Brevet FR3007586A1 — publié le 20141226

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un capteur radar à résolution angulaire comportant plusieurs éléments d'antenne installés dans différentes positions dans une direction dans laquelle le capteur radar présente une résolution angulaire ainsi qu'une installation de commande et d'exploitation pour un mode de fonctionnement selon lequel plusieurs des éléments d'antenne émettent des signaux reçus respectivement par plusieurs éléments d'antenne et on détermine l'angle d'un objet localisé à l'aide des amplitudes et/ou des phases des signaux correspondant à des configurations différentes d'éléments d'antenne en émission et en réception. Etat de la technique Les capteurs radars s'utilisent dans les véhicules automobiles par exemple pour mesure les distances, les vitesses relatives et l'angle d'azimut des véhicules localisés devant le propre véhicule ou en- core d'objets à l'avant du propre véhicule. Les différents éléments d'antenne sont par exemple installés, écartés les uns des autres dans la direction horizontale de façon que les différents angles d'azimut des objets localisés se traduisent par des différences de temps de parcours pour les signaux radars entre l'objet et l'élément d'antenne respectif. Ces différences de longueur de parcours conduisent à des différences de phase des signaux reçus par les éléments d'antenne et exploités dans les canaux d'exploitation correspondant. En compensant les amplitudes (complexes) reçues dans les différents canaux avec des amplitudes cor- respondantes dans un diagramme d'antenne, on obtient l'angle d'incidence du signal radar et ainsi l'angle d'azimut de l'objet localisé. Pour arriver à une résolution angulaire poussée, il faut que l'ouverture de l'antenne soit aussi grande que possible. Mais si les intervalles entre les éléments d'antenne voisins sont trop grands, on peut ouvrir des mesures angulaires ayant des significations multiples car pour des différences de longueur de parcours qui diffèrent d'un multiple entier de la longueur d'onde À on aura la même phase entre les signaux reçus. On peut obtenir une mesure angulaire non équivoque par exemple avec une structure ULA (réseau linéaire uniforme) selon lequel les éléments d'antenne sont répartis à des intervalles égaux à À/2. Mais dans ce cas, le nombre d'éléments d'antenne augmente avec l'ouverture et il en est de même du nombre des canaux d'exploitation nécessaires de sorte que l'on arrive à des circuits coûteux. Dans le cas d'un radar MIMO (entrée multiple/sortie multiple) on arrive à une plus grande capacité de résolution angulaire du fait que l'on ne travaille pas seulement avec plusieurs éléments d'antenne en réception mais également avec plusieurs éléments d'antenne en émission en exploitant différentes combinaisons d'élément d'antenne en émission et réception par exemple en multiplexage de temps ou de façon sélective également en multiplexage de fréquence ou en multiplexage de code. Les positions variables des éléments d'antenne d'émission conduisent alors à des différences de phases supplémentaires et ainsi à des signaux qui ne sont pas équivalents aux signaux que l'on obtiendrait avec une configuration ayant un seul élément d'antenne émetteur et en plus des éléments d'antenne récepteurs (vir- tuel). On améliore ainsi virtuellement l'ouverture et par conséquent la résolution angulaire. Pour avoir une résolution angulaire aussi élevée que pos- sible, il est avantageux que le réseau d'antenne virtuel soit aussi mince pour que les différents éléments d'antenne soient aussi écartés que pos- sible. Dans ces conditions, la relation univoque n'est plus remplie de sorte que notamment dans le cas d'échos radar encombrés de bruit on aura des significations multiples et ainsi des mesures angulaire avec « des sauts » ce qui signifie que si une cible radar est poursuivie sur une période prolongée, on aura le cas échéant des variations brusques de l'angle d'azimut mesuré. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un radar MIMO ayant une meilleure capacité de résolution angulaire assurant une meilleure unicité de liaison des mesures angulaires. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, la présente invention a pour objet un capteur radar à résolution angulaire du type défini ci-dessus caractérisé en ce que l'installation de commande et d'exploitation alimente plusieurs élé- ments d'antenne en émission, simultanément avec des signaux de mêmes fréquences pour que le centre commun de la phase de ces signaux se situe entre les positions de deux éléments d'antenne voisins. Si deux éléments d'antenne sont alimentés avec des signaux de même fréquence, les ondes radars émises par les deux élé- ments d'antenne se superposent en un signal dont la phase est modifiée. Ce signal est équivalent à un signal émis par un point situé entre les deux éléments d'antenne. Ce point constitue le centre de phase des deux signaux. Comme selon l'invention, ce centre de phase se situe à un emplacement où il n'y a pas d'éléments d'antenne réels, on obtient, par la génération commune de deux ou plusieurs éléments d'antenne supplémentaires (virtuels), des éléments d'antenne émetteurs qui peuvent être combinés aux éléments d'antenne récepteurs, réels et permettre ainsi de remplir le réseau d'antenne virtuel. De cette manière, la configuration est plus proche d'une structure ULA et la probabilité d'une signification multiple (polysémie) diminue. Combiner deux ou plusieurs éléments d'antenne a de plus l'avantage d'avoir une puissance d'émission plus forte et ainsi une plus grande portée du capteur radar. Selon un développement avantageux, les éléments d'antenne réels sont installés avec des intervalles irréguliers de sorte que la configuration d'antenne présente aussi peu que possible de symétrie, ce qui participe à une suppression complémentaire de la signification multiple. De plus, cela permet d'éviter que des positions d'antenne virtuelles émises par les combinaisons de différents éléments d'émission et d'antenne, se retrouvent localement. Selon un développement avantageux, le capteur radar est un capteur radar monostatique c'est-à-dire que chaque élément d'antenne peut servir à la fois d'élément émetteur et d'éléments récepteur. Si deux ou plusieurs éléments d'antenne reçoivent un si- gnal de même fréquence, il faut que les phases et les amplitudes des signaux appliquées aux deux ou plusieurs éléments ne coïncident pas nécessairement. Selon un développement de l'invention, il est ainsi possible de former un faisceau.35 Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation de l'invention représenté dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma par blocs d'un capteur ra- dar selon l'invention, - la figure 2 est un diagramme servant à décrire le fonctionnement du capteur radar de la figure 1 et - la figure 3 est un schéma par blocs d'un capteur ra- dar selon un autre exemple de réalisation de l'invention. Description de modes de réalisation de l'invention Le capteur radar de la figure 1 comporte quatre éléments d'antenne 10, 12, 14, 16 qui, en combinaison, forment une antenne groupée parallèle 18. Le capteur radar est ainsi intégré dans un véhi- cule de façon que les éléments d'antenne 10-16 soient juxtaposés à la même hauteur pour arriver à une capacité de résolution angulaire du capteur radar dans le plan horizontal (azimut). La figure 1 montre symboliquement les rayons radars émis par les antennes d'émission suivant l'angle d'azimut O. La partie haute fréquence 20 pour la commande des élé- ments d'antenne est par exemple constituée par un composant MMIC (circuit intégré micro-onde monolithique) et comprend un réseau de commutation 22 relié sélectivement par les différents éléments d'antenne à un oscillateur local 24 qui génère le signal radar d'émission. Les échos radars reçus par les éléments d'antenne 10-16 sont découplés chaque fois à l'aide d'un circulateur 26 pour être appliqué à un mélangeur 28 et être mélangés au signal d'émission fourni par l'oscillateur 24. On obtient ainsi pour chacun des éléments d'antenne, un signal de fréquence intermédiaire Z1, Z2, Z3, Z4 associé à une unité électronique de commande et d'exploitation 30. L'unité de commande et d'exploitation 30 comporte une partie de commande 32 qui gère le fonctionnement de l'oscillateur 24 et du réseau de commutation 22. Dans l'exemple présenté, il s'agit d'un capteur radar de type FMCW (radar à ondes entretenues) c'est-à-dire que la fréquence du signal d'émission fournie par l'oscillateur 24 est modulée périodiquement par une suite de rampes de fréquence croissantes et/ou décroissantes. L'installation de commande et d'exploitation 30 comporte également une partie d'exploitation ayant un convertisseur analo- gique/numérique 34 à quatre canaux qui numérisent les signaux de fréquence intermédiaires Zi-Z4 reçus des quatre éléments d'antenne et les enregistre chaque fois en fonction de la durée d'une rampe de fréquence. Les signaux de temps ainsi obtenus sont alors convertis par canal, en un état de transformation 36 par la transformée rapide de Fourier pour obtenir des spectres de fréquence appropriés. Dans ces spectres de fréquence, chaque objet localisé se distingue par la forme d'un pic dont la fréquence dépend du temps de parcours du signal entre le capteur radar et le lieu avec le retour vers le capteur radar et aussi de la vitesse relative de l'objet du fait de l'effet Doppler. A partir des fré- quences de deux pics obtenus pour le même objet, on peut alors calcu- ler de façon connue de manière simple la distance D et la vitesse relative V de l'objet avec des rampes de fréquence ayant une pente différente par exemple une rampe très croissante et une rampe décroissante. Selon un autre développement, le capteur radar peut éga- lement fonctionner selon le procédé de la modulation de séquence de chirp selon lequel le signal d'émission se compose d'impulsions de signal (chirps) modulées en fréquence, de même type. Le motif de modulation ne se compose pas d'une seule rampe de modulation mais d'un jeu complet de chirps successifs. Il s'agit d'un procédé Doppler impul- sionnel avec compression des impulsions selon lequel on sépare tout d'abord les objets radars selon leur éloignement et ensuite à l'aide des différences des phases entre les réflexions des différents signaux impulsionnels on détermine des variations d'emplacement et ainsi les vitesses des objets radars. Dans un motif de modulation caractéristique, les fré- quences centrales des différents chirps diminuent ou augmentent régulièrement d'un chirp à l'autre de sorte que les chirps constituent eux-mêmes une rampe appelée « rampe lente » alors que les Chirps sont appelés « rampes rapides ». Ce procédé est appelé pour cela « procédé FMCW multi-vitesse » (MSFMCW). Comme cela est représenté schématiquement à l'aide des faisceaux radars, les différentes positions des éléments d'antenne 10-16 font que les faisceaux radars émis par un seul et même élément d'antenne sont réfléchis par un objet pour être ensuite reçus par diffé- rents éléments d'antenne en parcourant des longueurs de parcours dif- férentes et ayant de ce fait des différences de phases dépendant de l'angle d'azimut 0 de l'objet. Les signaux de fréquence intermédiaire Z1- Z4 correspondants ont des différences de phase correspondantes. Les amplitudes (valeurs) des signaux reçus diffèrent d'un élément d'antenne à l'autre ainsi que par l'angle d'azimut 0. La dépendance des amplitudes complexes, c'est-à-dire des valeurs absolues et des phases des signaux reçus, par rapport à l'angle d'azimut 0 est enregistrée pour chaque élément d'antenne sous la forme d'un diagramme d'antenne dans l'unité de commande et d'exploitation 30. Un dispositif d'évaluation angulaire 38 compare chacun des objets localisés (chaque pic du spectre des fré- quences) des amplitudes complexes dans les quatre canaux de réception aux diagrammes d'antenne pour évaluer ainsi l'angle d'azimut 0 de l'objet. Comme valeur la plus probable de l'angle d'azimut on admet la valeur pour laquelle les amplitudes mesurées ont la meilleure corréla- tion avec les valeurs lues dans les diagrammes d'antenne. Dans le cas du radar MIMO décrit, les amplitudes complexes dans les quatre canaux dépendent également de celui des quatre éléments d'antenne 10, 12, 14, 16 utilisés pour l'émission. Par exemple le réseau de commutation 22 permet à une première rampe de fré- quence d'émettre par l'élément d'antenne 10 puis de commuter sur l'élément d'antenne 12 et ensuite successivement sur les éléments d'antenne 14 et 16 puis un nouveau cycle commence. De cette manière, on obtient 4 x 4 = 16 constellations différentes décrites par le modèle de signal suivant. Pour un réseau d'antenne linéaire, plan, avec des élé- ments d'antenne 10, 12, 14, 16 comme réseau de réception (dans l'hypothèse idéale d'éléments d'antenne isotropes) le vecteur de commande ai-(0) a les composants suivants : a(ê) = exp (27ci - (drii/X) - sin(0) ), p = 1, ..., 4 Ce vecteur de commande détermine les relations de phase entre les amplitudes complexes des signaux reçus par les quatre éléments d'antenne. L'indice p désigne l'élément d'antenne et les gran- deurs drii donnent la position des éléments d'antenne dans la direction horizontale rapportée à une origine quelconque. Pour le réseau d'émission le vecteur de commande arv(0)a les composants suivants : arv(0) = exp (2ni - (dr,/ ?^,) - sin(0) ), y = 1, ..., 4 Dans l'exemple de la figure 1 d'un réseau monostatique à quatre éléments d'antenne, on peut prendre l'emplacement de l'élément d'antenne 10 comme origine des coordonnées de sorte que l'on a: dri = du = 0, dr2 = dr2 = d2, dr3 = dr3 = d3, dr4 = dt4 = d4. Pour l'évaluation angulaire, selon le principe MIMO, on forme le vecteur du réseau virtuel en formant le produit de Kronecker avec ar,(0) et ai-MO) : 25 a(0) = ( (0).ar 1 (0), at 1 (0)-ar2 (0) , au (0).ar3 (0) (0)"ar4(0), 30 ar2(0)-ari (0), ar2 (0)-ar2, (0) , ar2 (0)-ar3 (0) , ar2(0)*ar4(0), ar3 (0) 'ari (0), ar3 (0)*ar2 (0) , ar3 (0)"ar3 (0) , ar3(0)-ar4(0), Ut4(0)Url(0), ar4(0)-ar2(0), ar4(0)-ar3(0), ar4(0)'ar4(0) ) Le vecteur produit seize composants correspondant aux seize positions des éléments d'antenne virtuels. Les composants du vec- 35 teur ont la forme suivante : 20 at,(0) - ctiv.(0) = exp ( 2ni - ((dt, + drp) / I) sin(0) ) ; y =1, ..., 4 ; p = 1, ...,4 Les positions virtuelles d'antenne correspondent ainsi aux sommes formées avec les grandeurs di - d4. Ainsi, le réseau virtuel s'étend dans la direction horizontale sur un intervalle beaucoup plus grand, c'est-à-dire qu'il a une plus grande ouverture, ce qui donne une plus grande résolution angulaire car déjà pour de petites variations de l'angle d'azimut (0) on aura des différences de phase importantes. Si toutefois, pour arriver à une ouverture aussi grande que possible on choisit les valeurs di - d4 significativement supérieures à I /2, on pourra, à partir de la périodicité du facteur sin(0) dans les composants du vecteur réseau dans les différents cas, avoir des angles d'azimut pour lesquels les diagrammes d'antenne des quatre éléments d'antenne virtuels ont des amplitudes complexes analogues de sorte que l'angle d'azimut réel de l'objet ne pourra pas se déterminer d'une manière univoque. C'est pourquoi selon l'invention on remplit le réseau virtuel par des éléments virtuels supplémentaires. Pour cela, on com- mande le réseau de commutation 22 dans certaines phases de fonctionnement pour fermer en même temps deux interrupteurs c'est-à-dire pour fournir le même signal simultanément aux deux éléments d'antenne correspondant 10, 12, 14, 14, 16. Les signaux émis se combinent alors en un signal dont le motif d'onde correspond sensiblement à un signal qui proviendrait d'un point situé au milieu entre les élé- ments d'antenne concernés. Si par exemple des éléments d'antenne 10 et 12 sont ali- mentés en commun, on obtient dans le vecteur de commande du réseau d'antenne, une composante supplémentaire exp(27ci(d2/2À)-sin(0)) cor- respondant à un élément d'antenne supplémentaire à la position d2/2. Dans le vecteur du réseau virtuel on aura quatre composants supplémentaires correspondant aux éléments virtuels pour les positions d2/2, d2/2+d2, d2/2+d3 et d2/2+d4. Pour l'angle d'azimut vrai de l'objet, il faut également que les diagrammes d'antenne appartenant à ces éléments virtuels fournissent les amplitudes complexes mesurées pour le pic de l'objet des signaux de fréquences intermédiaires Zi-Z4. De cette manière les éléments supplémentaires permettent d'éviter une éventuelle polysémie. Un mode de fonctionnement possible du capteur radar de la figure 1 est représenté dans le diagramme de la figure 2. Dans la par- tie supérieure du diagramme on a représenté les fréquences fi - fit des signaux émis par les éléments d'antenne 10-16 en fonction du temps (t). Les traits interrompus indiquent les intervalles de temps dans lesquels l'élément d'antenne concerné est coupé de l'oscillateur 24 et n'envoie pas de signal. Dans une première période 1, seul l'élément d'antenne 10 est activé ; et il émet tout d'abord un signal (fréquence fi) qui se compose d'une rampe de fréquence 40 croissante. Dans la partie inférieure du diagramme, pour chaque période, on a représenté symboliquement les positions (d) des éléments d'antenne réels 10-16 (angle dans la co- lonne gauche) ainsi que les positions des éléments d'antenne virtuels respectifs (angles plus minces dans la colonne droite). Dans la première période, les positions virtuelles correspondent aux positions réelles. Dans la période 2 suivante, pour l'élément d'antenne 10 on répète la rampe de fréquence 40 mais le même signal sera émis en plus par l'élément d'antenne 12 (fréquence f2). Dans la partie inférieure du diagramme, on a représenté en caractères gras les symboles des éléments d'antenne activés. Les symboles des éléments d'antenne virtuels sont alors décalés de la distance d2/2. Dans la période 3, seul le second élément d'antenne 12 est activé. Dans la période 4 suivante, on alimente en commun le se- cond et le troisième élément d'antenne 10, 14 avec le signal de l'oscillateur 24, ce qui donne de nouveau des positions virtuelles situées entre les positions réelles des éléments d'antenne. Dans la période 5, seul le troisième élément d'antenne 14 est activé ; dans la période 6 suivante, le troisième et le quatrième élé- ment d'antenne 14, 16 sont alimentés en commun et dans la période 7 seul le quatrième élément d'antenne 16 est activé. Ensuite, le schéma se répète mais avec des rampes décroissantes 42. Les périodes 8 et 9 de la figure 2 correspondent aux périodes 1 et 2 indépendamment de cette différence et ensuite on a les périodes 10 à 14 non représentées qui correspondent aux périodes 3-7. Ensuite, on peut avoir sept autres périodes dans les- quelles le signal est de nouveau modulé selon des rampes de fréquences croissante mais avec une autre pente que les rampes de fréquences 40 des périodes 1-7 ; ensuite, on a sept autres périodes avec des rampes de fréquences décroissante dont la pente est différente de celle des rampes de fréquence 42. Cette succession par exemple vingt-huit périodes se répète ensuite de manière cyclique. Dans la partie inférieure de la figure la colonne la plus à droite du diagramme de la figure 2, regroupe toutes les positions virtuelles des éléments d'antenne ainsi obtenues. On voit que le réseau virtuel de cette manière regroupée est en plus rempli d'éléments virtuels de sorte que l'on n'obtient pas une capacité élevée de résolution angu- laire (correspondant à la plus grande ouverture) mais également un ni- veau élevé de signification unique (grâce à la densité des éléments virtuels dans le réseau) . Si les éléments d'antenne 10-16 étaient installés à inter- valles réguliers, les positions de certains des éléments d'antenne vir- tuels coïncideraient. Par exemple, dans la période 3, la position du second et du troisième élément d'antenne virtuel serait identique à la position des éléments d'antenne 12 et 14. On évite toutefois cette situation dans le mode de réalisation représenté en ce que l'on a les dis- tances entre les éléments d'antenne qui sont irrégulières : d4 - d3 > d3 - d2 > d2. La figure 3 montre un développement de l'invention selon lequel le réseau de commutation 22 comporte quarante-quatre circuits MMIC qui non seulement permettent de transmettre le signal de l'oscillateur 24 vers l'élément d'antenne concerné (état 1) ou bloquer cette transmission (état 0) mais en plus avoir au moins un état cp 1, cp2, (193 et cp4 dans lequel le signal de l'oscillateur est transmis avec un déphasage déterminé cp 1, cp2, cp3 ou cp4 vers l'élément d'antenne correspondant 10, 12, 14, 16. A côté de l'état représenté dans la période 2 de la figure 2 et dans lequel les deux éléments d'antenne 10, 12 reçoivent le même signal d'oscillateur, on peut également avoir une situation selon laquelle le signal de l'oscillateur 24 est transmis inchangé à l'élément d'antenne 10 mais avec un déphasage cp2 à l'élément d'antenne 12. Les signaux émis par les deux éléments d'antenne se combinent alors en un unique signal dont la direction principale de rayonnement s'écarte de l'angle d'azimut 0 = 00. Suivant le choix de l'angle de phase cp 1-cp4, chaque fois dans les périodes dans lesquelles au moins deux éléments d'antenne sont actifs en même temps, on pourra avoir une forme de faisceau. Cela permet de modifier et d'étendre le « champ image » du capteur radar dans l'azimut. L'invention permet de nombreuses modifications et par exemple le capteur radar peut ne pas être seulement être composé de quatre éléments d'antenne mais avoir un nombre différent d'éléments d'antenne. En plus de la structure monolithique on peut également envisager une structure mi-statique selon laquelle au moins un élément d'antenne sert à émettre et au moins un autre élément d'antenne sert seulement à la réception. Pour la commande des éléments d'antenne en émission, on peut également utiliser un autre motif d'activation que celui de la figure 2. Par exemple, il est possible d'activer simultanément trois ou plusieurs éléments d'antenne pour avoir des centres de phase supplémentaires et ainsi des éléments d'antenne supplémentaires. Le nombre et l'ordre des états d'activation différents des éléments d'antenne peu- vent être différents du schéma présenté à la figure 2. En particulier, il est possible que les périodes d'activité des éléments d'antenne soient les mêmes et qu'il suffit d'intégrer, « le cas échéant » si l'exploitation du signal indique que l'on a un effet de polysémie.30 NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 10, 12, 14, 16 Eléments d'antenne 18 Antenne de groupe 20 Partie haute fréquence 22 Réseau de communication 24 Oscillateur 26 Circulateur 28 Mélangeur 30 Unité de commande et d'exploitation 32 Partie de commande 34 Convertisseur analogique/numérique 36 Etage de transformation Zi-Z4 Signaux de fréquence intermédiaires 0 Angle d'azimut arp (0) Vecteur de commande éléments Grandeur donnant la position des d'antenne at, (0) Vecteur de commande 20