Brevet FR2983589A1 — publié le 20130607

TÉLÉMÈTRE HYPERFRÉQUENCE DE HAUTE PRÉCISION À DISPOSITIF DE RÉFLEXION À ÉLARGISSEMENT DE SPECTRE. 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 relatifs. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La mesure de distance entre deux objets peut être 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 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 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 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 15 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 qui doivent être reliées, et non la distance absolue à un objet. 20 La demande publiée FR-A-2946152, également déposée au nom de la présente demanderesse décrit un télémètre hyperfréquence utilisant un réflecteur à deux états radioélectriques qui permet de mesurer avec une grande précision la distance entre deux objets et son 25 évolution à l'aide d'une instrumentation adéquate. Dans la demande publiée FR-A-2946152, les mesures hyperfréquences sont acquises sur une large bande fréquentielle ce qui alourdit la charge de travail des calculateurs de l'instrumentation. La méthode est 30 cependant très efficace pour éliminer la plupart des réflexions parasites sur l'environnement. 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 5 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-trajets. La présence des 10 signaux multi-trajets dans le signal reçu peut entraîner une dégradation de la résolution en distance du télémètre. Les signaux multi-trajets sont généralement affectés de la même manière que les signaux LOS lors de 15 la commutation de l'état radioélectrique du réflecteur. Il n'est donc pas possible de tous les discriminer et a fortiori de les éliminer dans le signal reçu seulement à l'aide de cette simple commutation. Une évolution de la technique présentée dans la 20 demande publiée FR-A-2946152 est décrite dans la demande FR 10 57991, non publiée, et déposée au nom de la même demanderesse. Cette demande propose un fenêtrage temporel, en plus de la commutation du réflecteur, pour éliminer les multi-trajets. Les 25 mesures sont réalisées en bande étroite ce simplifie les calculs effectués par l'instrumentation. La technique de télémétrie présentée dans les deux demandes en question comporte cependant des inconvénients : 30 - l'étape de soustraction effectuée pour supprimer les réflexions parasites sur l'environnement nécessite une commutation entre deux états du dispositif de réflexion. Cette commutation doit être pilotée en temps réel par une commande à distance et les contraintes temporelles associées à cette commande peuvent être délicates à réaliser ; - la prise en compte des deux états de commutation du dispositif réflecteur impose d'utiliser un calculateur ayant une importante capacité de calcul puisqu'il doit effectuer des mesures et des calculs complexes pour les deux états du dispositif. Le doublement de la quantité de calculs ralentit les mesures. Le but de la présente invention est de proposer une méthode permettant de mesurer rapidement et avec une grande précision le déplacement d'un réflecteur par rapport à une antenne de mesure, en supprimant les multi-trajets tout en s'affranchissant de la contrainte d'un dispositif de réflexion à deux états radioélectriques. Un but subsidiaire de la présente invention est de réaliser un dispositif qui soit apte à mettre en oeuvre la méthode de mesure décrite dans l'invention. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention est définie par une méthode de mesure de déplacement relatif d'un réflecteur par rapport à une antenne de mesure, caractérisée en ce: a) on transmet au réflecteur à l'aide de ladite antenne un signal hyperfréquence centré autour d'une 30 première fréquence ; b) on multiplie, au niveau dudit réflecteur, ledit signal hyperfréquence émis par ladite antenne par un train d'impulsions pour élargir le spectre du signal hyperfréquence ; c) on reçoit ledit signal hyperfréquence de spectre ainsi élargi à une seconde fréquence distincte de ladite première fréquence ; d) on translate à ladite première fréquence ledit signal hyperfréquence reçu à ladite seconde 10 fréquence ; e) on mesure un signal caractéristique qui est fonction du rapport complexe entre ledit signal reçu ainsi translaté à ladite première fréquence et ledit signal émis par ladite antenne ; 15 f) on calcule la phase dudit signal reçu translaté à ladite première fréquence par rapport audit signal émis ; les étapes (a) à (f) étant effectuées pour deux positions du réflecteur, le déplacement du réflecteur 20 étant obtenu à partir de la phase ainsi calculée pour la première position et de la phase ainsi calculée pour la seconde position. L'invention concerne également un réflecteur 25 permettant de mettre en oeuvre la méthode selon l'invention. Ainsi, l'invention concerne un réflecteur actif comprenant une antenne de réception pour recevoir un signal hyperfréquence, un commutateur relié à la sortie de ladite antenne de réception et une antenne 30 d'émission , ledit réflecteur étant caractérisé en ce que ledit commutateur est piloté de manière autonome par un oscillateur et commute alternativement la sortie de ladite antenne de réception à l'entrée d'un amplificateur hyperfréquence ou à une impédance pour élargir le spectre dudit signal hyperfréquence reçu, ladite sortie dudit amplificateur étant reliée à ladite antenne d'émission pour émettre ledit signal hyperfréquence de spectre ainsi élargi. L'invention concerne également un système de mesure du déplacement relatif du réflecteur selon l'invention par rapport à une antenne de mesure, ladite antenne de mesure étant reliée à un module d'émission et de réception, lesdits modules d'émission et de réception étant reliés à une instrumentation pour calculer ledit déplacement à partir des signaux émis par ledit module d'émission et fournis par ledit module de réception, ledit module d'émission envoyant à travers ladite antenne un signal hyperfréquence à une première fréquence vers ledit réflecteur, ledit réflecteur renvoyant vers ladite antenne ledit signal hyperfréquence de spectre élargi, ledit module de réception étant configuré pour sélectionner un signal reçu par ladite antenne à une seconde fréquence distincte de ladite première fréquence. 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 figure 1 illustre schématiquement un système de mesure de distance selon un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 2 représente un mode de réalisation 5 du réflecteur utilisé dans le système de la figure 1 ; - la figure 3 représente schématiquement le spectre du signal hyperfréquence élargi par le réflecteur selon l'invention ; - la figure 4 représente un système 10 hyperfréquence équivalent au système de la figure 1. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'idée à la base de l'invention est d'utiliser le fait que les réflexions du signal sur l'environnement 15 sont à la même fréquence que la fréquence d'émission du signal LOS. Il est ainsi proposé d'élargir le spectre du signal au niveau du réflecteur et de recevoir le signal à une fréquence légèrement différente du signal émis afin de ne prendre en compte que les signaux LOS. 20 On élimine ainsi la nécessité d'utiliser un réflecteur à plusieurs états radioélectriques, et donc de télécommander en temps réel les états radioélectriques du réflecteur. D'autre part, la charge du calculateur est allégée puisque seuls les calculs 25 pour un état unique du dispositif sont désormais nécessaires. Selon l'invention, on utilise un système hyperfréquence comprenant une première antenne et au moins un réflecteur comprenant un dispositif permettant 30 d'élargir le spectre en fréquence du signal envoyé par la première antenne. Le réflecteur est monté sur un objet dont on souhaite connaître le déplacement relatif. Le déplacement du réflecteur par rapport à l'antenne peut être obtenu à l'aide du paramètre S du 5 système hyperfréquence, qui ne sera mesuré que pour un unique état du réflecteur. Plus précisément, la figure 1 représente un système hyperfréquence, 100, selon un mode de réalisation de l'invention. 10 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 15 réalisées par des câbles coaxiaux 120. Le signal el de fréquence fo émis par l'antenne 111 est fourni à des moyens de mesure de paramètres S, 160, par exemple un analyseur de réseau. Dans le module de réception 150, le signal reçu à une fréquence 20 distincte de lb est traité afin de fournir un signal sl de fréquence fo aux moyens de mesure de paramètres S, 160. L'acheminement des signaux e1 et sl aux moyens de mesure 160 est réalisé, par exemple, au moyen de câbles coaxiaux. Les paramètres S obtenus par les moyens de 25 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 30 reliée à un duplexeur, l'entrée du duplexeur étant alors reliée au module d'émission et sa sortie étant reliée au module de réception. Les moyens de contrôle 180 pilotent le module d'émission 140, le module de réception 150, les moyens 5 de mesure 160 et les moyens de calcul 170. Les moyens de mesure 160, les moyens de calcul 170 et les moyens de contrôle 180 forment l'instrumentation du système. La figure 2 illustre schématiquement un exemple 10 de réalisation du réflecteur 112. Le réflecteur est de type actif. De manière générale, on appelle réflecteur de type actif, un réflecteur amplifiant l'onde reçue avant de la réfléchir. Dans cet exemple, le réflecteur est constitué 15 d'une première antenne 210, par exemple une antenne cornet ou une antenne .patch qui est peu sélective et peu dispersive en fréquence. Le réflecteur est équipé d'un commutateur rapide 220 relié à l'antenne 210. Le commutateur rapide 220 est piloté de manière autonome 20 par un oscillateur 250. L'oscillateur 250 envoie un signal de commutation Sc. Le signal Sc peut être représenté temporellement par un train d'impulsions de largeur a.T, (avec un rapport cyclique a Si l'on compare les spectres en fréquence du signal reçu au niveau de l'antenne 210 et celui du signal reçu en entrée de l'amplificateur 240, la raie à fo du signal de type sinusoïdal reçu au niveau de l'antenne 210 est remplacée par une enveloppe en sinus cardinal centré sur fo et qui passe par 0 aux fréquences multiples de l'inverse de la largeur Le lobe principal autour de fo a une largeur à la base de 2/a.T, et comprend des raies aux fréquences multiples de fc. Le choix des paramètres a et Tc. détermine la forme du spectre du signal reçu en entrée de l'amplificateur 240. On choisira notamment des valeurs de a et Tc de sorte que l'atténuation en amplitude des fréquences comprises dans le lobe principal et proches de fo soit faible par rapport à l'amplitude de la fréquence centrale fo. L'écart Af est choisi de telle sorte que Af«(7ci afin que le signal de fréquence fo+tlf ou fi)--Af sélectionné au niveau du module récepteur 150 ait un rapport signal à bruit suffisant pour permettre son 25 exploitation. Avantageusement, la valeur fo + Af ou fo - Af sera choisie suffisamment éloignée de la valeur fo de sorte que les signaux issus des réflexions sur l'environnement soient éliminés à la réception par le 30 module de réception 150 comme cela sera décrit plus loin. La valeur Af est typiquement choisie dans une plage de valeurs allant de quelques dizaines à quelques centaines de Hz. La fréquence fc pourra être choisie sur une large 5 plage de fréquences, en fonction de deux critères : - l'élargissement du spectre désiré et notamment l'amplitude désirée du signal à la fréquence fo ± Af - le coût des oscillateurs. 10 Un compromis avantageux est de choisir fc inférieure ou égale à quelques MHz pour fo de l'ordre de quelques GHz. Le réflecteur, notamment le commutateur 220 et, 15 le cas échéant l'amplificateur 240, 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 ce second cas, si les moyens de contrôle 180 sont reliés 20 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 25 reçu par l'antenne 210 est redressé et permet de charger une capacité, selon le même principe que l'alimentation d'une radio-étiquette (RFID tag) classique. Le module récepteur 150 reçoit le signal issu de 30 l'antenne 216 du réflecteur 112 ainsi que des signaux de fréquence fo correspondant à des réflexions parasites sur l'environnement. Le module récepteur comprend avantageusement, des moyens de filtrage pour sélectionner le signal reçu par l'antenne 113 à la fréquence fo+Af ou bien fo En outre, il comporte, en sortie des moyens de filtrage, des moyens pour translater à la fréquence fo le signal sélectionné par les moyens de filtrage. Cette translation a pour but de pouvoir comparer à la même fréquence fi), la phase du signal émis par l'antenne 111 et la phase du signal 10 reçu et traité au niveau du module de réception 150. Grâce au filtrage et à la translation de fréquence effectués dans le module de réception 150, seuls les signaux LOS sont pris en compte et les signaux correspondant aux réflexions parasites sur 15 l'environnement de fréquence fO sont éliminés. On remarque qu'il n'est plus nécessaire d'effectuer un traitement du signal pour deux états radioélectriques du réflecteur pour éliminer la contribution des signaux parasites sur l'environnement. 20 Avantageusement, les moyens de filtrage et de translation en fréquence peuvent être commandés par les moyens de contrôle 180. Revenant à la figure 1, l'ensemble représenté en traits discontinus, comprenant l'antenne d'émission 25 111, 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 30 charge Z. Le schéma du système hyperfréquence équivalent a été représenté en figure 4. Le quadripôle Q a une première entrée e1 et une première sortie fi correspondant respectivement à la sortie du module 5 d'émission 140 et à la sortie du module de réception 150. La seconde sortie s2 du quadripôle correspond à 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 10 rappelle que les paramètres S d'un quadripôle, sont définis par : Su = hl ; S21 = 2 ; S12 = - ; S22k ai ai a2 15 où a1 et a2 sont les amplitudes complexes des ondes entrantes en et e2, k et b2 sont les amplitudes complexes des ondes sortantes en s et 1 s2. Les paramètres S sont, de manière équivalente, les coefficients de la matrice de dispersion du quadripôle. 20 Les moyens de mesure 160 déterminent le paramètre du système hyperfréquence, c'est-à-dire l'amplitude et la phase du rapport entre le signal fi et de fréquence fo et le signal el et de fréquence fo On notera Sil(f) le paramètre Su mesuré à la 25 fréquence f = fo . Comme décrit en détail plus loin, les moyens de calcul 170 déterminent à partir des valeurs du signal (1) a2 émis e1 et du signal. LOS s1, la phase du signal LOS SIAM- Cette opération est effectuée pour une première position du réflecteur par rapport à l'antenne 111 puis 5 pour une seconde position du réflecteur par rapport à l'antenne 111. Les moyens de calcul déduisent le déplacement SD du réflecteur (et donc, le cas échéant, de l'objet sur lequel le réflecteur est monté) à l'aide des phases du signal LOS obtenues pour ces deux 10 positions. L'antenne 111 émet un signal hyperfréquence à la fréquence fo - Dans une première étape alors que le réflecteur occupe une première position, on mesure le paramètre 15 S11(f) et on calcule la phase w (f) entre le signal LOS et le signal émis. On suppose que le déplacement du réflecteur pendant le temps de la première mesure de phase est négligeable. 20 Cette étape est répétée pour une seconde position du réflecteur. Plus précisément, alors que le réflecteur occupe une seconde position, on mesure le paramètre S11(f) et on calcule la phase (p2W entre le signal LOS et le 25 signal émis. On calcule ensuite la différence de phase du signal LOS entre la seconde et la première positions, soit : 30 5^99(f)- W2(f)-491(f) (2) et on en déduit le déplacement relatif du réflecteur, ou de l'objet, entre ces deux positions par : (f) 27r. f8çg(f) ( 3 ) On notera que la mesure de déplacement relatif n'est valide que si la rotation de phase induite par le déplacement est inférieure à 2.n (5ç (f) étant défini modulo 27r, autrement dit que si le déplacement est 10 inférieur à la longueur d'onde à la fréquence considérée. A défaut, le déplacement serait obtenu à un multiple de À= c/f0 près. Enfin, le télémètre hyperfréquence selon la présente invention peut encore permettre de mesurer la 15 distance absolue à un objet. Pour ce faire, on place d'abord le réflecteur en une position de référence et on somme ensuite les déplacements relatifs mesurés en une pluralité d'instants successifs. Avantageusement, les mesures sont effectuées avec une période choisie 20 suffisamment faible pour que le déplacement du réflecteur n'excède pas la longueur d'onde à la fréquence fo entre deux instants de mesure consécutifs. La distance de l'objet à l'instant t=]0.9 par rapport à la position de référence s'obtient alors 25 simplement par : E SDn (4) où 54, est le déplacement, entre les instants (n-1)0, et ne, obtenu par la méthode de mesure précédente. On remarquera que dans la méthode de mesure selon l'invention, on procède à des mesures de paramètre S sans changement d'état du réflecteur. Contrairement à l'art antérieur, le calculateur peut être choisi beaucoup moins performant que dans l'art antérieur.10 REVENDICATIONS1. Méthode de mesure de déplacement relatif d'un réflecteur (112) par rapport à une antenne de mesure (111, 113), caractérisée en ce que: a) on transmet au réflecteur à l'aide de ladite antenne un signal hyperfréquence centré autour d'une première fréquence ; b) on multiplie, au niveau dudit réflecteur 10 (112), ledit signal hyperfréquence émis par ladite antenne par un train d'impulsions pour élargir le spectre du signal hyperfréquence ; c) on reçoit ledit signal hyperfréquence de spectre ainsi élargi à une seconde fréquence distincte 15 de ladite première fréquence ; d) on translate à ladite première fréquence ledit signal hyperfréquence reçu à ladite seconde fréquence ; e) on mesure un signal caractéristique (S) qui 20 est fonction du rapport complexe entre ledit signal reçu ainsi translaté à ladite première fréquence et ledit signal émis par ladite antenne (111) ; f) on calcule la phase dudit signal reçu translaté à ladite première fréquence par rapport audit 25 signal émis ; les étapes (a) à (f) étant effectuées pour deux positions du réflecteur, le déplacement du réflecteur étant obtenu à partir de la phase ainsi calculée pour la première position et de la phase ainsi calculée pour 30 la seconde position. 2. Réflecteur (112) actif comprenant une antenne de réception (210) pour recevoir un signal hyperfréquence, un commutateur (220) relié à la sortie de ladite antenne de réception (210) et une antenne d'émission (216), ledit réflecteur étant caractérisé en ce que ledit commutateur (220) est piloté de manière autonome par un oscillateur (250) et commute alternativement la sortie de ladite antenne de réception (210) à l'entrée d'un amplificateur hyperfréquence (240) ou à une impédance (230) pour élargir le spectre dudit signal hyperfréquence reçu, ladite sortie dudit amplificateur (240) étant reliée à ladite antenne d'émission (216) pour émettre ledit signal hyperfréquence de spectre ainsi élargi. 3. Système de mesure du déplacement relatif d'un réflecteur (112) selon la revendication 2 par rapport à une antenne de mesure (111, 113), ladite antenne de mesure (111,113) étant reliée à un module d'émission (140) et de réception (150), lesdits modules d'émission (140) et de réception (150) étant reliés à une instrumentation (160, 170, 180) pour calculer ledit déplacement à partir des signaux émis par ledit module d'émission et fournis par ledit module de reception, ledit module d'émission envoyant à travers ladite antenne un signal hyperfréquence à une première fréquence vers ledit réflecteur (112), ledit réflecteur renvoyant vers ladite antenne ledit signal hyperfréquence de spectre élargi, ledit module de réception (150) étant configuré pour sélectionner unsignal reçu par ladite antenne (111, 113) à une seconde fréquence distincte de ladite première fréquence.