Brevet FR3055049A1 — publié le 20180216

PROCEDE DE DETECTION RADAR FMCW A RESOLUTION MULTIPLE ET RADAR METTANT EN OEUVRE UN TEL PROCEDE La présente invention concerne un procédé de détection radar, utilisant une onde d'émission de type FMCW, à résolution multiple. Elle concerne également un radar mettant en oeuvre un tel procédé. L'invention s'applique notamment dans le domaine des radars pour véhicules automobiles. Plus généralement elle peut s'appliquer aux radars FMCW. Les radars pour automobiles ont été introduits pour des fonctions d'aide à la conduite, plutôt orientées vers le confort, comme par exemple l'adaptation à la vitesse de croisière pour l'utilisation sur autoroute, dite fonction ACC (Adaptative Cruise Control), ou le « Stop and Go » en conduite urbaine. Ils utilisent les ondes millimétriques, en particulier la bande 76-81 GHz. Grâce à l'évolution des technologies, les applications actuelles visent également des fonctions de sécurité de type anticollision, et il est même envisagé à relativement court terme d'aboutir au véhicule entièrement autonome, la perception de l'environnement étant assurée par l'association d'un certain nombre de capteurs, reposant sur différentes technologies : radar, vidéo, infrarouge notamment. En raison de ses capacités tout-temps, le radar reste dans ce cadre un capteur prépondérant et ses capacités de détection et de discrimination doivent être étendues pour garantir la fiabilité globale du système. En ce qui concerne l'anticollision, le capteur radar doit en particulier être capable de distinguer parmi les objets fixes qu'il détecte, ceux qui correspondent à des éléments d'infrastructure routière, de ceux qui correspondent à des véhicules immobilisés sur la voie qui constituent potentiellement un risque de collision. Dans ce contexte, il est notamment fondamental qu'il ne génère pas de fausses alarmes pouvant entraîner un freinage ou une manoeuvre d'évitement d'urgence, sans cause réelle, en particulier lorsque le véhicule se déplace à grande vitesse. Cela impose une sensibilité et des capacités de discrimination accrues permettant d'appréhender la situation à l'avant du véhicule à grande distance, typiquement supérieure à 200 m. Il peut être également nécessaire de détecter les bords des routes. 3055049 2 Dans ce contexte, la résolution en distance doit être très grande sur les objets fixes, ce qui se traduit par un grand nombre de cases distances pour couvrir la portée du radar et par conséquent des besoins en traitement numérique très importants pour effectuer le traitement en temps réel. Dans le 5 cas d'un radar à formation de faisceaux par le calcul, qui doit traiter simultanément plusieurs directions angulaires, ce besoin se trouve multiplié par le nombre de faisceaux à traiter. Par ailleurs, en ce qui concerne les radars automobiles, le coût du capteur est extrêmement contraint, et les ressources de calcul sont par conséquent 10 limitées. Pour une application automobile, il est donc nécessaire de trouver des solutions pour optimiser l'utilisation des ressources de traitement en fonction du contexte. Un problème technique à résoudre est d'obtenir des capacités de discrimination suffisantes, tout en limitant l'impact sur le volume de 15 traitement. A ce jour le problème n'est pas résolu ou l'est de manière insatisfaisante. Les radars automobiles utilisent des formes d'onde différenciées pour la courte portée et pour la longue portée, les deux modes étant exclusifs. Les formes d'ondes sont essentiellement à modulation de fréquence, dites 20 FMCW, ou combinées à des sauts de fréquence dites alors, FSK FMCW. Les formes d'ondes FMCW peuvent alterner dans le temps des rampes de fréquence différentes soit pour optimiser la bande d'émission selon la portée désirée, soit pour résoudre les problèmes d'ambigüité distance/vitesse inhérentes à ce type de radar. Cela se traduit par une perte de rendement de 25 la forme d'onde puisque les différents motifs d'émission partagent le temps d'intégration du radar. En mode urbain, à vitesse réduite, la résolution distance est privilégiée. Elle est typiquement de moins d'un mètre, ce qui correspond à une bande d'émission « instantanée » importante, typiquement plusieurs centaines de 30 mégahertz. En revanche le domaine distance est faible, et le nombre de cases distance à traiter reste modeste. Sur autoroute, à vitesse élevée, la résolution vitesse est privilégiée, ce qui implique une résolution Doppler importante, typiquement de l'ordre de 25 Hz, 3055049 3 correspondant à une discrimination de 5 cm/sec pour un radar fonctionnant à 76 GHz. Ce dernier cas correspond au fonctionnement en mode ACC dans lequel la séparation des véhicules à l'avant du porteur du radar s'effectue par la 5 vitesse. La résolution distance est relativement faible, typiquement de plusieurs mètres, et ne permet pas une discrimination des obstacles suffisante pour engager de façon automatique un freinage d'urgence à haute vitesse. Là encore, le nombre de cases distance à traiter reste modeste en raison de la faible résolution, même si le domaine distance est plus 10 important. Aucun de ces deux modes de fonctionnement ne permet donc de réaliser une fonction anticollision à vitesse élevée, qui nécessite à la fois une haute résolution distance et une haute résolution vitesse. 15 Un but de l'invention est notamment de résoudre le problème précité. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de détection radar d'une cible mettant en oeuvre une forme d'onde du type FMCW, la forme d'onde à l'émission étant réalisée selon un motif de récurrence de période donnée Tr couvrant une bande de fréquences d'émission de largeur donnée B, chaque 20 motif étant découpé selon un nombre donné P de sous-motifs de durée Tr/P couvrant une bande de fréquence d'excursion AF=B/P, lesdits sous-motifs étant espacés entre eux d'un écart de fréquence égal à AF, ledit procédé effectue au moins : - un premier traitement de compression distance réalisant une 25 compression distance à basse résolution à l'échelle de chaque motif de récurrence à partir d'une fraction B/P de ladite bande d'émission de largeur B, correspondant à la bande de fréquence couverte par chacun desdits sous-motifs ; - un traitement Doppler sur un nombre donné N de récurrences 30 successives de façon à constituer P cartes distance-Doppler ambiguës à basse résolution en distance, lesdites cartes étant segmentées selon au moins deux domaines de vitesse dont l'un correspond aux cibles fixes ; 3055049 4 un deuxième traitement de compression distance à partir desdites cartes distances, dont la résolution est fonction du domaine de vitesses auquel appartient la vitesse attendue de ladite cible. Dans ledit premier traitement ladite compression consiste par exemple, pour 5 chaque sous-motif en une compression distance par démodulation directe du signal émis par le signal reçu, suivie d'une transformée de Fourier sur M/P points selon une démodulation synchrone aboutissant pour chaque motif à la constitution de M/2P cases distances, M/P étant un nombre entier. Ledit traitement Doppler effectue par exemple, sur lesdites N récurrences 10 successives, une transformée de Fourier sur l'axe Doppler pour chacune desdites cases distance et pour chaque sous-motif, aboutissant à la constitution desdites P cartes distance-Doppler, chacune de dimension M/2P cases distances par N cases Doppler. Ladite résolution est par exemple maximum pour les cibles fixes. Ladite 15 vitesse attendue correspondant à une cible fixe, le deuxième traitement effectue par exemple la compression selon la résolution maximum en réalisant l'intégration cohérente desdites P cartes distance-Doppler selon chacun des filtres distances centrés sur lesdits sous-motifs de résolution2B , C étant la célérité de la lumière. Ladite intégration cohérente est par exemple 20 réalisée après compensation des retards et des différences de fréquence entre lesdits sous-motifs. Dans un mode de réalisation possible, ladite vitesse attendue correspondant à une cible mobile, ledit deuxième traitement réalise une intégration cohérente sur l'ensemble desdites cartes distance-Doppler pour donner une 25 nouvelle carte distance-Doppler, ladite intégration cohérente étant réalisée de telle façon qu'une intégration cohérente soit réalisée sur chaque regroupement de cartes distance-Doppler correspondant à des sous-motifs couvrant des bandes de fréquences adjacentes. Dans un mode de réalisation possible, ladite vitesse attendue étant élevée, 30 au dessus d'un seuil donné, le deuxième traitement effectue l'intégration non cohérente d'au moins deux cartes distance-Doppler de même résolution distance. 3055049 5 L'ordre desdits sous-motifs est par exemple modifié d'une rafale d'émission à la suivante. La période Tr dudit motif de récurrence est par exemple ajustée en fonction de la vitesse du porteur dudit radar et de la fréquence d'émission pour 5 respecter la condition de non-ambiguïté Doppler sur les cibles en vitesse de rapprochement maximum. Une formation de faisceaux par le calcul étant réalisée en réception sur chacune desdites cartes distance-Doppler à basse résolution en distance, le deuxième traitement est par exemple réalisé pour chaque faisceau. 10 Dans un mode de mise en oeuvre particulier, ladite résolution en distance est fonction de la direction du faisceau en réception. La mesure de distance est par exemple levée par la mesure de la fréquence Doppler. L'invention concerne également un radar de type FMCW apte à mettre en 15 oeuvre un tel procédé. Ce radar étant par exemple apte à équiper un véhicule automobile. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit, faite en regard de dessins annexés qui représentent : 20 La figure 1, une forme d'onde radar de type FMCW utilisée dans l'art antérieur ; La figure 2, une forme d'onde radar de type FMCW selon l'invention ; La figure 3, une forme d'onde radar de type FMCW selon l'invention où les sous-motifs sont présentés dans un ordre différent ; 25 La figure 4, deux rafales d'émission radar successives d'une onde selon l'invention ; La figure 5, une illustration des filtres distances associés aux sous-motifs d'une onde selon l'invention ; La figure 6, une onde radar selon l'invention où les sous-motifs sont 30 rangés dans un ordre particulier ; La figure 7, un exemple de décomposition de cartes distance-Doppler selon des domaines de vitesse. 3055049 6 La figure 1 rappelle l'art antérieur. Plus particulièrement, elle illustre la modulation de la fréquence émise, cette modulation étant du type FMCW. On considère d'une façon générale un radar automobile monté sur un 5 véhicule, dont le faisceau est orienté vers l'avant de celui-ci. Ce radar met en oeuvre une forme d'onde modulée linéairement en fréquence selon le principe FMCW, bien connu de l'homme de l'art, conformément à la figure 1. Un premier traitement est effectué sur le temps court, à l'échelle de la récurrence 10 de durée Tr, visant à séparer les signaux reçus par une 10 démodulation directe suivie d'une numérisation des signaux et d'une FFT sur P points, correspondant à la durée de la rampe 1 de fréquence. Cette opération réalise une compression sur l'axe distance. En sortie de ce traitement, les signaux se répartissent dans P/2 cases distances ambiguës, la fréquence de battement fb d'un signal reçu à la distance D et de Doppler 15 Fd s'écrivant : 2BD F d CT Où: B est la bande de fréquence émise ; C est la vitesse de la lumière ; 20 D est la distance de la cible ; T est la durée de la rampe de fréquence ; Fd est la fréquence Doppler. La fréquence distance est donnée par : 25 2BD fdist CT et la résolution distance AD est déterminée, selon la relation classique, par: C AD = D3 Par ailleurs la fréquence Doppler Fd est donnée par la relation Fd = fb = (1) (2) 3055049 7 où V, est la vitesse radiale de la cible et À est la longueur d'onde du signal d'émission. A la suite de ce traitement « temps court », on effectue un deuxième traitement « temps long », consistant pour chaque case distance ambiguë, à 5 réaliser une deuxième FFT (ou DFT) sur N points, correspondant à la durée NT, d'une rafale Doppler 20. En sortie de ce traitement, on obtient ainsi une carte distance-vitesse (ou distance-Doppler) comprenant pour P/2 cases distance ambiguës, N filtres vitesse non ambigus. Pour chaque cellule de la carte distance-vitesse 10 ambiguë ayant donné lieu à une détection, l'estimation de la fréquence Doppler non ambiguë Fd permet à partir de l'équation (1), de déduire de façon non ambiguë la fréquence distance de chacun des signaux détectés par : fdist = Fd 15 La résolution Doppler AFd est donnée par dFd = , où N est le nombre de récurrences dans la rafale Doppler. On utilisera indifféremment par la suite le terme distance-Doppler ou distance-vitesse, ces deux termes étant équivalent du fait que la mesure 20 Doppler correspond à une mesure de vitesse. Dans un tel radar, le traitement nécessite N transformées de Fourier rapide (FFT) sur P points pour la compression distance et P/2 FFT sur N points pour la compression Doppler, ce qui implique des moyens de traitements importants. 25 Par exemple, pour une distance de détection maximum de 384 mètres et une résolution distance de 1,5 mètre, P=512. Si l'on impose qu'il n'existe pas d'ambiguïté Doppler, pour une vitesse maximum Vrmax de 130 km/h, soit 36 m/sec, et une longueur d'onde À de 3,9 mm, la durée maximum de la récurrence est dans ce cas Tr = 27 psec. 3055049 En considérant une durée de rafale Doppler typiquement de l'ordre de 40 ms et en choisissant un nombre de récurrence N en puissance de 2, on aboutit à N=2048 pour une durée de récurrence Tr=19,5 psec. Il est donc nécessaire d'effectuer 2048 FFT sur 512 points et 256 FFT de 5 2048 points, pour chaque voie de réception du radar, pendant la durée de la rafale Doppler, soit 40 ms, le traitement devant être effectué en temps réel. Pour un radar à formation de faisceaux par le calcul comprenant Q faisceaux, il est nécessaire pour chaque élément de la carte distance-vitesse de dimension P/2xN, d'effectuer en plus une compression angulaire par une 10 FFT sur Q points. Le volume de calcul à réaliser en temps réel est ainsi très important vis-à-vis des ressources technologiques disponibles, en particulier si on veut utiliser des moyens de traitement bas coût. La figure 2 illustre le traitement effectué par le procédé selon l'invention. Pour 15 effectuer le traitement, on part d'une forme d'onde à l'émission, du type FMCW, avec des sous-motifs tels qu'illustrés par la figure 2. Plus précisément, on réalise une forme d'onde à l'émission selon un motif de période de récurrence Tr, chaque motif étant constitué de P sous-motifs 21, 22, 23, 24 de durée Tr/P correspondant à une rampe de fréquence 20 d'excursion AF=B/P, les motifs étant espacés entre eux d'un écart en fréquence AF, l'ensemble couvrant ainsi la bande totale B. Dans l'exemple de la figure 2, P = 4. Ayant posé le principe du découpage du motif de récurrence en P sous-motifs, avant d'engager le traitement radar, on effectue le choix de la forme 25 d'onde FMCW en fonction de la vitesse du porteur du radar et de la situation de la circulation. Puis dans une deuxième étape, on détermine la résolution distance maximum du radar. Au préalable, la fréquence de récurrence du radar est donc choisie en 30 fonction de la vitesse du porteur pour garantir la non ambiguïté Doppler pour les cibles d'intérêt ayant la vitesse de rapprochement maximum. Sur autoroute, typiquement, cette vitesse maximum correspond à la vitesse du porteur ou encore à la vitesse de rapprochement des obstacles fixes, 3055049 9 typiquement 130 km/heure en France. On peut bien sûr considérer une autre valeur de vitesse maximum. Sur route, cette vitesse correspond à la vitesse maximum relative de deux véhicules face à face, typiquement 180 km/heure en France. D'autres 5 valeurs de vitesse sont bien sûr possibles. Ainsi, on détermine la valeur maximum de la période de répétition de la forme d'onde de façon à respecter le critère de Nyquist pour la vitesse relative maximum, ce qui correspond à la relation : À Tr REVENDICATIONS1. Procédé de détection radar d'une cible mettant en oeuvre une forme d'onde du type FMCW, caractérisé en ce que la forme d'onde à l'émission 5 étant réalisée selon un motif de récurrence (10) de période donnée Tr couvrant une bande de fréquences d'émission de largeur donnée B, chaque motif étant découpé selon un nombre donné P de sous-motifs (21, 22, 23, 24) de durée Tr/P couvrant une bande de fréquence d'excursion AF=B/P, lesdits sous-motifs étant espacés entre eux d'un écart de fréquence égal 10 à AF, ledit procédé effectue au moins : un premier traitement de compression distance réalisant une compression distance à basse résolution à l'échelle de chaque motif de récurrence (10) à partir d'une fraction B/P de ladite bande d'émission de largeur B, correspondant à la bande de fréquence 15 couverte par chacun desdits sous-motifs (21, 22, 23, 24) ; un traitement Doppler sur un nombre donné N de récurrences successives de façon à constituer P cartes distance-Doppler ambiguës à basse résolution en distance, lesdites cartes étant segmentées selon au moins deux domaines de vitesse (71, 72, 73, 20 74, 75) dont l'un correspond aux cibles fixes ; un deuxième traitement de compression distance à partir desdites cartes distances, dont la résolution est fonction du domaine de vitesses (71, 72, 73, 74, 75) auquel appartient la vitesse attendue de ladite cible. 25 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans ledit premier traitement ladite compression consiste, pour chaque sous-motif (21, 22, 23, 24) en une compression distance par démodulation directe du signal émis par le signal reçu, suivie d'une transformée de Fourier sur M/P points selon 30 une démodulation synchrone aboutissant pour chaque motif à la constitution de M/2P cases distances, M/P étant un nombre entier. 3055049 27 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit traitement Doppler effectue, sur lesdites N récurrences successives, une transformée de Fourier sur l'axe Doppler pour chacune desdites cases distance et pour chaque sous-motif, aboutissant à la constitution desdites P cartes distance- Doppler, chacune de dimension M/2P cases distances par N cases Doppler. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite résolution est maximum pour les cibles fixes. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que, ladite vitesse attendue correspondant à une cible fixe, le deuxième traitement effectue la compression selon la résolution maximum en réalisant l'intégration cohérente desdites P cartes distance-Doppler selon chacun des filtres distances (531, 532, 533, 534) centrés sur lesdits sous-motifs (21, 22, 23, 24) de résolution -2B , C étant la célérité de la lumière. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite intégration cohérente est réalisée après compensation des retards et des différences de fréquence entre lesdits sous-motifs. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, ladite vitesse attendue correspondant à une cible mobile, ledit deuxième traitement réalise une intégration cohérente sur l'ensemble desdites cartes distance-Doppler pour donner une nouvelle carte distance-Doppler, ladite intégration cohérente étant réalisée de telle façon qu'une intégration cohérente soit réalisée sur chaque regroupement de cartes distance-Doppler correspondant à des sous-motifs (21, 22, 23, 24) couvrant des bandes de fréquences adjacentes. 3055049 28 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, ladite vitesse attendue étant élevée, le deuxième traitement effectue l'intégration non cohérente d'au moins deux cartes distance-Doppler de même résolution distance. 5 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ordre desdits sous-motifs (21, 22, 23, 24) est modifié d'une rafale d'émission (41) à la suivante (42). 10 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la période Tr dudit motif de récurrence (10) est ajustée en fonction de la vitesse du porteur dudit radar et de la fréquence d'émission pour respecter la condition de non-ambiguïté Doppler sur les cibles en vitesse de rapprochement maximum. 15 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une formation de faisceaux par le calcul étant réalisée en réception sur chacune desdites cartes distance-Doppler à basse résolution en distance, le deuxième traitement est réalisé pour chaque 20 faisceau. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite résolution en distance est fonction de la direction du faisceau en réception. 25 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ambiguïté sur la mesure de distance est levée par la mesure de la fréquence Doppler. 3055049 29 14. Radar de type FMCW, caractérisé en ce qu'il est apte à mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 15. Radar selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il est apte à équiper 5 un véhicule automobile. 16. Radar selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour une fonction d'anticollision. 10