Brevet FR2965633A1 — publié le 20120406

TÉLÉMÈTRE HYPERFRÉQUENCE Â FENÊTRAGE TEMPOREL DESCRIPTION 5 DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne le domaine de la télémétrie hyperfréquence. Elle trouve notamment application dans la mesure de précision du déplacement relatif d'un objet. 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 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 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 10 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 Un télémètre hyperfréquence de haute précision a été proposé dans la demande FR-A-2943140 déposée au nom de la présente demanderesse. Ce télémètre permet de mesurer le déplacement relatif d'un objet par rapport à une antenne de mesure. Toutefois, cette mesure de distance nécessite une opération d'occultation qu'il est quelquefois malaisé voire impossible d'effectuer. La demande non publiée FR 09 53498, également déposée au nom de la présente demanderesse, apporte un premier perfectionnement au sens où elle 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, les télémètres précités ne permettent pas d'éliminer les signaux multi-trajets. En effet, l'onde reçue par l'antenne de mesure comprend en général un premier signal qui s'est propagé en ligne directe (LOS ou Line Of Sight) entre l'antenne de mesure et le réflecteur ainsi que des seconds signaux qui, bien que réfléchis par ce réflecteur, se sont propagés selon des trajets indirects, par réflexion sur l'environnement. Nous désignerons dans la suite le premier signal par signal LOS et les seconds signaux par signaux multi-trajet. A la différence des réflexions parasites sur l'environnement, les signaux multi-trajet sont généralement affectés de la même manière que les signaux LOS lors de la commutation de l'état radioélectrique du réflecteur. Il n'est donc pas possible de les discriminer et a fortiori de les éliminer dans le signal reçu à l'aide de cette simple commutation. La présence des signaux multi-trajet dans le signal reçu peut entraîner une erreur dans la mesure de distance. Une première idée serait de ne prendre en compte que le pic de signal correspondant au trajet aller-retour le plus court entre l'antenne de mesure et le réflecteur. Toutefois, en pratique cette discrimination est très difficile à réaliser parce que l'extension temporelle du signal de mesure ne peut être négligée par rapport aux différences de temps de propagation entre les différents trajets. En effet, les commutateurs hyperfréquence actuels les plus rapides permettent d'obtenir, de manière contrôlée et reproductible, des impulsions ayant un front de montée de l'ordre d'une nanoseconde et une durée de quelques nanosecondes. Or, pour un signal de mesure à 10 GHz, 1 ns correspond à environ 15cm de différence de trajet aller-retour. On comprend donc qu'il n'est pas possible de procéder simplement à une séparation temporelle du trajet LOS et des multi-trajets. En outre, les télémètres précités nécessitent d'utiliser un signal large bande (typiquement quelques GHz) et d'effectuer des mesures de paramètres S à un grand nombre de fréquences (jusqu'à plusieurs centaines) dans la bande pour obtenir une précision de mesure suffisante. Ceci impose d'utiliser une antenne large bande et un calculateur ayant une grande capacité de calcul. Un but de la présente invention est par conséquent de proposer un télémètre hyperfréquence permettant de s'affranchir des erreurs de mesure imputables aux réflexions parasites et aux signaux multi-trajets, en utilisant un signal à faible largeur de bande. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention est définie par une méthode 25 de mesure de déplacement d'un réflecteur par rapport à une antenne de mesure, dans laquelle a) on transmet à l'aide de ladite antenne un signal hyperfréquence découpé à l'aide d'une première fenêtre temporelle et l'on découpe le signal reçu par 30 ladite antenne à l'aide d'une seconde fenêtre temporelle, sensiblement plus étroite que la première ; b) on mesure un rapport entre le signal reçu et le signal émis, une première mesure étant effectuée pour un premier état radioélectrique du réflecteur et une seconde mesure étant effectuée pour un second état radioélectrique du réflecteur, et l'on en déduit un signal de différence de ces deux mesures ; c) on effectue un premier balayage temporel grossier du dit signal de différence pour obtenir une estimation du temps de propagation aller-retour du signal s'étant propagé en ligne directe entre l'antenne de mesure et le réflecteur, dit signal LOS ; d) on effectue un balayage fin de la phase du dit signal de différence pour obtenir une estimation de la phase du signal LOS par rapport au signal émis ; les étapes (a) à (d) étant effectuées pour deux positions du réflecteur, le déplacement du réflecteur étant obtenu à partir de la phase ainsi estimée pour la première position et de la phase ainsi estimée pour la seconde position. L'estimation du temps de propagation aller-retour du signal LOS est avantageusement obtenue à partir de la comparaison à une première valeur de seuil du module du signal de différence. Alternativement, l'estimation du temps de propagation aller-retour du signal LOS est obtenue à partir de la comparaison à une seconde valeur de seuil de la fréquence de variation de la phase du signal du dit signal de différence. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS 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 : La Fig. 1 illustre schématiquement un système de mesure de distance selon un mode de réalisation de l'invention ; La Fig. 2 représente des modules d'émission et de réception pour le système de la Fig. 1; La Fig. 3 représente un système hyperfréquence équivalent au système de la Fig. 1; Les Figs. 4A et 4B représentent des exemples de réalisation du réflecteur utilisé dans le système de la Fig. 1 ; La Fig. 5 représente schématiquement une méthode de mesure de distance utilisant le système de la Fig. 1 ; La Fig. 6 représente la phase d'une différence de paramètres S en fonction du temps de réception. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Nous considérerons dans la suite un système hyperfréquence constitué d'un dispositif de mesure et d'un réflecteur, le cas échéant monté sur un objet dont on souhaite connaître le déplacement relatif. La Fig. 1 représente un système hyperfréquence, 100, selon un mode de réalisation de l'invention. Le dispositif de mesure comprend une antenne d'émission 111, reliée à un module d'émission 140, une antenne de réception 113, reliée à un module de réception 150. Les liaisons entre les antennes 111, 113 et les modules d'émission 140/ de réception 150 sont réalisées par de câbles coaxiaux 120. Le signal el émis par l'antenne 111 est fourni aux moyens de mesure de paramètres S, 160, par exemple un analyseur de réseau. Le signal reçu par l'antenne 113 subit un découpage par une fenêtre temporelle dans le module de réception 150, le signal ainsi découpé,sl, étant fourni aux moyens de mesure de paramètres S. L'acheminement des signaux et si aux moyens de mesure 160 est réalisé au moyen de câbles coaxiaux 120. Les paramètres S obtenus par les moyens de mesure 160 sont ensuite transmis à des moyens de calcul 170. Les antennes 111 et 113 sont supposées colloquées. Dans un mode de réalisation non représenté, le dispositif de mesure comprend une seule antenne reliée à un duplexeur, l'entrée du duplexeur étant alors reliée au module d'émission et sa sortie étant reliée au module de réception. On a noté D la distance séparant la ou les antennes du dispositif de mesure et le réflecteur 112. Le réflecteur 112 peut prendre au moins deux états radioélectriques possibles, caractérisés par des coefficients de réflexion différents. Les moyens de contrôle 180 pilotent le module d'émission 140, le module de réception 150, les moyens de mesure 160 et les moyens de calcul 170. Ils contrôlent également l'état radioélectrique du réflecteur 112. La Fig. 2 illustre schématiquement la structure du module d'émission 140 ainsi que du module de réception 150. Le module d'émission comprend un générateur de signal hyperfréquence 210. La fréquence f du signal généré est pilotée par les moyens de contrôle 180. Le module d'émission comprend en outre des premiers moyens de découpage temporels destinés à découper le signal hyperfréquence selon une première fenêtre temporelle d'émission, notée I-IT(t-te) où T est la largeur et te le début de la fenêtre. Les paramètres T et te sont également pilotés par les moyens de contrôle 180. Dans l'exemple de réalisation illustré, les premiers moyens de découpage comprennent un commutateur 221 commutant le signal hyperfréquence soit sur une impédance adaptée, 232, reliée à la masse, soit à l'antenne d'émission 111. De manière similaire, le module de réception 150 comprend des seconds moyens de découpage temporels destinés à découper le signal reçu de l'antenne de réception 113, selon une fenêtre temporelle de réception notée E[0(t-t,) où O«T est la largeur de la fenêtre de réception et ç est son début. Les paramètres 0 et t, sont pilotés par les moyens de contrôle 180. Le signal de réception ainsi fenêtré, sl, est fourni aux moyens de mesure 160. Dans l'exemple de réalisation illustré, les seconds moyens de découpage comprennent un commutateur 221 commutant le signal hyperfréquence reçu de l'antenne 113, soit sur une impédance adaptée, 233, reliée à la masse, soit aux moyens de mesure 160. Revenant à la Fig. 1, l'ensemble représenté en trait discontinu, comprenant l'antenne d'émission Ill, le réflecteur 112, l'antenne de réception 113, le module de réception 150, les câbles coaxiaux 120, 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 15 été représenté en Fig. 2. Le quadripôle Q a une première entrée et une première sortie correspondant respectivement à la sortie du module d'émission 140 et à la sortie du module de réception 150. La seconde sortie s2 du quadripôle correspond à 20 l'onde reçue sur le 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 : 25 b SII =- S 21 b s12 b al a2 b2 ; S22 - (1) a2 où al et a2 sont les amplitudes entrantes en el et e2, bl et b2 complexes des ondes sont les amplitudes complexes des ondes sortantes en si 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 Sn du système hyperfréquence, c'est-à-dire l'amplitude et la phase du rapport entre le signal s, (de support temporel [ç,I',+0]) et le signal et (de support temporel [te,te+T]), à la fréquence f. Ce paramètre est mesuré pour une séquence d'instants ç, et ce pour deux états radioélectriques du réflecteur, (.6 et w2. On notera S11(f,t,w) le paramètre Sn mesuré à fréquence f, l'instant t, =t et l'état de réflecteur w. Comme décrit en détail plus loin, les moyens de calcul 170 déterminent à partir des valeurs S11(f,t,w) lors d'un premier balayage grossier, l'intervalle de temps, dans lequel se trouve le signal s'étant propagé selon le trajet LOS, puis lors d'un second balayage fin à l'intérieur de cet intervalle, la phase précise de ce signal. Cette opération est effectuée pour une première position du réflecteur puis pour une seconde position du réflecteur. Les moyens de calcul déduisent le déplacement ÔD du réflecteur (et donc, le cas échéant, de l'objet) à l'aide des phases du signal LOS obtenues pour ces deux positions. La Fig. 4A illustre schématiquement un premier mode de réalisation du réflecteur 112. Le réflecteur 112 comprend une antenne 415, un duplexeur 415 relié à ladite antenne, un commutateur 420 commutant la sortie du duplexeur 417, soit sur une impédance, 430, par exemple une impédance adaptée, soit sur l'entrée d'un amplificateur hyperfréquence 440. La sortie de l'amplificateur est reliée à l'entrée du duplexeur 417, le cas échéant à travers un filtre passe-bande 460, dont la bande passante est centrée sur la fréquence de mesure f (lorsque la mesure est monofréquence) ou contient les différentes fréquences de mesure. Dans la première position de commutation du commutateur 420, le coefficient de réflexion du 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. Le commutateur 420 est commandé par voie filaire (par exemple à l'aide d'un bus de contrôle) ou par voie 20 radio (par exemple à l'aide d'un canal auxiliaire) à l'aide des moyens de contrôle 180. I1 peut être réalisé sous la forme d'un commutateur électromécanique voire micro-électromécanique (MEMS) ou encore d'un commutateur RF à 25 diode PIN, bien connu de l'homme du métier. La Fig. 4B représente un second mode de réalisation du réflecteur 112. A la différence du premier mode de réalisation, le 30 réflecteur ne comporte pas ici de commutateur mais un amplificateur de gain variable, 440. Plus précisément, la sortie du duplexeur 417 est directement connectée à l'entrée de l'amplificateur 440. Le gain de l'amplificateur peut être commuté 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 distincts. La sortie de l'amplificateur est reliée à l'entrée du duplexeur 417, le cas échéant à travers un filtre passe-bande 460 ayant les mêmes caractéristiques que précédemment. Le gain de l'amplificateur est commandé par voie filaire (par exemple à l'aide d'un bus de contrôle) ou par voie radio (par exemple à l'aide d'un canal auxiliaire) à l'aide des moyens de contrôle 180. Enfin, dans les premier et second modes de réalisation précédents, les éléments actifs du réflecteur, par exemple l'amplificateur 440, le commutateur 420, le filtre 460, 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, l'alimentation du réflecteur sera directement assurée par l'onde électromagnétique incidente. Selon des variantes des modes de réalisation précédemment décrits, le réflecteur n'est pas équipé d'un duplexeur mais d'une antenne de réception et d'une antenne d'émission. L'antenne de réception est alors directement reliée au commutateur 420, ou à l'amplificateur 440 et la sortie de l'amplificateur est reliée à l'antenne d'émission (le cas échéant via un filtre passe-bande). D'autres variantes peuvent être envisagées par l'homme du métier sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. La Fig. 5 illustre schématiquement une méthode de mesure de distance à l'aide du système de la Fig. 1. L'antenne 111 émet un signal hyperfréquence à bande étroite, plus précisément un signal à la fréquence f découpé par une première fenêtre temporelle IIT(t-te). Dans une première étape 510, alors que le réflecteur occupe une première position, on effectue un premier balayage grossier du signal reçu. Plus précisément, on échantillonne le signal .yl, une première fois en plaçant le réflecteur dans un premier radioélectrique et une seconde fois en le plaçant dans un second état radioélectrique. On mesure ainsi les paramètres SII(f) et SII(f,t,q) en une pluralité d'instants t=l-,, avec une première période d'échantillonnage z.. On détermine ensuite, un intervalle temporel dans 25 lequel se situe le signal reçu selon le trajet LOS. Pour ce faire, on calcule la différence Su(f,t,o2)-Sil(f,t,coj aux différents instants La soustraction de paramètres S permet d'éliminer l'influence sur la mesure des échos parasites sur 30 l'environnement. Selon une première variante de réalisation, on compare le module de cette différence par rapport à une valeur de seuil Sm et on estime alors le début de la 5 réception du signal LOS, Gs, au premier instant t, où ce module franchit le seuil : Sn(J ,t,co,,)-Stl ( f,t,col) > S th Selon une seconde variante avantageuse, on détermine la phase arg(SI,(f,t,co2)-SII(f,t,col» aux différents 10 instants t,. La Fig. 6 représente la phase du signal SII(f,t,coj-Sn(f,t,(DI) en fonction du temps de réception t. L'origine des temps a été conventionnellement prise au 15 début de la réception du signal LOS. La fréquence f du signal est ici de 10 GHz, la largeur temporelle T de la fenêtre d'émission est de 300 ns, la largeur temporelle de la fenêtre de réception est de 5 ns. On remarque que la phase du signal reçu varie d'abord 20 rapidement puis dérive très lentement. La zone relative à la variation rapide de la phase correspond au trajet LOS, la phase variant pratiquement de manière sinusoïdale à la fréquence f dans cette zone. La zone relative à la variation lente correspond aux multi- 25 trajets : les signaux ayant suivi différents trajets de propagation entre l'antenne d'émission 111, le réflecteur 112 et l'antenne de réception 113, se superposent, et une évolution sinusoïdale n'est plus perceptible. La seconde variante précitée permet de discriminer la première zone de seconde zone à partir des variations de la phase. Par exemple, il est possible de calculer le nombre de passages à zéro de la. phase arg(SII(f,t,o2)-S11(f,t,col», ou de sa dérivée, au sein de la fenêtre temporelle de réception, et comparer ce nombre de passages à zéro à une valeur de seuil pour estimer le début de la réception du signal LOS, taos. A l'étape 520, on effectue un balayage fin du signal reçu autour de l'instant de réception ainsi estimé, tLlos, obtenu à l'étape précédente. Plus précisément, on mesure les paramètres S11(f ,t,col) et S11(f,t,co2) en une pluralité d' instants t=tn avec une seconde période d'échantillonnage 'rime A l'étape 525, on calcule la phase arg(SII(f,t,co2)-SII(f,t,col» pour les instants t=tn avec la période d' échantillonnage z-fine et on estime finement la phase entre le signal LOS et le signal émis, par exemple grâce à : M arg (Sn ( f , 1-L1 os + fine co ) - ( f ,tLl os +mi-fine , col » =-m (2) 1 Çol(f) = 2M+ On suppose que le déplacement du réflecteur pendant le temps de la première mesure de phase est négligeable. Les étapes 510 à 525 sont répétées pour une seconde position du réflecteur, soit 510' à 525'. Plus précisément, à l'étape 510' on fait une estimation grossière du temps de propagation aller- retour du signal LOS, soit t?,os. A l'étape 520', on effectue un balayage fin du signal reçu autour de l'instant de réception tLs. Enfin, à l'étape 525', on obtient une estimation de phase entre le signal LOS et le signal émis correspondant la seconde position du réflecteur : 1 m 2 2 s92 (f ) = E arg (SI I ( f , tws + mr fine , co2 ) - S'II ( f , tws + m'r fine , » 2M + 1 n,=_m (3) où tWs est le temps de propagation aller-retour du signal LOS estimé grossièrement à l'étape 510'. A l'étape 530, on calcule la différence de phase du signal LOS entre la seconde et la première positions, soit : Ô'ço (f ) = ç02(f)-sD1(f) (4) et on en déduit le déplacement relatif du réflecteur, ou de l'objet, entre ces deux positions par : 2965633 ÔD(f) c 8v(f) 17 (5) On notera que la mesure de déplacement relatif 5 n'est valide que si la rotation de phase induite par le déplacement est inférieure à 2z (ôq)(f) étant défini modulo 2z), autrement dit que si le déplacement est inférieur à la longueur d'onde à la fréquence considérée. A défaut, le déplacement serait obtenu à un 10 multiple de 2-c/f près, Afin d'étendre la plage de mesure de déplacement, on calculera avantageusement les différences de phase 6v à une pluralité de fréquences par exemple à une fréquence f=pfo et f2=eo où p et q sont deux entiers 15 premiers entre eux et fo une fréquence fondamentale. En pratique, les fréquences f et L sont fournies au module d'émission 140 et au moyen de calcul 170 par les moyens de contrôle 180. A partir des différences de phase 89(M et 6ço(L), 20 on peut alors obtenir une plage de mesure de l'ordre de pq2o où Âo=c/fo est la longueur d'onde à la fréquence fondamentale. De manière plus générale, on choisira f=plco et f;=qfo tel que p et q aient un PPOM, v, élevé, l'ambiguïté sur la mesure de distance étant 25 alors de l'ordre de v2o. Enfin, le télémètre hyperfréquence selon la présente invention peut encore permettre de mesurer la distance absolue à un objet. Pour ce faire, on place d'abord le réflecteur en une position de référence et l'on somme ensuite les déplacements relatifs mesurés en une pluralité d'instants successifs. Avantageusement, les mesures sont effectuées avec une période 0 choisie suffisamment faible pour que le déplacement du réflecteur n'excède pas la longueur d'onde à la fréquence f (ou fo) entre deux instants de mesure consécutifs. La distance de l'objet à l'instant t=109 par 10 rapport à la position de référence s'obtient alors simplement par : D(t)=~BDn (6) n= 15 où (5'Dn est le déplacement, entre les instants (n-1)0, et n0, obtenu par la méthode de mesure précédente. On remarquera que dans la méthode de mesure selon l'invention, on ne procède à des mesures de paramètre S 20 qu'à une fréquence ou à un faible nombre de fréquences. Contrairement à l'art antérieur, les antennes 111, 112 et 113 n'ont pas à être large bande et le calculateur peut être choisi moins performant que dans l'art antérieur. 25 REVENDICATIONS1. Méthode de mesure de déplacement d'un réflecteur (112) par rapport à une antenne de mesure (111, 113), caractérisée en ce que : a) on transmet à l'aide de ladite antenne un signal hyperfréquence découpé à l'aide d'une première fenêtre temporelle et l'on découpe le signal reçu par ladite antenne à l'aide d'une seconde fenêtre temporelle, sensiblement plus étroite que la première ; b) on mesure un rapport entre le signal reçu et le signal émis, une première mesure étant effectuée pour un premier état radioélectrique du réflecteur et une seconde mesure étant effectuée pour un second état radioélectrique du réflecteur, et l'on en déduit un signal de différence de ces deux mesures ; c) on effectue un premier balayage temporel grossier du dit signal de différence pour obtenir une estimation du temps de propagation aller-retour du signal s'étant propagé en ligne directe entre l'antenne de mesure et le réflecteur, dit signal LOS ; d) on effectue un balayage fin de la phase du dit signal de différence pour obtenir une estimation de la phase du signal LOS par rapport au signal émis ; les étapes (a) à (d) étant effectuées pour deux positions du réflecteur, le déplacement du réflecteur étant obtenu à partir de la phase ainsi estimée pour la première position et de la phase ainsi estimée pour la seconde position.30 2. Méthode de mesure selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'estimation du temps de propagation aller-retour du signal LOS est obtenue à partir de la comparaison à une première valeur de seuil du module du signal de différence. 3. Méthode de mesure selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'estimation du temps de propagation aller-retour du signal LOS est obtenue à partir de la comparaison à une seconde valeur de seuil de la fréquence de variation de la phase du signal du dit signal de différence.