie s2 du quadripôle correspond à l'onde reçue sur le 20 réflecteur et la seconde entrée e2 à celle renvoyée par ce dernier à l'antenne. Le réflecteur est lui-même modélisé par la charge Z. On rappelle que les paramètres S d'un quadripôle, sont définis par : 2 5 Sn b ; S21 = b1 S b b --' 12 - --I- S22 = (1) a2 a2 où al et a2 sont les amplitudes complexes des ondes entrantes en el et e2, b, et b2 sont les amplitudes complexes des ondes sortantes en et s2 Les paramètres S sont de manière équivalente les coefficients de la matrice de dispersion du quadripôle. Les moyens de mesure 160 déterminent le paramètre S11 du système hyperfréquence en injectant un signal en et en mesurant l'amplitude et la phase de l'onde sortante en s1. Le paramètre S11 est mesuré à une pluralité de fréquences f , f2,..., fN , équidistribuées avec un intervalle fréquentiel 8f. Plus précisément, soit on transmet successivement des ondes à ces différentes fréquences, soit l'on transmet un signal large bande dont on connaît les composantes fréquentielles â fi, f2, ,fN Dans les deux cas, on mesure le paramètre complexe S11 selon (1) aux fréquences f ,f2, ..,fN . Les moyens de calcul 170 permettent d'effectuer 15 une transformée de Fourier inverse, en particulier celle du paramètre S11, par exemple au moyen d'une IFFT, pour déterminer la réponse impulsionnelle correspondante, désignée par s11 avec sil =TF-1(Si1) . En général cette réponse impulsionnelle présente, outre un 20 pic de signal correspondant à la propagation en ligne droite sur le trajet aller-retour entre l'antenne 111 et le réflecteur 112, une pluralité de pics parasites dus à des réflexions du signal sur des éléments de l'environnement. 25 La Fig. 3A illustre schématiquement un premier mode de réalisation du réflecteur 112. Le réflecteur 112 comprend une première antenne 315, un commutateur 320 commutant la sortie de la Il première antenne, soit sur une impédance, 330, par exemple une charge de 5052, soit sur l'entrée d'un amplificateur hyperfréquence 340, dont la sortie est connectée à un module de transposition de fréquence 350. Selon une variante de réalisation, l'ordre de l'amplificateur hyperfréquence 340 et du module de transposition de fréquence 350 est inversé. Avantageusement, si le module de transposition de fréquence 350 effectue un décalage de fréquence Af, le IO module de réception 150 effectue un décalage de fréquence de même amplitude et de signe contraire, -Af. Le module de transposition de fréquence est réalisé de manière conventionnelle, par exemple au moyen d'un mixage avec un oscillateur de fréquence Af. 15 Le signal transposé en fréquence peut faire l'objet d'un filtrage dans un filtre 360 pour éliminer des raies parasites éventuelles. Dans la première position de commutation du commutateur 320, le coefficient de réflexion du 20 réflecteur a un module inférieur à 1 (connexion à l'impédance) et dans la seconde position de commutation, le coefficient de réflexion du réflecteur a un module supérieur à 1. En outre, la fréquence du signal réfléchi est décalée de 4f par rapport à celle 25 du signal incident. De préférence, le décalage Af est plus grand que la largeur de bande du signal reçu (typiquement de l'ordre de quelques MHz), de manière à ce que les bandes respectives des signaux reçu et réfléchi soient sensiblement disjointes. 30 La Fig. 3B représente un second mode de réalisation du réflecteur 112. Dans ce second mode, le réflecteur 112 comprend une seule antenne 315, reliée à un duplexeur 317. La sortie du duplexeur est reliée à l'entrée du commutateur 320. Le commutateur 320 commute la sortie du duplexeur, soit sur une impédance, 330, par exemple une charge de 50Q, soit sur l'entrée de l'amplificateur hyperfréquence 340. L'amplificateur 340 amplifie le signal reçu sur la seconde position de commutation et fournit le signal ainsi amplifié au module de transposition de fréquence 350. Comme précédemment, l'ordre de l'amplificateur hyperfréquence 340 et du module de transposition de fréquence 350 peut être inversé. En outre un filtre 360 ne conservant qu'une bande d'intérêt autour de la fréquence décalée pourra être prévu en sortie de l'amplificateur ou du module de transposition de fréquence. Le signal amplifié et transposé en fréquence est 20 fourni, le cas échéant après filtrage, au duplexeur 317, qui le transmet à l'antenne 315. Dans les modes de réalisation du réflecteur illustrés en Figs. 3A et 3B, le commutateur 320 peut être un commutateur électromécanique voire micro- 25 électromécanique (MEMS) ou encore un commutateur RF à diode PIN, bien connu de l'homme du métier. La Fig. 3C représente un troisième mode de réalisation du réflecteur 112. Les éléments portant les 30 mêmes références qu'en Fig. 3A sont identiques à ceux déjà décrits. A la différence du premier mode de réalisation, le réflecteur ne comporte pas de commutateur mais un amplificateur de gain variable, 341. Plus précisément, le signal reçu par la première antenne, 315, est renvoyée après amplification, transposition de fréquence, et filtrage éventuel, par la seconde antenne. L'amplificateur 341 est de gain variable et son gain peut être commandé pour commuter d'une première valeur de gain à une seconde valeur de gain. Ainsi le réflecteur présente deux états radioélectriques correspondant à deux niveaux d'amplification différents. La Fig. 3D représente un quatrième mode de réalisation du réflecteur 112. Les éléments portant les mêmes références qu'en Fig. 3B sont identiques à ceux déjà décrits. A la différence du second mode de réalisation, le réflecteur ne comporte pas de commutateur mais un amplificateur de gain variable, 341, et à la différence du troisième mode de réalisation, le réflecteur ne comprend qu'une seule antenne 315. Dans les différents modes de réalisation, l'amplificateur 340 ou 341, le module de transposition de fréquence et, le cas échéant, le commutateur 320 et le filtre 360 peuvent être alimentés par une source d'énergie autonome telle qu'une pile ou une batterie équipant le réflecteur ou bien par une source d'alimentation externe. Dans le second cas, si les moyens de contrôle 180 sont reliés au réflecteur 112 par un bus de contrôle, ce bus pourra également assurer l'alimentation du réflecteur. Selon une variante avantageuse de réalisation, l'alimentation du réflecteur sera directement assurée par l'onde électromagnétique incidente. Dans ce cas, le signal reçu par l'antenne 315 est redressé et permet de charger une capacité, selon le même principe que l'alimentation d'une radio-étiquette (RFID tag) classique. La commutation peut être réalisée en mode synchrone ou asynchrone. En mode synchrone, la commutation est commandée par les moyens de contrôle 180 à l'aide d'un signal de commutation qui peut être transmis au réflecteur par voie filaire ou par voie RF. Le signal de commutateur peut notamment se présenter sous la forme d'un signal d'horloge. En outre les moyens de contrôle 180 peuvent commander le module de transposition de fréquence de manière à sélectionner un décalage parmi une pluralité de N décalages de fréquence possibles 4fl,"4V'N. Quel que soit le mode de réalisation envisagé, la transposition de fréquence au niveau du réflecteur permet de découpler le signal réfléchi du signal reçu. La pluralité de décalages de fréquence permet, le cas échéant, de discriminer les différents réflecteurs. La Fig. 4 illustre schématiquement une méthode de mesure de distance à l'aide du système de la Fig. 1. L'antenne 111 émet une onde électromagnétique large bande. A l'étape 410, on mesure la réponse impulsionnelle du système lorsque le réflecteur est dans un premier état radioélectrique, puis, en 420, lorsqu'il est dans un second état radioélectrique. On obtient ainsi une première et une seconde réponses impulsionnelles dont on calcule la différence pour obtenir une réponse impulsionnelle différentielle en 425. On détermine alors le pic correspondant au réflecteur comme le pic de plus forte intensité présent dans cette première réponse impulsionnelle différentielle. En effet, toutes choses étant égales par ailleurs, le changement d'état radioélectrique du réflecteur, et donc de son coefficient de réflexion, permet d'identifier de manière univoque le pic correspondant dans la réponse impulsionnelle du système. Le cas échéant, si un groupe de réflecteurs partage le même état radioélectrique, les décalages de fréquence choisis pour les différents réflecteurs permettent de les discriminer au sein de ce groupe. Réciproquement, si un groupe de réflecteurs utilisent le même décalage de fréquence, la commutation d'état dans chacun d'entre eux permet de les discriminer. On notera dans la suite 7- la position temporelle du pic de signal correspondant au réflecteur dans la réponse impulsionnelle différentielle. La première ou la seconde réponse impulsionnelle fait également apparaître un pic proche de l'instant de l'émission, qui correspond à la réflexion de l'onde sur l'antenne 111. En règle générale, ce pic émerge des réflexions parasites et du bruit, de sorte que l'on peut déterminer sa position temporelle zaNi. sans ambigüité, à l'étape 430. Bien que située ici après l'étape 420, on comprendra que cette mesure peut intervenir dès lors que l'on dispose d'une réponse i_mpulsionnelle, indépendamment de l'état du réflecteur. A l'étape 440, on calcule la distance D entre l'antenne 111 et le réflecteur 112 au moyen de l'expression : D =CZ-2ANT 2 où c est la célérité de la lumière dans l'air. On comprendra que, dans l'expression (2), le retard z traduit non seulement le temps de propagation aller-retour de l'antenne au réflecteur mais également les retards dus â la propagation dans les composants hyperfréquence, à savoir pour l'essentiel le câble coaxial, le duplexeur, les modules d'émission/ réception. En revanche, le retard zANT représente seulement le retard de propagation dans les composants hyperfréquences. On obtient ainsi une estimation précise de la distance entre l'antenne et le indépendamment des caractéristiques des outre, cette pouvant affecter les caractéristiques des hyperfréquence, soit en raison de thermiques, soit en raison de leur vieillissement. (2) réflecteur, composants mesure de distance est insensible aux dérives éventuelles composants fluctuations hyperfréquence utilisés. En En toute rigueur, l'expression (2) donne la distance entre le centre de phase de l'antenne 111 et le réflecteur 112. La distance physique entre l'antenne 111 et l'objet supportant cette antenne est déduite de D et de la position du réflecteur sur l'objet. On pourra, si nécessaire, déterminer une fois pour toutes l'offset de distance entre le réflecteur et l'objet. La méthode de mesure de distance représentée en 10 Fig. 4 est mise en oeuvre par le système de la Fig. 1 de la manière suivante Aux étapes 410 et 420, les moyens de mesure 160 déterminent le paramètre Sn pour une pluralité de fréquences On notera respectivement SW), 15 SI'IGU), les valeurs de ce paramètre mesurées lors des étapes précitées. Les moyens de calcul 170 obtiennent la réponse impulsionnelle différentielle en effectuant la transformée de Fourier inverse de la différence 20 complexe . Selon une variante, la transformée de Fourier inverse est calculée pour chacun des paramètres siri (1) , (H) , e t la différence des transformées saU)-s;'I(n est ensuite calculée dans le domaine temporel pour obtenir la réponse impulsionnelle 25 différentielle. Les moyens de calcul 170 déterminent ensuite la position temporelle, z, du pic (ou du pic de plus forte intensité) dans la première réponse différentielle. Ils déterminent également la position temporelle, TAAiT, du 30 pic de réflexion sur l'antenne 111 dans la première ou la seconde réponse impulsionnelle. Ils en déduisent enfin la distance D au moyen de l'expression (2). On comprendra que le système de mesure de distance précédemment décrit permet également de déterminer le déplacement d'un objet entre deux instants consécutifs relativement à une antenne voire à une pluralité d'antennes.