Dispositif pour la mesure de distances et le repérage au moyen d'ondes radioélectriques.
Cette invention se rapporte à un dispositif pour la mesure de distances et le repérage au moyen d'ondes radioélectriques, tel que ceux couramment dénommés Radar , et a pour but de fournir un tel dispositif perfectionné, fonctionnant en ondes entretenues et non avec des impulsions, et capable de fournir des indications de distance très précises.
Les dispositifs Radar qui ont été utilisés sur une grande échelle durant la guerre mondiale de 1939 à 1945 étaient du type Radar à impulsions. Dans un système Radar à im- pulsions un émetteur émet, à une fréquence. de répétition déterminée, une série d'impulsions approximativement rectangulaires, d'énergie fixe, à très haute fréquence.
Après réflexion par un avion ou par un autre objet réfléchissant les ondes électromagnétiques, ces impulsions sont relues par un récepteur convenable et la distance de l'objet est déterminée par l'observation, au moyen d un tube à rayons cathodiques et de circuits associés prévus à cet effet, du temps mis par l'impulsion pour parcourir la distance séparant l'antenne d'émission de l'objet réfléchissant et pour revenir de ce dernier à l'antenne de réception (habituellement la même antenne que celle employée pour l'émission). Un dispositif Radar à impulsions exige toutefois l'emploi d'un récepteur à large bande de réception et ceci implique que le récepteur est sensible à une quantité considérable de bruits qui seraient éliminés par un récepteur à bande de réception étroite.
De plus, la production, l'émission et la réception d'impulsions impliquent de nombreuses difficultés techniques et eondui- sent à des circuits complexes et à des appareils coûteux ainsi qu'à la limitation de la puissance moyenne qui peut être employée à une valeur bien inférieure à celle possible, en d'autres circonstances, en ondes entretenues.
Pour les raisons précédentes et pour d'autres encore, la mise au point d'un dispositif
Radar fonctionnant en ondes entretenues et non avec des impulsions, et capable de donner des résultats pratiques comparables à ceux des meilleurs dispositifs de Radar par impulsions, présente un grand intérêt.
Dans des dispositifs de Radar connus, on émet une onde entretenue dont on fait varier la fréquence d'une façon déterminée, à l'intérieur d'une gamme de fréquences déterminée. Pendant l'intervalle de temps que l'onde met pour parcourir la distance séparant l'émetteur du but et pour revenir au récepteur, la fréquence émise passe d'une valeur donnée à une deuxième valeur différente. A l'instant où un signal émis est reçu, l'émetteur émet un signal de fréquence différente et la différence entre ces deux fré quenees sert à déterminer la distance du but.
Le récepteur est prévu pour recevoir directement le signal transmis, en plus du signal réfléchi. Ces deux signaux reçus sinuiltané- ment produisent des battements dont la fréquence dépend de la distance du but. La mesure de cette fréquence permet donc de déterminer cette distance.
Le dispositif pour la mesure de distances et le repérage au moyen d'ondes radioélectriques, objet de l'invention, comprend une source d'ondes entretenues modulées en fréquence, un récepteur destiné à recevoir simultanément un signal réfléchi par un objet dont la position doit être déterminée et un signal directement fourni par ladite source, et combinant ces signaux pour produire des battements, des moyens sélecteurs de fréquence destinées à sélectionner des battements d'une fréquence déterminée parmi les battements ainsi produits et des moyens servant à produire une variation relative périodique de la fréquence des battements sélectionnés et du taux de la modulation de la fréquence de l'onde émise, la distance dudit objet étant déterminée par le rapport entre la vitesse de la variation de la fréquence de l'onde émise et la fréquence des battements sélectionnés.
Dans un tel dispositif, la variation du taux de changement de la fréquence de l'onde émise, ou la variation de la fréquence des battements sélectionnés, ou des deux, sont faites à une vitesse qui est relativement faible par rapport au temps de parcours aller et retour le plus long qui doive être mesuré, de façon que le taux de changement de la fréquence émise' ou la fréquence des battements sélectionnés (selon le cas) peuvent être considérés comme sensiblement constant durant ledit temps de parcours.
Dans le dispositif, objet de l'invention, des moyens sont prévus pour faire varier périodiquement l'onde entretenue émise, la période de cette variation étant du même ordre de grandeur qu'une fraction entière, y compris l'unité du temps que met cette onde pour parcourir la distance séparant ladite source d'un objet se trouvant dans le champ d'opération du dispositif et pour revenir au récepteur.
Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, se rapporte à une forme d'exécution du dispositif selon l'invention.
Les fig. 1 et 2 sont des graphiques explicatifs, et
la fig. 3 représente cette forme dexécu- tion.
Dans la forme d'exécution représentée en fig. 3, la fréquence des battements sélectionnés à la sortie du récepteur est invariable, et la fréquence de l'émetteur est sujette à des variations produites par un signal de commande de forme triangulaire, modulé en amplitude par un signal en forme de dents de scie de fréquence beaucoup plus basse.
Dans la fig. 1, la ligne droite T-F est une portion, reproduite à grande échelle, d'un signal triangulaire de modulation et représente donc la fréquence émise F en fonction du temps t pendant une portion montante du signal de modulation. Les ordonnées peuvent aussi, bien entendu, représenter la fréquence du signal réfléchi reçu. La fréquence de l'onde émise est aussi soumise à une variation produite par un signal de mesure FR dont la période est du même ordre de grandeur que le temps de parcours aller et retour du signal émis, réfléchi par un objet se trouvant dans le champ d'opération du dispositif. Ce signal de mesure est représenté par une sinusoïde bien que ceci ne soit pas obligatoire et que d'autres formes de signal, par exemple triangulaires, puissent être em- ployées.
Le résultat de la variation combinée est la courbe R-T-F, une courbe sinusoïdale dont la valeur moyenne est la droite T-F. Considérons ce qui se passe maintenant si la période du signal de mesure est exactement égale audit temps de parcours aller et retour jusqu'à un but. La fréquence d'un tel signal réfléchi, retardé d'exactement une période du signal de mesure, est représentée par la courbe E-R-T-F et il est évident que la fréquence des battements FB est constante, sa valeur dépendant de la pente de la courbe T-F. Cette fréquence dépend donc de df comme si aucun signal de mesure n'était dt présent.
Cet état de ehoses est représenté par la ligne horizontale E-F-B de la fig. 2 dans laquelle la fréquence des battements pro duits, égale à (RTF-ERTF) est tracée en fonction du temps t. Cette fréquence de battements constante tombe au milieu de la bande passante du récepteur dont les limites supérieure et inférieure sont indiquées par les courts traits horizontaux PB1 et PB2.
Si toutefois le temps de parcours n'est pas exactement égal à la période du signal de mesure, la courbe représentant la fréquence du signal réfléchi en fonction du temps est alors représentée, par exemple, par la ligne mixte E-R-T-Fl de la fig. 1 qui représente la fréquence d'un signal réfléchi provenant d'un but pour lequel le temps de parcours aller et retour est un peu inférieur à te. S'il n'y avait pas de signal de mesure, un tel but produirait des battements dont la fréquence tomberait à l'intérieur de la bande de réception du récepteur. Le résultat du signal de mesure est de faire varier la fréquence des battements, la courbe représentant la fréquence des battements en fonction du temps est la courbe E-F-Bl de la fig. 2.
Grâce au signa] de mesure, on peut donc différentier des buts très rapprochés les uns des autres et, en déterminant la distance en fonction de la fréquence du signal de mesure, il est facilement possible de la traduire en mètres. Un des principaux avantages du dispositif est que, grâce à son emploi, on peut représenter clairement un but repéré sur l'écran d'un tube à rayons cathodiques, la soudure de traits ou de points représentant différents buts étant éliminée dans une large mesure.
On comprendra que des battements de fréquence constante sont aussi produits lorsque le temps de parcours est un multiple
exact de la période du signal de mesure. Ceci ne peut toutefois donner lieu à des indica
tions ambiguës puisque le manque de concor
dance entre la distance indiquée sur l'écran
et celle indiquée par la fréquence du signal
de mesure indiquera immédiatement que la
distance est un multiple de celle indiquée par
la fréquence de ce signal. Si la distance ap
proximative est obtenue par l'observation de
l'écran et qu'alors la fréquence du signal de mesure est réglée autour de la position fon damentale correspondante, cette double indication est évitée.
L'appareillage nécessaire pour l'adjonction du signal de mesure est peu important et consiste en fait, dans le cas le plus simple, en un oscillateur de fréquence réglable. Un oscillateur à résistance-capacité est très commode parce que son étalonnage en distances peut facilement être rendu linéaire lorsqu'on utilise des condensateurs variables comme organes de réglage de la fréquence et qu'il peut être facilement stabilisé, de sorte que l'étalonnage reste précis pendant de longues périodes, dans des conditions do travail normales.
La fig. 3 est un schéma simplifié d'une forme d'exécution du dispositif selon l'invention, adaptée pour l'indication en coordonnées polaires sur un plan de position. Dans cette figure, une antenne commune de réception et d'émission 1, réglée pour donner un faisceau directif aigu d'ondes radioélectriques, est montée de façon à tourner ou à osciller autour d'un axe, pour balayer un arc d'observation désiré (comme indiqué par la flèche placée au-dessus de la représentation de a- dite antenne). Un circuit en pont 2 est asso cié à l'antenne pour permettre à l'émetteur d'alimenter l'antenne avec aussi peu d'effet que possible sur le récepteur et pour permettre aux signaux reçus d'être envoyés au récepteur avec aussi peu de pertes que possible dans l'émetteur.
Un générateur 3, produisant un signal de forme triangulaire symétrique, de fréquence et d'amplitude fixes, alimente un amplificateur de modulation 4, dont le gain est contrôlé par un signal en forme de dents de scie, de fréquence beau- coup plus faible que celle du signal triangulaire et qui est produit par un générateur 5, conjointement avec un circuit déformant
11, qui transforme le signal en dents de scie
droites du générateur 5 en un signal en dents
de scie courbes. La forme du signal triangulaire est représentée en a, les dents de scie
droites en b et les dents de scie courbes en f.
Le signal fourni par l'amplificateur 4 sera donc tel que représenté en c et consistera en un signal triangulaire d'amplitude instantanée proportionnelle à l'amplitude instantanée de la dent de scie courbe, e'est-à-dire qu'il sera un signal triangulaire modulé en amplitude par un signal en dents de scie courbes.
Cet amplificateur fournit donc une tension dont le taux de changement varie inversement avec le temps, en rapport direct avec le signal en dents de scie courbes, le taux de changement étant positif durant les montées du triangle et négatif durant les descentes. Nous négligeons les changements très rapides du taux de changement aux pointes de la courbe, c'est-à-dire aux endroits où le taux de changement passe de positif à négatif et inversement. La tension c, c'est-à-dire la tension de contrôle, est employée de manière quelconque convenable pour eontrôler la fréquence produite par un émetteur 6, de façon que ladite fréquence soit toujours aussi exactement que possible directement proportionnelle à la valeur instantanée de la tension de contrôle.
Le taux du changement de fréquence de l'émetteur variera donc avec le signal en dents de scie courbes d'un maximum au commencement d'une descente de la dent de scie à un minimum à la fin de ladite descente, remontant alors rapidement au maximum.
Le récepteur-mélangeur 7 qui peut avantagensement être du type équilibré, reçoit non seulement des signaux réfléchis décelés par le système antenne 2, mais aussi de l'énergie qui lui est fournie directement à partir de l'émetteur 6 à travers un couplage variable, atténuateur réglable ou dispositif équivalent 8. Ce dispositif sert à régler l'amplitude du signal direct qu'il laisse passer à une valeur sensiblement plus grande que celle du signal réfléchi le plus puissant auquel on peut s'attendre et convenant à un mélange efficace sans porter préjudice au rapport signal-bruit du récepteur-mélangeur 7. Le signal fourni par 7 consistera donc en une série de battements dus aux différents échos reçus.
Le récepteur-mélangeur 7 est suivi d'un amplificatenr passe-bande et d'un détecteur 9 ayant 1ine bande de réception de largeur B et une fréquence centrale de bande JB. Si la fréquence émise à un moment donné est F et si la pente de la caractéristique de variation de fréquence à ce moment est df, l'élé
dt ment 9 ne fournira un signal qu'à condition que le temps de parcours aller et retour multiplié par df/dt soit tel que le signal réfléchi et le signal direct alors en cours d'émission produisent un battement dont la fréquence soit à l'intérieur de la bande de
J3 fréquence JB + +.
Le signal fourni par
2 l'élément 9 est utilisé pour contrôler l'intensité du rayon cathodique d'un tube à rayons cathodiques 10, de façon à ce qu'un point lumineux ne soit produit sur l'écran du tube que lorsque 9 fournit un signal d'amplitude appréciable. La déflexion radiale dans le tube est produite par le signal b fourni par le générateur 5, et si un signal réfléchi donne naissance à un signal de 9 suffisant pour renforcer le rayon, de façon qu'il produise un point sur l'écran du tube 10, la distance séparant ledit point du centre de l'écran est linéairement proportionnelle à la distance du but d'où provient le signal.
La déflexion circulaire ou rotation du faisceau électronique est produite dans le tube 10 par les moyens couramment utilisés dans les a. ppareils qui donnent une indication de position en coordonnées polaires sur un plan de position.
Cette déflexion est indiquée par la flèche placée au-dessus du tube et est, évidemment, sWn- chronisée avec la rotation d'exploration de l'antenne 1, ainsi qu'on. l'a indiqué par la ligne pointillée 12, de façon que la direction radiale d'un point sur l'écran (à partir du centre) indique l'azimut du but.
Un oscillateur auxiliaire ou de mesure 13 peut être enclenché, lorsqu'on le désire, en fermant l'interrupteur 14. La fréquence de cet oscillateur est variable entre une valeur à laquelle la période est égale au temps de parcours aller et retour au but le plus proche dont la distance soit à évaluer de façon précise et une valeur à laquelle la période est égale au temps de parcours aller et retour au but le plus éloigné dont la distance soit à évaluer. L'organe de commande contrôlant la fréquence de l'oscillateur de mesure peut être disposé pour se déplacer sur une éehelle graduée directement en distances et, dans la fig. 3, la gamme de distances indiquées est de 4000 à 5000 mètres.
Le signal produit par le générateur 13 est représenté en g, cette forme de signal, comme les autres formes de signaux montrées, étant purement illustrative et n'étant en aucune façon à l'échelle par rapport à quoi que ce soit. Le signal g est employé pour produire une modulation additionnelle de la fréquence de l'émetteur 6, de façon que, lorsque l'interrupteur 14 est fermé, la fréquence émise varie en rapport avec un signal de contrôle tel que celui représenté en h.
On comprendra que h correspond à une demionde, c'est-à-dire à deux demi-battements successifs (l'un à la montée et l'autre à la descente) du signal de la forme c avec superposition du signal de la forme g. Supposons qu'avant de fermer l'interrupteur 14 trois points représentatifs des buts XYZ apparaissent sur l'écran 10 (qui peut être muni des cercles de distances habituels) à des distances voisines comprises entre 4000 et 5000 mètres.
Incidemment, si ces points provenaient de buts de même azimut, par exemple d'avions volant en escadrille, ils seraient probablement confondus en un seul point. En enclenchant l'oscillateur de mesure 13 et en le réglant jusqu'à ce que sa période soit exactement égale au temps de parcours aller et retour à un but, par exemple à celui correspondant an point X, les autres points peuvent être effacés et la distance du but choisi déterminée de façon très précise par la position de l'organe de réglage de l'oscillateur sur l'échelle graduée. Au lieu de faire varier périodiquement le taux de la modulation de la fréquence de l'onde émise, comme dans le dispositif représenté en fig. 3, on peut également faire varier périodiquement la fréquence des battements sélectionnés après réception. On peut aussi utiliser simultanément ces deux méthodes d'exploration de distance.
La fig. 3 décrit un dispositif, fournissant une indication de distance précise dans une gamme de distances étroite formant partie d'une gamme plus large observée par ce dispositif.
Le dispositif peut aussi, par exemple, comporter un réglage manuel pour la recherche dans des gammes restreintes, dans des cas où l'on désire aviser, un faible intervalle de distances, de manière à obtenir un rapport signal réfléchi/bruit maximum. Des méthodes auditives ou des méthodes comportant un instrument pour indiquer les battements peuvent être commodes pour des recherches restreintes et concentrées. Pour faciliter le réglage, il peut être préférable de coupler ensemble les deux commandes les plus importantes: la commande du taux de changement de fréquence et celle de la fréquence de l'oseillatour de mesure, ou, alternativement, la commande de l'accord du circuit sélecteur et celle de l'oscillateur de mesure.
Des moyens mécaniques ou électriques convenables sont alors prévus pour maintenir ces commandes en coneor dance dans chaque cas. Il est préférable de prévoir des réglages séparés ponr la sélectivité des moyens sélecteurs de la fréquence des battements et pour l'effet de contrôle de l'oscillateur de mesure sur la fréquence de l'émettour, prévoyant ainsi un moyen de régler et combiner les deux formes de sélectivité. Dans bien des cas, il sera possible d'éliminer le réglage de la sélectivité des moyens sélecteurs de la fréquence des battements, ou de la régler seulement par paliers grossiers. Le réglage de l'effet de contrôle de l'oscillateur de mesure est employé pour obtenir un réglage fin de la sélectivité et pour pousser la préci- sion jusqu'à la limite pratique.
Il est évident que ces commandes couplées pourront être rapidement actionnées par des moyens mécaniques ou éleetriques de réglage automatique et le signal résultant peut être utilisé pour commander un indicateur visuel, dans lequel la précision de l'observation complète est augmentée par l'augmentation de l'effet de contrôle de l'oscillateur de mesure.
Toutefois, dans le cas présent, la durée de chaque observation augmente avec l'augmentation de la précision, puisque la précision augmentée est employée pour l'observation complète, au lieu d'être employée à l'intérieur d'un intervalle de distances restreint. Dans un dispositif dans lequel l'exploration de distances est effectuée par un signal de contrôle dans un intervalle de distances limité, le même signal peut être employé pour contrôler la fréquence de l'oscillateur de mesure, par exemple au moyen d'un dispositif de réglage automatique électronique.
Dans un dispositif dans lequel des change mentis subits de la fréquence émise ou dans le taux de changement de la fréquence émise sont effectués, il peut être avantageux, dans bien des cas, de prévoir des moyens pour supprimer l'émission pendant une courte période, un peu avant chacun des changements susdits.
Bien que l'émission soit alors interrompue périodiquement, de tels dispositifs doivent être considérés comme étant des dispositifs à ondes entretenues, cette expression étant utilisée pour distinguer tous les dispositifs du type décrit dés appareils Radar à impulsions.
En fait, un dispositif dans lequel la radiation est ainsi périodiquement interrompue pour de courtes durées doit être considéré comme un dispositif à ondes entretenues, malgré cette interruption.
Bien que dans la description précédente il soit partout question du : mélange du signal entretenu émis avec le signal réfléchi reçu, il est évident qu'au lieu de mélanger ces ondes, on peut aussi, avant le mélange, changer d'abord la fréquence moyenne de l'un ou de l'autre de ces signaux au moyen d'un oscillateur local et oeun circuit accordé sur la fréquence des battements, le circuit récepteur sélecteur de fréquence étant évidemment disposé, dans ce cas, de façon à convenir à la fréquence des battements produits par le mélange du signal réfléchi ou du signal émis changé avec le signal émis ou avec le signal réfléchi.
On obtient des avantages-pratiques en changeant ainsi une des fréquences à mélanger avant de les mélanger, parce que, par un choix convenable de la fréquence de-l'oscil- lateur local, il est possible d'obtenir une fréquence de battement plus élevée que la gamme totale de fréquences produite par la variation périodique prévue. Un résultat similaire peut être obtenu par un choix convenable du signal de contrôle linéaire de période relativement longue. Lorsqu'on parle du mélange de signaux directs avec des signaux réfléchis, on entend donc également par là le mélange équivalent de signaux dérivés de ceux-ci par changement de fréquence.