Brevet FR2977681A1 — publié le 20130111

« Dispositif pour détecter au moins un objet enfoui dans un amoncellement et procédé mis en oeuvre dans un tel dispositif.» La présente invention concerne un dispositif pour détecter au moins un objet enfoui dans un amoncellement, ledit dispositif comportant un premier circuit d'exploration pour exploration profonde composé d'une partie exploratoire profonde placée sur un support pour explorer ledit amoncellement se déplaçant, relativement audit support à une vitesse V, associée à un ensemble de rayonnement pour émettre des signaux à une fréquence d'exploration pénétrant à l'intérieur dudit amoncellement et pour recevoir des signaux réfléchis depuis ledit amoncellement, d'un premier circuit de traitement (50) pour fournir des indications de la réflectivité selon plusieurs directions concernant ledit amoncellement. L'invention concerne aussi un procédé mis en oeuvre dans un tel dispositif. L'invention trouve des applications importantes dans le domaine d'exploitation des minerais. Notamment les minerais de cuivre. Les mines de cuivre sont souvent exploitées à ciel ouvert. Le minerai est prélevé sur le sol au moyen d'un excavateur formé usuellement d'un godet comportant des dents qui creusent le sol. Puis, le minerai est mis dans une benne de camion qui le transporte dans un concasseur. Un problème qui survient, par suite de contraintes que subit l'excavateur, est l'arrachage inopiné d'une ou de plusieurs dents de l'excavateur. Ces dents tombent dans la benne du camion et provoquent une détérioration du concasseur. Ceci entraîne un démontage de celui-ci et de là, par suite de son interruption de service, apporte une perte financière importante. Un dispositif du genre mentionné dans le préambule est décrit dans le document de brevet EP 0 812 005 et vise différentes applications. Ce dispositif connu n'est pas approprié pour la détection d'objet de dimensions relativement faibles et, en outre, il est inefficace pour résoudre le problème ci-dessus mentionné. Pour résoudre ce problème, la présente invention propose un dispositif du genre mentionné ci-dessus qui est remarquable en ce que le premier circuit d'exploration comporte un ensemble de rayonnement formé d'au moins un alignement d'antennes disposé - 2 transversalement à ladite vitesse V, en ce qu'il est prévu un système de commutation coopérant avec le premier circuit de traitement pour réaliser une antenne synthétique, chaque antenne de l'alignement émettant une onde et la recevant après réflexion, en ce qu'il comporte un second circuit d'exploration pour exploration superficielle composée d'une tête d'émission-réception pour émettre et recevoir des signaux vers ledit amoncellement en vue d'effectuer, à l'aide d'un deuxième circuit de traitement (22), une topographie dudit amoncellement et en ce qu'il comporte un troisième circuit de traitement pour établir la réflectivité de chaque point dudit amoncellement en combinant les informations en provenance desdits premier et second circuits de traitement tenant compte des propriétés électromagnétiques dudit amoncellement. La description suivante accompagnée des dessins ci-annexés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Dans les dessins : - la figure 1 montre un dispositif conforme à l'invention, - la figure 2 montre un schéma du dispositif de la figure 1, - la figure 3 explicite le balayage d'une zone à explorer et la formation d'une antenne synthétique, - la figure 4 explicite le fonctionnement du circuit d'exploration superficielle, - la figure 5 montre en coupe l'amoncellement disposé sur le camion, - la figure 6 explicite le fonctionnement pour déterminer le trajet de réflexion le plus court en tenant compte du trajet dans l'air et dans l'amoncellement. Les éléments communs dans toutes les figures portent les mêmes références. A la figure 1, la référence 1 indique un camion qui transporte, dans sa benne 3, un amoncellement de minerai 5 ou tas. Pour détecter, par exemple, la présence d'au moins une dent d'excavateur 7 enfouie dans ce tas, qui s'est malencontreusement détachée d'un excavateur, on a prévu, conformément à l'invention, un dispositif, portant la référence 10, pour détecter au moins un objet enfoui, la dent, dans un amoncellement. Ce dispositif 10 est constitué par un portique 11 soutenu par deux piliers 12 et 13 formant, entre eux, un passage pour le camion 1. Ce dispositif comporte un premier circuit d'exploration pour une exploration profonde qui opère sur la base d'ondes 2977681 -3 électromagnétiques ou radioélectriques qui ont la propriété de traverser l'amoncellement 5. Ce circuit d'exploration profonde est formé, d'une part, par une partie exploratoire profonde 15 placée sur le portique 11 pour explorer ledit amoncellement 5 et, d'autre part, par un premier circuit de traitement 16 placé dans une console 17 disposée à proximité du 5 passage du camion 1. Cette exploration nécessite une vitesse relative V entre cette partie et le camion 1. En d'autres termes, soit le camion se déplace à cette vitesse V alors que le portique reste fixe. Soit, alors, le camion reste immobile et le portique se déplace à cette vitesse V. La partie 15 supporte un ensemble de rayonnement 18 formé d'antennes 20 du type 10 Vivaldi de préférence. Ces antennes sont reliées à un système de commutation d'antennes 28. On admet que le camion 1 se déplace dans le passage à une vitesse V suffisamment faible pour que le traitement pour la détection puisse s'effectuer, selon l'invention. La distance entre l'amoncellement 5 et les antennes 20 est faible de sorte que les antennes peuvent être considérées en zone proche. On rappelle que dans la zone de champ 15 proche (zone de Fresnel), le champ électrique et le champ magnétique ne sont pas dans un rapport constant et leur répartition dans l'espace varie avec la distance par rapport à l'antenne. Le premier circuit de traitement 16 traite les signaux pour l'analyse en profondeur. Conformément à un aspect de l'invention, l'ensemble de rayonnement 18 comporte un 20 alignement d'antennes 20 alignées et disposées transversalement à la vitesse V de déplacement dudit véhicule 1. Il est prévu aussi un second circuit exploratoire dit circuit exploratoire superficiel formé, d'une part, par une partie exploratoire superficielle 21 placée, de préférence, sur le portique 11 et par un deuxième circuit de traitement 22 disposé lui aussi dans la console 17. La partie exploratoire superficielle 21 est constituée à partir d'un circuit 25 de pilotage 32 pour agir sur une tête laser 35 montrée en pointillé sur la figure 1. Cette partie exploratoire superficielle 21 coopère avec le second circuit de traitement 22 pour fournir une topographie ou carte de l'amoncellement 5 en utilisant des ondes qui ne pénètrent pas à l'intérieur de cet amoncellement, mais qui s'y réfléchissent. Ce qui est le cas des faisceaux laser. Le circuit de pilotage comporte essentiellement des amplificateurs 36, 37 et 38 pour 30 agir sur l'orientation de la tête laser 35 en se basant sur des informations élaborées par le deuxième circuit de traitement 22. 2977681 -4 En combinant les informations d'une manière qui sera explicitée ci-dessous, il est possible grâce à un troisième circuit de traitement 40 d'établir la réflectivité de tous les points de l'amoncellement 5 et de là, il est facile de déterminer, à l'intérieur de cet amoncellement, l'emplacement de tout objet dangereux pour la suite du traitement du 5 minerai transporté par le camion 1. Un écran de visualisation 41 permet à l'utilisateur de voir les informations pertinentes sur son chargement et notamment, comme tous les points sont définis on peut établir une vue en 3D de ce tas 5. La figure 2 montre le schéma du dispositif de détection d'objets, conforme à l'invention. 10 Chaque antenne 20 est reliée à un système de commutation 28 formé par des commutateurs haute fréquence de type SP32T ou autre que l'on trouve dans le commerce. Sur la figure on a montré quatre de ces commutateurs 51, 52, 53 et 54 qui gèrent, chacun, sur des accès dits accès amont, trente-deux accès de sorte que le nombre d'antennes s'élève à 128. A ces quatre accès amont de ces commutateurs, correspond un seul accès aval. Les 15 accès aval de ces commutateurs 51 à 54 sont reliés à des accès amont d'un cinquième commutateur 60. Tous ces commutateurs 51-54, 60 sont sur la dépendance du premier circuit de traitement 30. Comme les antennes 20 travaillent tant en émission qu'en réception, on a prévu des 20 moyens de duplexage 65 faisant partie du premier circuit exploratoire 15 et constitués par au moins un circulateur, ce qui permet de séparer les ondes à émettre et les ondes reçues. Un accès de ce circulateur est relié à l'accès aval du commutateur 60. Les ondes à émettre sont élaborées à partir d'un oscillateur 70. Avant d'être appliquée au circulateur 65, l'onde de sortie de l'oscillateur 70 transite par un amplificateur 72 qui 25 donne la puissance nécessaire à l'onde qui va être finalement émise par les antennes 20 et par un coupleur directif 74 qui va prélever une petite partie de l'onde à la sortie de l'amplificateur 72. Il est à noter que chaque antenne qui émet, reçoit l'onde réfléchie. Les ondes en question sont du type onde CW donc des ondes sinusoïdales ne présentant donc aucune modulation. 2977681 -5 Un autre accès du circulateur 65 recueille l'onde reçue qui est tout d'abord amplifiée par un amplificateur 76 avant d'être appliquée à un détecteur en quadrature 80 formé de deux mélangeurs 81 et 82 à deux entrées dont une reçoit le signal de sortie de l'amplificateur 76 et l'autre une réplique du signal de l'oscillateur 70 via le coupleur 74. Les 5 répliques appliquées aux entrées des deux mélangeurs sont déphasées de 90° respectivement. Ceci est obtenu par un coupleur 3dB 85 branché adéquatement. Les signaux de sortie I et Q du détecteur 80 sont ensuite traités par le circuit de traitement 16 disposé dans la console 17. Le premier circuit d'exploration 15, 16 fonctionne sur la base d'une antenne synthétique, comme cela est montré à la figure 3. La distance qui sépare chaque antenne est 10 au moins 0,6 XMx correspondant à la fréquence maximale d'utilisation (- 3 ou 4 GHz). Sur cette figure, on a montré une zone à explorer 87 et la trace 89 de l'antenne synthétique découlant du traitement effectué par le premier circuit de traitement 16. Cette trace 89 se déplace sur la zone 87 à la vitesse V qui est celle du camion et T représente la cadence du balayage obtenu par la commutation séquentielle des différentes antennes 20 en agissant sur 15 les commutateurs 51-54 et 60. Cette antenne synthétique donne les résolutions nécessaires, de l'ordre de 7 cm correspondant aux dimensions de l'objet à détecter. La distance est alors de quelques mètres et la fréquence d'illumination variant entre 500 MHz et 4 GHz. Pour certains sols, on pourra prendre des fréquences plus basses de l'ordre de 1 GHz. Ce premier traitement effectué sur les faisceaux radioélectriques est couplé à un 20 traitement effectué sur des faisceaux lumineux issus du laser 35. Ce traitement du faisceau laser consiste à émettre, avec une période Tl des impulsions lumineuses sur le tas 5 et de mesurer le temps de retour T de cette impulsion (voir la figure 4). Ceci donne donc la distance comprise entre le laser et la surface du tas 5. Le laser est monté sur une tête oscillante qui balaie transversalement le tas dans la direction du portique 11. Par ce balayage 25 de faisceau laser on effectue une carte, ou topographie du tas 5 grâce à la mesure de différents T. Le dispositif de l'invention fonctionne de la manière suivante. La figure 5 montre une coupe du camion 1. Le chargement ou le tas 5 est découpé en différente tranches horizontales..., Tri, Tri+l, Tri+2, ... Chaque tranche est décomposée en 30 points de réflexion ...Pj, Pj+l, Pj+2,... pour le faisceau radioélectrique FH. - 6 Le signal reçu en un instant t va comporter la contribution de tous ces points ce qui peut s'écrire : exp(iI)i S(t) = 1 A; J rJ équation dans laquelle : - j donne l'emplacement des points de l'ensemble J des points à considérer dans le tas 5. - i étant tel que i = -1 - (Di représente la phase correspondant au trajet de l'onde de retour depuis un point Pi de coordonnées j vers un point de référence C de l'alignement d'antennes 18 - r la distance à laquelle se trouvent les points considérés, donc par rapport au point de référence B. Ce signal comporte la contribution des ondes reçues par les différentes antennes du réseau 20, se comportant comme une antenne unique, et provenant des différents points. Pour déterminer la réflexion en un point donné d, on lui fait correspondre sa phase cr.d. Au moyen du filtrage adaptatif on détermine alors la réflexion de ce point Ad donné par la phase cl)d. Pour cela, on utilise la formule suivante : Ad = 1 S(t). exp[ i4d + f (e, e, 9(t)i ))~ (2) Cette formule (2) représente l'opération inverse de la précédente mais a subi un filtrage adaptatif c'est-à-dire qu'on a supprimé la contribution des autres ondes réfléchies hors du point considéré en « j ». Dans cette dernière formule : exp[- iI) d ] correspond donc au filtrage adapté et (1) + (9(t); )2 2-e (3) f(e,e,9(t)i)=e- - 7 La formule (3) représente les perturbations apportées par le tas de sable. Les paramètres impliqués sont explicités à l'aide de la figure 5: - 0 représente l'angle d'incidence sur lequel l'onde pénètre à l'intérieur du tas 5. - e est l'épaisseur du sable dans lequel est enfoui l'objet à détecter. - E est la constante diélectrique de ce sable. Ce sont les différentes valeurs de Ad correspondant aux points analysés qui donneront sur l'écran 41 l'indication, par des variations de luminance, de la présence d'objets à détecter. La figure 6 explicite le traitement envisagé. On montre plus précisément comment on tient compte du trajet du rayon analysé traversant le tas. Pour tenir compte de la mesure de distance donnée par le laser on amènera une correction de type : BC+~CD Dans cette formule, B est l'origine, C est le point situé sur le tas et D, le point de réflexion du faisceau. La distance BC est connue au moyen du faisceau laser qui a permis d'établir la carte. Selon une caractéristique importante de l'invention, le circuit de traitement (40) opère pour un point donné différents calculs pour établir le chemin minimum en fonction du point d'incidence du faisceau radioélectrique sur ledit amoncellement On cherche le point C qui donne le chemin minimum apportant la même brillance. A ce point on analyse différents points C'situés dans un même voisinage apportant une même brillance donc correspondant à un point D. On va, donc pour chaque point considéré, faire le traitement suivant. 2977681 -8 La phase cru présente deux composantes une à l'intérieur du tas (D1N et l'autre à l'extérieur CD= Ce qui s'écrit : CI)EXT - Zn LEXT/X 5 CDINT - Zn LINT/X - est la longueur d'onde du rayonnement de l'onde, - LEXT et L1NT représentent respectivement les distances à l'air libre et à l'intérieur du tas 5. Si on fait intervenir les coordonnées des points : xs 10 B = Ys C= D= zs x' yv Zv xd yd Zd On détermine le trajet LEXT à l'air libre xs LEXT = Ys .v J 15 et le trajet L1NT à l'intérieur du tas 5. LINT = N Yv Yd Pour déterminer plus précisément les point C, on va minimiser la fonction distance. F(xv Yv zv) _ ,I (xs - xv )2 + lys - Yv)2 + (zs - z, )2 + V F ~~xv - xd )2 + (Yv - Yd )2 + (zv - zd )2 Pour cela :: , F(xv,YV'zv) = 0 axv En respectant la contrainte : sin 9 = y t sin OR En considérant plusieurs x s vs, 4, .on détermine x' y' z Ceci peut être donc fait par approximations successives. Pour résumer, l'invention propose un procédé qui est mis en oeuvre et qui comporte les étapes suivantes : - émission d'une onde radioélectrique vers un amoncellement en vue de le traverser, - émission d'un faisceau laser vers ledit amoncellement pour en déduire sa topologie, - traitement de l'onde radioélectrique pour en déduire la réflectivité de chaque point dudit amoncellement, - détermination du trajet le plus court entre le point d'émission de ladite onde radioélectrique et les points dudit amoncellement, - visualisation desdites réflectivités pour déterminer la présence d'objet dans ledit 20 amoncellement. - 9 REVENDICATIONS1- Dispositif pour détecter au moins un objet enfoui (7) dans un amoncellement (5), ledit dispositif comportant un premier circuit d'exploration pour exploration profonde composé d'une partie exploratoire profonde placée sur un support pour explorer ledit amoncellement se déplaçant, relativement audit support à une vitesse V, associée à un ensemble de rayonnement (18) pour émettre des signaux à une fréquence d'exploration pénétrant à l'intérieur dudit amoncellement (5) et pour recevoir des signaux réfléchis depuis ledit amoncellement (5), d'un premier circuit de traitement (16) pour fournir des indications de la réflectivité selon plusieurs directions concernant ledit amoncellement, caractérisé en ce que le premier circuit d'exploration comporte un ensemble de rayonnement (18) formé d'au moins un alignement d'antennes (20) disposé transversalement à ladite vitesse V, en ce qu'il est prévu un système de commutation (28) coopérant avec le premier circuit de traitement pour réaliser une antenne synthétique, chaque antenne de l'alignement émettant une onde et la recevant après réflexion, en ce qu'il comporte un second circuit d'exploration pour exploration superficielle (22, 32, 35) composée d'une tête d'émission-réception (35) pour émettre et recevoir des signaux vers ledit amoncellement (5) en vue d'effectuer, à l'aide d'un deuxième circuit de traitement (22), une topographie dudit amoncellement et en ce qu'il comporte un troisième circuit de traitement (40) pour établir la réflectivité de chaque point dudit amoncellement en combinant les informations en provenance desdits premier et second circuits de traitement tenant compte des propriétés électromagnétiques dudit amoncellement. 2- Dispositif pour détecter au moins un objet enfoui dans un amoncellement selon la revendication 1 caractérisé en ce que le deuxième circuit d'exploration est constitué par un dispositif de laser (35) pour fournir un faisceau de balayage laser qui se réfléchit sur la surface dudit amoncellement (5). 3- Dispositif pour détecter au moins un objet enfoui dans un amoncellement selon la revendication 2 caractérisé en ce que le dispositif laser (35) est du type à impulsion dont le temps d'aller-retour (0 définit ladite topographie par mesure de la distance dudit amoncellement par rapport à une référence (C).- Dispositif pour détecter au moins un objet enfoui dans un amoncellement selon la revendication 1 à 3 caractérisé en que l'ensemble de rayonnement émet des radiofréquences dont la valeur se situe entre 500MHz et 4 GHz. 5- Dispositif pour détecter au moins un objet enfoui dans un amoncellement selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'amoncellement est à une distance desdites antennes (20) telles qu'elles fonctionnent en zone proche. 6- Dispositif pour détecter au moins un objet enfoui dans un amoncellement selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que des moyens de duplexage ; constitués par au moins un circulateur (65), sont rattachés audit ensemble de rayonnement (18). 7- Dispositif pour détecter au moins un objet enfoui dans un amoncellement selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdites antennes (20) sont constituées à partir d'antennes de type Vivaldi. 8- Dispositif pour détecter au moins un objet enfoui dans un amoncellement selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'un circuit de traitement (40) est prévu pour qu'à partir d'un signal reçu S(t): il élabore, après un filtrage adapté, un signal Ad représentatif de la réflexion d'un point d tel que : Ad = E S(t). exp[ icDd + f (e, s, 0(t)~ t dans cette dernière formule : - 0 représente l'angle sous lequel les points au sol sont perçus et qui correspond à l'angle d'incidence de l'onde au niveau du point considéré j appartient en un ensemble J de points définissant des points de la zone à analyser - i étant tel que i2 = -1 - (Dd représente la phase correspondant au trajet de l'onde de retour depuis ledit point d j vers un point de référence C de l'alignement d'antennes 18 f (e,E,O(t).i)= e 1+ `eoi)2 2-s où: 2977681 -12- - e est l'épaisseur du milieu dans lequel est enfouie l'objet à détecter. - s est le constant diélectrique de ce milieu. 9- Dispositif pour détecter au moins un objet enfoui dans un amoncellement selon l'une des revendications 1 à 3 et 5 à 8, caractérisé en ce que ladite antenne synthétique est 5 prévue pour donner des résolutions nécessaires aux dimensions de l'objet à détecter. 10- Dispositif pour détecter au moins un objet enfoui dans un amoncellement selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce qu'il comporte un écran 41 pour rendre perceptible une vue en trois dimensions dudit amoncellement (5) et mettre en évidence les objets à haute réflectivité. 10 11- Dispositif pour détecter au moins un objet enfoui dans un amoncellement selon l'une des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que le circuit de traitement (40) opère pour un point donné différents calculs pour établir le chemin minimum en fonction du point d'incidence du faisceau radioélectrique sur ledit amoncellement. 12- Procédé mis en oeuvre dans un dispositif pour détecter au moins un objet enfoui 15 dans un amoncellement selon l'une des revendications 1 à 11 caractérisé en qu'il comporte les étapes suivantes : - émission d'une onde radioélectrique vers un amoncellement en vue de le traverser, - émission d'un faisceau laser vers ledit amoncellement pour en déduire sa topologie, 20 - traitement de l'onde radioélectrique pour en déduire la réflectivité de chaque pont dudit amoncellement, - détermination du trajet le plus court entre le point d'émission de ladite onde radioélectrique et les points dudit amoncellement, - visualisation desdites réflectivités pour déterminer la présence d'objet dans ledit 25 amoncellement.