FR2943140A1

FR2943140A1 - Telemetre absolu hyperfrequence de haute precision a mesure par reflexion

Info

Publication number: FR2943140A1
Application number: FR0951625A
Authority: FR
Inventors: Philippe Berisset
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2010-09-17
Anticipated expiration: 2029-03-16
Also published as: FR2943140B1

Abstract

La présente invention concerne un système de mesure de distance entre une antenne (111) et un réflecteur (112), comprenant un module d'émission/ réception (140), un analyseur de réseau vectoriel (160) adapté à calculer un paramètre égal au rapport complexe et l'onde reçue par ledit module d'émission/réception, ce pour une pluralité de fréquences, ainsi que des moyens de calcul (170) adaptés à effectuer une transformée de Fourier inverse de ce paramètre et mesurer la position temporelle d'un pic dans la réponse impulsionnelle correspondante. Une première position temporelle est mesurée dans une première réponse impulsionnelle différentielle et une seconde position temporelle dans une seconde réponse impulsionnelle, ladite distance étant obtenue à partir de ces deux positions temporelles. Le système de mesure peut être généralisé à la mesure des distances respectives entre M antennes et P réflecteurs.

Description

TÉLÉMÈTRE ABSOLU HYPERFRÉQUENCE DE HAUTE PRÉCISION À MESURE PAR RÉFLEXION DESCRIPTION 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 par rapport à une ou plusieurs antenne(s). 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 été proposé dans la demande non publiée FR-A-0757471 déposée au nom de la présente demanderesse. Cependant ce télémètre permet de ne mesurer qu'un déplacement relatif entre deux antennes et non la distance absolue à un objet.

Un premier but de la présente invention est par conséquent de proposer un télémètre absolu, autrement dit un système capable de mesurer la distance entre deux objets avec une très haute précision tout en étant particulièrement robuste et de faible coût. Un but subsidiaire de la présente invention est de prévoir la possibilité de mesurer quasi-simultanément les distances à un très grand nombre d'objets.

EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention est définie par un système de mesure de distance d'une antenne à un réflecteur monostatique, dans lequel ladite antenne est reliée à un module d'émission/réception, les signaux émis et réfléchi par l'antenne étant transmis à un analyseur de réseau vectoriel, ledit analyseur étant adapté à mesurer pour une pluralité de fréquences un paramètre égal au rapport complexe entre l'onde reçue et l'onde émise par le module d'émission/réception, des moyens de calcul étant adaptés à effectuer une transformée de Fourier inverse de ce paramètre pour déterminer la réponse impulsionnelle correspondante et à mesurer la position temporelle d'un pic de signal dans cette réponse, une première position temporelle, tiANT, étant mesurée dans une première réponse impulsionnelle

différentielle obtenue comme différence de réponse impulsionnelle entre une première configuration où l'antenne est occultée et une seconde configuration où l'antenne n'est pas occultée, une seconde position temporelle, i, étant mesurée dans une seconde réponse impulsionnelle différentielle obtenue comme différence

de réponse impulsionnelle entre une troisième configuration où le réflecteur est occulté et une quatrième configuration où le réflecteur n'est pas occulté, ladite distance étant alors déterminée par D =etùtiANT où c est la célérité de la lumière dans 2

l'air. 3 Selon une variante, les deuxième et quatrième configurations sont identiques. Ladite première position temporelle est avantageusement obtenue comme la position temporelle du premier pic apparaissant dans la première réponse impulsionnelle différentielle. Ladite seconde position temporelle est avantageusement obtenue comme la position temporelle du premier pic apparaissant dans la seconde réponse impulsionnelle différentielle. L'invention concerne également un système de mesure de distance entre une pluralité M d'antennes et respectivement une pluralité P de réflecteurs monostatiques, dans lequel chaque antenne m =1,...,M est reliée à un module d'émission/réception, chaque antenne étant sélectionnée tour à tour, les signaux émis et reçus par chaque antenne étant respectivement transmis à un analyseur de réseau vectoriel via un premier et un second commutateurs, ledit analyseur étant adapté à mesurer pour une pluralité de fréquences un paramètre égal au rapport complexe entre l'onde reçue et l'onde émise par le module d'émission/réception, des moyens de calcul étant adaptés à effectuer une transformée de Fourier inverse de ce paramètre pour déterminer la réponse impulsionnelle correspondante, et à mesurer la position temporelle d'un pic de signal dans cette réponse, une première position temporelle, tiÂNT, étant mesurée pour chaque antenne, dans une première réponse impulsionnelle différentielle obtenue comme différence de réponse impulsionnelle entre une première configuration où l'antenne est occultée et une seconde configuration où l'antenne n'est pas occultée, une seconde position temporelle, étant mesurée pour chaque antenne et chaque réflecteur, dans une seconde réponse impulsionnelle différentielle obtenue comme différence de réponse impulsionnelle entre une troisième configuration où ledit réflecteur est occulté et une quatrième configuration où ledit réflecteur n'est pas occulté, ladite distance entre ladite antenne et ledit réflecteur étant alors déterminée par m,p m Dm,p _C~ ANT 2 l'air.où c est la célérité de la lumière dans Selon une variante, pour chaque antenne et chaque réflecteur, les deuxième et quatrième configurations 15 sont identiques. Pour chaque antenne, ladite première position temporelle est avantageusement obtenue comme la position temporelle du premier pic apparaissant dans la première réponse impulsionnelle différentielle. 20 Pour chaque antenne et chaque réflecteur, ladite seconde position temporelle est avantageusement obtenue comme la position temporelle du premier pic apparaissant dans la seconde réponse impulsionnelle différentielle. 25 Les réflecteurs du système sont par exemple des lentilles de Lüneberg.

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 Fig. 1 illustre schématiquement un système de mesure de distance selon un premier mode de réalisation de l'invention ; La Fig. 2 représente un système hyperfréquence équivalent au système de la Fig. 1 ; La Fig. 3 représente schématiquement une méthode de mesure de distance utilisant le système de la Fig. 1 ; La Fig. 4 illustre schématiquement un système de mesure de distance selon un second mode de réalisation de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'idée à la base de l'invention est d'utiliser un système hyperfréquence comprenant une première antenne et au moins un réflecteur passif installé sur l'objet, et de mesurer la distance entre l'antenne et ledit réflecteur au moyen des paramètres S dudit système hyperfréquence. Plus précisément, la Fig. 1 représente un système de mesure de distance selon un mode de réalisation de l'invention. Ce système 100 comprend une antenne 111 et un réflecteur monostatique 112 installé sur l'objet 102 dont on souhaite connaître la distance. Le réflecteur peut être constitué par exemple d'un trièdre métallique de type catoptrique ou d'une lentille de Lüneberg. L'antenne 111 est reliée à un duplexeur 130 par un câble coaxial 120, le duplexeur étant lui-même connecté en entrée/sortie à un module d'émission/réception 140. Le module d'émission/réception 140 est en outre relié à un analyseur de réseau vectoriel 160 qui détermine les paramètres S du réseau et les fournit aux moyens de calcul 170. Le système 100 comprend enfin des moyens de contrôle (non représentés) pilotant les modules d'émission/réception, l'analyseur de réseau ainsi que les moyens de calcul. L'ensemble constitué par le duplexeur 130, le câble coaxial 120, l'antenne 111, le réflecteur 112 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 charge Z. Le schéma du système hyperfréquence équivalent a été représenté en Fig. 2. Le quadripôle Q a une première entrée et et une première sortie fi correspondant respectivement à la sortie et à l'entrée du module d'émission/réception 140. 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 rappelle que les paramètres S d'un quadripôle, sont définis par : S11 = bl ; S21 = b S12 = bl ; S22 = b ai ai a2 a2 où ai et a2 sont les amplitudes complexes entrantes en et et e2, bi et b2 sont les amplitudes complexes des ondes sortantes en si et s2. Les

paramètres S sont de manière équivalente les coefficients de la matrice de dispersion du quadripôle. L'analyseur de réseau vectoriel 160 mesure le paramètre S11 du système hyperfréquence en injectant un signal en et en mesurant l'amplitude et la phase de l'onde sortante en si. Le paramètre S11 est mesuré à une pluralité de fréquences f1,f2,...,fN, équidistribuées avec un intervalle fréquentiel Ô. f. Plus précisément, soit on transmet successivement des ondes à ces différentes fréquences, soit l'on transmet un signal large bande dont on connaît les composantes fréquentielles à

f1,f2,...,fN Dans les deux cas, on mesure le paramètre complexe S11 selon (1) aux fréquences fi,f2,...,fN .

Les moyens de calcul 170 permettent d'effectuer la transformée de Fourier inverse du paramètre S11, par exemple au moyen d'une IFFT, pour déterminer la réponse impulsionnelle correspondante, désignée par sil avec s11 =TF-1(S11) . En général cette réponse impulsionnelle présente, outre un pic de signal correspondant à la propagation en ligne droite sur le trajet aller-retour entre l'antenne 111 et le réflecteur 112, une pluralité de pics parasites dus à des multi-trajets, (1) des ondes c'est-à-dire à des réflexions du signal sur des éléments de l'environnement.

La Fig. 3 illustre schématiquement la méthode de mesure de distance utilisant le système de la Fig. 1.

Dans une première étape 310, on occulte l'antenne 111 soit en la déconnectant, soit en l'obturant au moyen d'une plaque réfléchissante. L'analyseur de réseau mesure alors le paramètre S11 dans une première configuration occultée, soit S7(I), pour les différentes fréquences fi,f2'...'fN .

Dans une seconde étape, 320, on effectue la même mesure sans occulter l'antenne. L'analyseur de réseau mesure le paramètre S11 en configuration non occultée, soit Su(I), pour les différentes fréquences fi, f2, ,fN . Les moyens de calcul 170 déterminent alors la transformée de Fourier inverse de la différence complexe S7(1)ûSII(I) pour obtenir une réponse impulsionnelle différentielle. Selon une variante, la transformée de Fourier inverse est calculée pour chacun des paramètres S7(I) et Su(I) et la différence est effectuée ensuite dans le domaine temporel.

Les moyens 170 déterminent ensuite la position temporelle ti ANT du pic de signal correspondant à l'antenne dans la réponse impulsionnelle différentielle. Si plusieurs pics sont présents, on sélectionne celui de plus faible retard, correspondant à une propagation depuis l'analyseur de réseau jusqu'à l'antenne, sans propagation en espace libre. On notera que lors des étapes 310 et 320, le réflecteur 112 peut être absent.

En outre, la mesure en première configuration occultée peut être effectuée une fois pour toutes lors de l'installation du système. Dans une troisième étape 330, on mesure à nouveau le paramètre S11, cette fois en n'occultant pas l'antenne mais le réflecteur, soit en l'enlevant, soit en le masquant à l'aide d'une plaque absorbante ou encore à l'aide d'une plaque réfléchissante renvoyant le signal dans une direction située hors du lobe principal de l'antenne 111. L'analyseur de réseau 160 mesure le paramètre S11 dans cette configuration occultée, soit S(II), pour les différentes fréquences fl J2 '...,fN On notera que la mesure dans cette configuration occultée peut être effectuée une fois pour toutes lors de l'installation du système.

Dans une quatrième étape 340, on effectue la même mesure, le réflecteur n'étant pas occulté. L'analyseur de réseau 160 mesure le paramètre S11(II) dans cette configuration, soit S11 pour les différentes fréquences fl J2 '...,fN On comprendra que l'étape 340 peut être simplifiée si le réflecteur était présent lors de la seconde étape de mesure, 320. Dans ce cas, on peut simplement prendre Sii(II)=Sii(I). Les moyens de calcul 170 déterminent la transformée de Fourier inverse de la différence S (II)ûSII(II) pour obtenir une seconde réponse impulsionnelle différentielle. Selon une variante, la transformée de Fourier inverse est calculée pour chacun des paramètres S (II) et S11(II) et la différence est effectuée dans le domaine temporel.

Les moyens 170 déterminent ensuite la position temporelle i du pic de signal correspondant au réflecteur dans la seconde réponse impulsionnelle différentielle. Si plusieurs pics sont présents, on sélectionne celui de plus faible retard, correspondant à une propagation en ligne directe sur le trajet aller-retour.

A l'étape 350, les moyens 170 calculent enfin la distance D entre l'antenne et le réflecteur au moyen de l'expression : D=ct ùtANT 2 où c est la célérité de la lumière dans l'air.

Plus précisément, l'expression (2) donne la distance entre le centre de phase de l'antenne 111 et le réflecteur 112. La distance physique entre l'antenne 111 et l'objet supportant cette antenne est déduite de D et de la position du réflecteur sur l'objet. On pourra si nécessaire déterminer une fois pour toutes l'offset de distance entre le réflecteur et l'objet.

On comprendra que, dans l'expression (2), le retard i traduit non seulement le temps de propagation aller-retour de l'antenne au réflecteur mais également les retards dus à la propagation dans les composants (2) hyperfréquence, à savoir pour l'essentiel le câble coaxial, le duplexeur et le module d'émission/réception. En revanche, le retard tiANT représente seulement le retard de propagation dans les composants hyperfréquences. On obtient ainsi une estimation très précise de la distance entre l'antenne et le réflecteur, indépendamment des caractéristiques des composants hyperfréquence utilisés. En outre, cette mesure de distance est insensible aux dérives éventuelles pouvant affecter les caractéristiques des composants hyperfréquence, soit en raison de fluctuations thermiques soit en raison de leur vieillissement.

La Fig. 4 représente schématiquement un système de mesure de distance selon un second mode de réalisation de l'invention. Ce système permet de mesurer une pluralité de distances entre un ensemble de M antennes 411 et de P réflecteurs 412. Avantageusement les M antennes seront choisies identiques ainsi que les P réflecteurs. Chaque antenne est reliée à un duplexeur 430 par un câble coaxial 420. Les duplexeurs 430 sont respectivement connectés aux modules d'émission/ réception 440. Les signaux émis et reçus par les différentes antennes sont transmis à un analyseur de réseau 460, à travers un commutateur de signaux reçus 445 et un commutateur de signaux émis 446. Les paramètres mesurés sont traités par les moyens de calcul 460. Le séquencement et le pilotage des mesures sont assurés par des moyens de contrôle (non représentés), commandant les modules d'émission réception 440, les commutateurs 445 et 446, l'analyseur de réseau vectoriel 460, ainsi que les moyens de calcul 470.

Chacune des M antennes 410 est sélectionnée tour à tour. Lorsqu'une antenne 410 émet, le signal émis par cette antenne est transmis à l'analyseur de réseau 460 via le commutateur 445. Le signal reçu par cette même antenne est transmis à l'analyseur de réseau 260 via le commutateur 446. Les commutateurs 445 et 446 fonctionnent en parallèle et sélectionnent la même antenne. Si l'on note m l'indice de l'antenne active, on mesure successivement les paramètres S1i", de P quadripôle en sélectionnant successivement les réflecteurs p=1,...,P. Chaque quadripôle Qm' est relatif au couple formé par l'antenne m et le réflecteur p. Pour un quadripôle Qm'p donné, les paramètres S11" sont mesurés pour une pluralité N de fréquences f,...,fN. Les moyens de calcul déterminent la réponse impulsionnelle correspondante sl'p en effectuant la transformée de Fourier inverse de Sm'p La réponse impulsionnelle est déterminée dans une première configuration occultée (antenne m déconnectée ou obturée) et dans une configuration non occultée comme pour le premier mode de réalisation. Les réponses ainsi déterminées sont soustraites dans le domaine temporel ou dans le domaine fréquentiel. Dans tous les cas, on détermine la position temporelle 'ANT du pic d'antenne dans la réponse impulsionnelle différentielle occ m m Sil ù Sil La réponse temporelle est également déterminée dans une seconde configuration occultée (réflecteur p masqué ou enlevé) puis soustraite à la réponse impulsionnelle en configuration non occultée, dans le domaine temporel ou fréquentiel. Soit réponse impulsionnelle différentielle dans le domaine temporel. Cette réponse ne fait apparaître que le pic

relatif au réflecteur p dont on détermine la position temporelle tm'p. La distance entre l'antenne m et le réflecteur p en est déduite au moyen de l'expression suivante : Dm'p =c où c est la célérité de la lumière dans l'air et où et 'Lm'p sont respectivement les positions temporelles des pics d'émission dans les réponses impulsionnelles 11 différentielles s7-m ûs et sm'OC~-p ûs 11 11 11 On comprendra que la mesure des MP distances Dm'p, m =1,..,M , p =1,...,P , ne nécessite en définitive que M étapes d'occultation des antennes et P étapes d'occultation des réflecteurs.

Le système de mesure de distance selon le premier ou le second mode de réalisation de l'invention permet également de déterminer le déplacement d'un objet entre deux instants consécutifs relativement à une antenne (premier mode de réalisation) ou une pluralité la m,occp ù sm sll 11

m ANT (3) 2 m ANT d'antennes (second mode de réalisation). Il suffit pour ce faire de calculer la différence entre les distances D ou Dm'p mesurées respectivement en ces deux instants.5

Claims

REVENDICATIONS1. Système de mesure de distance d'une antenne (111) à un réflecteur monostatique (112), caractérisé en ce que ladite antenne est reliée à un module d'émission/réception (140), les signaux émis et réfléchi par l'antenne étant transmis à un analyseur de réseau vectoriel (160), ledit analyseur étant adapté à mesurer pour une pluralité de fréquences un paramètre égal au rapport complexe entre l'onde reçue et l'onde émise par le module d'émission/réception, des moyens de calcul (170) étant adaptés à effectuer une transformée de Fourier inverse de ce paramètre pour déterminer la réponse impulsionnelle correspondante et à mesurer la position temporelle d'un pic de signal dans cette réponse, une première position temporelle, tiANT, étant mesurée dans une première réponse impulsionnelle différentielle obtenue comme différence de réponse impulsionnelle entre une première configuration où l'antenne est occultée et une seconde configuration où l'antenne n'est pas occultée, une seconde position temporelle, i, étant mesurée dans une seconde réponse impulsionnelle différentielle obtenue comme différence de réponse impulsionnelle entre une troisième configuration où le réflecteur est occulté et une quatrième configuration où le réflecteur n'est pas occulté, ladite distance étant alors déterminée par D =etùtiANT où c est la célérité de la lumière dans 2 l'air.30
2. Système de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deuxième et quatrième configurations sont identiques.
3. Système de mesure de distance selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite première position temporelle est obtenue comme la position temporelle du premier pic apparaissant dans la première réponse impulsionnelle différentielle.
4. Système de mesure de distance selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite seconde position temporelle est obtenue comme la position temporelle du premier pic apparaissant dans la seconde réponse impulsionnelle différentielle.
5. Système de mesure de distance entre une pluralité M d'antennes (411) et respectivement une pluralité P de réflecteurs monostatiques (412), caractérisé en ce que chaque antenne in=1,...,M est reliée à un module d'émission/réception (440), chaque antenne étant sélectionnée tour à tour, les signaux émis et reçus par chaque antenne étant respectivement transmis à un analyseur de réseau vectoriel (460) via un premier et un second commutateurs (445, 446), ledit analyseur étant adapté à mesurer pour une pluralité de fréquences un paramètre égal au rapport complexe entre l'onde reçue et l'onde émise par le module d'émission/réception, des moyens de calcul (470) étant adaptés à effectuer une transformée de Fourier inverse de ce paramètre pour déterminer la réponseimpulsionnelle correspondante, et à mesurer la position temporelle d'un pic de signal dans cette réponse, une première position temporelle, tiANT, étant mesurée pour chaque antenne, dans une première réponse impulsionnelle différentielle obtenue comme différence de réponse impulsionnelle entre une première configuration où l'antenne est occultée et une seconde configuration où l'antenne n'est pas occultée, une seconde position temporelle, L m,p étant mesurée pour chaque antenne et chaque réflecteur, dans une seconde réponse impulsionnelle différentielle obtenue comme différence de réponse impulsionnelle entre une troisième configuration où ledit réflecteur est occulté et une quatrième configuration où ledit réflecteur n'est pas occulté, ladite distance entre ladite antenne et ledit réflecteur étant alors déterminée tm,p _,Lm par Dm' =c 2 ANT où c est la célérité de la lumière dans l'air.
6. Système de mesure de distance selon la revendication 5, caractérisé en ce que, pour chaque antenne et chaque réflecteur, les deuxième et quatrième configurations sont identiques.
7. Système de mesure de distance selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que, pour chaque antenne, ladite première position temporelle est obtenue comme la position temporelle du premier pic apparaissant dans la première réponse impulsionnelle différentielle.
8. Système de mesure de distance selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que, pour chaque antenne et chaque réflecteur, ladite seconde position temporelle est obtenue comme la position temporelle du premier pic apparaissant dans la seconde réponse impulsionnelle différentielle.
9. Système de mesure de distance selon l'une des 10 revendications 5 à 8, caractérisé en ce que les réflecteurs sont des lentilles de Lüneberg.