Brevet FR3054888A1 — publié le 20180209

PROCEDE DE MESURE DE LA HAUTEUR D'UNE CIBLE PAR RAPPORT AU SOL PAR UN RADAR EN MOUVEMENT, ET RADAR METTANT EN OEUVRE UN TEL PROCEDE La présente invention concerne un procédé de mesure de la hauteur d'une cible par rapport au sol par un radar en mouvement, notamment par un radar équipant une automobile. Elle concerne également un radar mettant en oeuvre un tel procédé. L'invention s'applique notamment dans le domaine des radars pour véhicules 10 automobiles, par exemple pour détecter des hauteurs de tabliers de ponts. 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 15 (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 20 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 25 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. 30 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 3054888 2 véhicule à grande distance, typiquement supérieure à 200 m, avec en particulier la capacité à estimer la hauteur des objets détectés pour les différencier. Une configuration particulièrement délicate est celle de la détection des 5 tabliers de pont à l'avant des véhicules, qui ne doivent pas être confondus avec des véhicules arrêtés sur les voies de circulation. Par ailleurs, pour permettre l'intégration sur les véhicules, les dimensions de l'antenne radar doivent être inférieures typiquement à 10 cm en horizontal par 10 cm en vertical. Cette condition limite d'emblée la résolution angulaire à une valeur de l'ordre de 2,5 ° pour un radar fonctionnant à 76 GHz, ce qui est insuffisant pour estimer la hauteur des objets fixes à grande distance. Un problème technique à résoudre est d'obtenir des capacités de discrimination en élévation suffisantes pour traiter les situations complexes comme la détection des ponts à grande distance, malgré les dimensions réduites de l'antenne. Actuellement, ce problème n'est pas résolu. Des solutions prévoient de doter les radars de nouvelle génération d'au moins deux voies de réception dans le plan vertical dans le but d'obtenir une capacité de mesure de la hauteur des objets détectés par un traitement de type écartométrie angulaire. Cependant, cette technique ne présente pas une discrimination suffisante pour estimer la hauteur des obstacles à longue distance, en raison des dimensions contraintes de l'antenne. De plus, elle n'est pas très bien adaptée à la mesure de la hauteur d'objets étendus dans le plan vertical et la mesure peut être perturbée par les réflexions sur le sol. Des traitements adaptatifs à haute résolution peuvent être mis en oeuvre pour améliorer le pouvoir séparateur naturel de l'antenne mais ces traitements ne sont pas efficaces en présence de réflexions sur le sol, du fait de la cohérence des signaux directs et réfléchis. Un but de l'invention est notamment de résoudre le problème précité. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de mesure de la hauteur d'une cible par rapport au sol par un radar en mouvement émettant un signal de détection vers ladite cible, ledit radar étant équipé d'un réseau antennaire d'émission et d'un réseau antennaire de réception, la mesure de ladite hauteur h2 étant obtenue par l'estimation de la fréquence d'au moins une 3054888 3 modulation d'amplitude fonction du temps produite sur ledit réseau antennaire de réception, ladite modulation étant générée par l'interférence des signaux reçus directement de ladite cible et des signaux reçus après réflexion sur le sol, à partir des signaux émis par ledit réseau antennaire 5 d'émission. La mesure de ladite hauteur h2 de cible est par exemple obtenue, pour une modulation fonction du temps donnée, selon la relation suivante : h2 -= hi V h2 étant ladite hauteur estimée ; f étant la fréquence estimée de ladite modulation d'amplitude fonction du 10 temps ; h1 étant ladite même hauteur ; do étant la distance dudit radar à la cible ; V étant la vitesse de rapprochement dudit radar vers la cible ; À étant la longueur d'onde dudit radar. 15 Dans un mode de mise en oeuvre possible, ledit réseau antennaire de réception étant composé d'un ou plusieurs sous-réseaux de réception et ledit réseau antennaire d'émission étant composé d'un ou plusieurs sous-réseaux de réception, chaque signal émis par un sous-réseau d'émission générant une modulation d'amplitude fonction du temps sur chaque sous-réseau de 20 réception, une mesure de ladite hauteur h2 de cible est effectuée par l'estimation de la fréquence de la modulation d'amplitude fonction du temps produite sur un sous-réseau de réception par un sous-réseau d'émission situé à la même hauteur. L'estimation (f) de la fréquence de modulation est par exemple effectuée à 25 l'aide d'une fonction de corrélation adaptée à deux dimensions, prenant en compte la fréquence et la phase à l'origine de ladite modulation, l'estimation de la fréquence étant égale à la fréquence fk du couple fréquence-phase (fi, çok) donnant le maximum de corrélation. /Mo 2, 3054888 4 Dans un mode de mise en oeuvre possible, ledit réseau antennaire de réception étant composé d'un ou plusieurs sous-réseaux de réception et ledit réseau antennaire d'émission étant composé d'un ou plusieurs sous-réseaux de réception, chaque signal émis par un sous-réseau d'émission générant 5 une modulation d'amplitude fonction du temps sur chaque sous-réseau de réception, une mesure de ladite hauteur h2 de cible est effectuée par l'estimation de fréquence de la modulation d'amplitude fonction du temps produite sur un sous-réseau de réception par un sous-réseau d'émission situé à une hauteur différente, ladite modulation étant le produit d'une 10 modulation correspondant au trajet aller et d'une modulation correspondant au trajet retour de l'onde émise par ledit sous-réseau d'émission, une mesure de ladite hauteur étant l'estimation re de la fréquence de modulation due au trajet aller ou de l'estimation f, de la fréquence de modulation due au trajet retour. Ladite mesure est par exemple prise égale à une combinaison de 15 l'estimation re de la fréquence de modulation due au trajet aller et de l'estimation Ti. de la fréquence de modulation due au trajet retour, cette combinaison effectue par exemple la moyenne des deux estimations re et L'estimation desdites fréquences de modulation, dues au trajet aller et au trajet retour, est par exemple effectuée à l'aide d'une fonction de corrélation 20 prenant en compte la fréquence de modulation due au trajet aller et la fréquence de modulation due au trajet retour, lesdites fréquences estimées re f.;. étant celles donnant le maximum de corrélation. Ladite estimation de fréquence avec laquelle ladite mesure de hauteur est par exemple obtenue est une combinaison des estimations de fréquences de 25 modulation d'amplitudes fonction du temps obtenues pour différents couples de sous-réseaux d'émission et de réception. Dans un mode de mise en oeuvre possible, ledit réseau antennaire de réception comportant plusieurs sous-réseaux de réception, chaque sous-réseau de réception recevant au moins un signal d'interférence issu d'un 30 signal émis par ledit réseau antennaire d'émission, ledit signal d'interférence étant modulé en amplitude en fonction du temps : - on capte l'allure d'au moins une modulation d'amplitude spatiale produite sur ledit réseau antennaire de réception à un instant donné ; 3054888 5 - on calcule une estimation f de la fréquence de modulation d'amplitude en fonction du temps au moyen d'une fonction de corrélation spatio-temporelle prenant en compte la fréquence de modulation d'amplitude en fonction du temps et la fréquence de ladite au moins modulation d'amplitude spatiale, la 5 fréquence fk correspondant au maximum de corrélation de ladite corrélation spatio-temporelle étant la fréquence f estimée, la mesure de ladite hauteur de cible étant calculée à partir de cette fréquence estimée. Dans un mode de mise en oeuvre possible, ledit réseau antennaire d'émission comportant plusieurs sous-réseaux d'émission, on capte l'allure 10 de la modulation d'amplitude spatiale produite sur ledit réseau antennaire de réception correspondant à chaque signal émis par un sous-réseau d'émission, on calcule pour chaque signal émis une estimation f de la fréquence de modulation d'amplitude en fonction du temps au moyen d'une fonction de corrélation spatio-temporelle prenant en compte la fréquence de 15 modulation d'amplitude en fonction du temps et la fréquence de ladite au moins modulation d'amplitude spatiale, la fréquence fi, correspondant au maximum de corrélation de ladite corrélation spatio-temporelle étant la fréquence f estimée de la modulation d'amplitude fonction du temps générée par ledit signal émis, une mesure de ladite hauteur (h2) de cible 20 étant calculée à partir d'au moins une fréquence estimée correspondant à un signal émis parmi lesdits sous-réseaux d'émission. La mesure de ladite hauteur h2 de cible est par exemple une combinaison des mesures de hauteur correspondant à chaque signal émis, cette combinaison étant par exemple une moyenne. 25 L'invention a également pour objet un radar apte à mettre en oeuvre un procédé tel que décrit précédemment, un tel radar pouvant avantageusement équiper un véhicule automobile. 30 D'autres caractéristiques et avantage de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit, faite en regard de dessins annexés qui représentent : - La figure 1, une illustration d'un véhicule équipé d'un radar se dirigeant vers un pont dont la hauteur est à estimer ; 3054888 6 La figure 2, la modulation d'amplitude théorique du signal reçu en fonction de la distance d du radar à l'obstacle à venir ; - La figure 3, par une vue de face, une antenne de réception et une antenne d'émission placées à une même hauteur h1 par rapport au 5 sol ; La figure 4, l'allure théorique de la fonction de modulation en fonction du temps pour deux hauteurs différentes du sous-réseau de réception du radar ; La figure 5, par une vue de face, un exemple d'architecture d'antenne 10 d'un radar selon l'invention avec trois couples des sous-réseaux d'émission et de réception s'étendant dans le sens de la hauteur ; La figure 6, par une vue de face, une antenne de réception et une antenne d'émission placées à des hauteurs différentes par rapport au sol 15 La figure 7, une configuration d'antenne du type de celle de la figure 5 avec des réseaux antennaires d'émission et de réception, mais avec des hauteurs de sous-réseaux différentes en émission et en réception ; La figure 8, l'allure de la fonction de modulation spatiale sur le réseau 20 antennaire de réception composé de sous-réseaux de réception espacés régulièrement ; La figure 9, l'allure théorique des modulations temporelles observées au cours du temps dans le cas de sous-réseaux de réception espacés régulièrement. 25 La figure 1 présente un véhicule 1, équipé d'un radar 2, se dirigeant vers un pont dont le tablier 3 est représenté. On considère d'une façon générale un radar automobile 2 monté sur un véhicule dont le faisceau est orienté vers l'avant de celui-ci. 30 Sur un véhicule de tourisme, ce radar est généralement installé au niveau de la calandre, derrière le logo de la marque, à une hauteur hl de l'ordre de 40 centimètres par rapport à la chaussée. Un objet fixe, éclairé par le faisceau du radar et situé à une hauteur h2 par rapport à la route, génère par réflexion un signal composite au niveau du radar, résultant du trajet direct 4 35 et du trajet réfléchi 5, 5' de l'onde électromagnétique sur le sol. Ceci est vrai 3054888 7 pour le trajet aller et pour le trajet retour. Il s'ensuit une modulation de l'amplitude du signal reçu sur l'antenne radar en fonction de la distance de la cible d, de la hauteur du radar h1, et de la hauteur de la cible h2. Ce phénomène est bien connu de l'homme de l'art. Il est décrit par exemple par 5 Daricau (chapitre 11 §3.1). La figure 1 en donne une illustration appliquée au radar automobile, dans le cas d'un objet isolé du sol, comme le tablier de pont 3. L'image 3' du pont est également représentée, cette image symétrique par rapport à la surface 10 de la chaussée renvoie fictivement le rayon réfléchi 5' par la chaussée et 10 reçu par le radar. Une autre configuration est possible, correspondant à une structure continue verticale posée sur le sol, comme par exemple un véhicule, un panneau de signalisation, ou un pilier de pont. Dans ce cas, c'est la position du barycentre des points brillants ou la position de la surface équivalente radar 15 (SER) moyenne qui détermine la hauteur apparente de l'objet. L'invention s'applique également pour ces configurations, fournissant alors la hauteur apparente de l'objet, et non la hauteur vraie. Ainsi, pour un émetteur et un récepteur radar situés tous les deux à la hauteur h1, le coefficient de modulation aller-retour peut s'écrire : 20 12(e) = (1 + p2 + 2pcos (4n-hisine + (P))2 (A) Où: e est l'angle d'élévation de la cible par rapport au sol au pied du radar ; 25 À est la longueur d'onde ; p est l'amplitude du coefficient de réflexion ; cp est la phase du coefficient de réflexion, c'est-à-dire le déphasage induit par la réflexion. En notant h2 la hauteur apparente et d la distance de l'objet cible, pour les 30 petits angles, on obtient également : h2 sine) = -d 3054888 8 Pour les petits angles e, par exemple e REVENDICATIONS1. Procédé de mesure de la hauteur d'une cible par rapport au sol par un radar en mouvement émettant un signal de détection vers ladite cible, ledit radar étant équipé d'un réseau antennaire d'émission (32, 502, 62, 702) et d'un réseau antennaire de réception (31, 501, 61, 701), caractérisé en ce que la mesure de ladite hauteur (h2) est obtenue par l'estimation de la fréquence d'au moins une modulation d'amplitude fonction du temps (41, 42, 10 91, 92, 93, 94, 95) produite sur ledit réseau antennaire de réception, ladite modulation étant générée par l'interférence des signaux reçus directement (4) de ladite cible et des signaux reçus après réflexion (5) sur le sol, à partir des signaux émis par ledit réseau antennaire d'émission. 15 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mesure de ladite hauteur (h2) de cible est obtenue, pour une modulation fonction du temps donnée, selon la relation suivante : il.do 2f h, = hlv h2 étant ladite hauteur estimée ; f étant la fréquence estimée de ladite modulation d'amplitude fonction du 20 temps ; h1 étant ladite même hauteur ; do étant la distance dudit radar à la cible ; V étant la vitesse de rapprochement dudit radar vers la cible ; étant la longueur d'onde dudit radar. 25 3054888 25 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit réseau antennaire de réception (501) étant composé d'un ou plusieurs sous-réseaux de réception (31, 501', 61, 701') et ledit réseau antennaire d'émission (502) étant composé d'un ou plusieurs sous-réseaux de réception (32, 502', 62, 702'), chaque signal émis par un sous-réseau d'émission générant une modulation d'amplitude fonction du temps sur chaque sous-réseau de réception, une mesure de ladite hauteur (h2) de cible est effectuée par l'estimation de la fréquence de la modulation d'amplitude fonction du temps produite sur un sous-réseau de réception (31) par un sous-réseau d'émission situé à la même hauteur (32, 51, 52, 53). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'estimation (f) de la fréquence de modulation est effectuée à l'aide d'une fonction de corrélation adaptée à deux dimensions, prenant en compte la fréquence et la phase à l'origine de ladite modulation, l'estimation de la fréquence étant égale à la fréquence fk du couple fréquence-phase (fi, çok) donnant le maximum de corrélation. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit réseau antennaire de réception (501) étant composé d'un ou plusieurs sous-réseaux de réception (31, 501', 61, 701') et ledit réseau antennaire d'émission (502) étant composé d'un ou plusieurs sous-réseaux de réception (32, 502', 62, 702'), chaque signal émis par un sous-réseau d'émission générant une modulation d'amplitude fonction du temps sur chaque sous-réseau de réception, une mesure de ladite hauteur (h2) de cible est effectuée par l'estimation de fréquence de la modulation d'amplitude fonction du temps produite sur un sous-réseau de réception (61) par un sous-réseau d'émission situé à une hauteur différente (62, 71, 72, 73), ladite modulation étant le produit d'une modulation correspondant au trajet aller et d'une modulation correspondant au trajet retour de l'onde émise par ledit sous-réseau d'émission, une mesure de ladite hauteur étant l'estimation Te de la fréquence de modulation due au trajet aller ou de l'estimation Ti. de la fréquence de modulation due au trajet retour. 3054888 26 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite mesure est prise égale à une combinaison de l'estimation fe de la fréquence de modulation due au trajet aller et de l'estimation ri. de la fréquence de modulation due au trajet retour. 5 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite combinaison effectue la moyenne des deux estimations Te et fr. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en 10 ce que l'estimation desdites fréquences de modulation, dues au trajet aller et au trajet retour, est effectuée à l'aide d'une fonction de corrélation prenant en compte la fréquence de modulation due au trajet aller et la fréquence de modulation due au trajet retour, lesdites fréquences estimées Te, -fi. étant celles donnant le maximum de corrélation. 15 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite estimation de fréquence avec laquelle ladite mesure de hauteur est obtenue est une combinaison des estimations de fréquences de modulation d'amplitudes fonction du temps obtenues pour différents couples 20 de sous-réseaux d'émission et de réception (51, 52, 53, 71, 72, 73). 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit réseau antennaire de réception (501) comportant plusieurs sous-réseaux de réception, chaque sous-réseau de réception 25 recevant au moins un signal d'interférence issu d'un signal émis par ledit réseau antennaire d'émission (502), ledit signal d'interférence étant modulé en amplitude en fonction du temps : - on capte l'allure d'au moins une modulation d'amplitude spatiale (81) produite sur ledit réseau antennaire de réception à un instant donné (90) ; 3054888 27 - on calcule une estimation f de la fréquence de modulation d'amplitude en fonction du temps au moyen d'une fonction de corrélation spatio-temporelle prenant en compte la fréquence de modulation d'amplitude en fonction du temps et la fréquence de ladite au moins modulation d'amplitude spatiale, la 5 fréquence fk correspondant au maximum de corrélation de ladite corrélation spatio-temporelle étant la fréquence f estimée, la mesure de ladite hauteur de cible étant calculée à partir de cette fréquence estimée. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit réseau 10 antennaire d'émission (502) comportant plusieurs sous-réseaux d'émission, on capte l'allure de la modulation d'amplitude spatiale produite sur ledit réseau antennaire de réception correspondant à chaque signal émis par un sous-réseau d'émission, on calcule pour chaque signal émis une estimation f de la fréquence de modulation d'amplitude en fonction du temps au moyen 15 d'une fonction de corrélation spatio-temporelle prenant en compte la fréquence de modulation d'amplitude en fonction du temps et la fréquence de ladite au moins modulation d'amplitude spatiale, la fréquence fk correspondant au maximum de corrélation de ladite corrélation spatio-temporelle étant la fréquence f estimée de la modulation d'amplitude 20 fonction du temps générée par ledit signal émis, une mesure de ladite hauteur (h2) de cible étant calculée à partir d'au moins une fréquence estimée correspondant à un signal émis parmi lesdits sous-réseaux d'émission. 25 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la mesure de ladite hauteur (h2) de cible est une combinaison des mesures de hauteur correspondant à chaque signal émis. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite 30 combinaison est une moyenne. 3054888 28 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite cible est un tablier de pont. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé 5 en ce que ladite hauteur (h2) de cible correspond à la hauteur apparente du point brillant moyen d'un objet continu posé sur le sol. 16. Radar, caractérisé en ce qu'il est apte à mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 17. Radar selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il est apte à équiper un véhicule automobile. 10