ES2809711T3

ES2809711T3 - Procedimiento de medida de la altura de un objetivo con respecto al suelo por un radar en movimiento, y radar que implementa dicho procedimiento

Info

Publication number: ES2809711T3
Application number: ES17181276T
Authority: ES
Inventors: Pascal Cornic; Yves Audic; Stéphane Kemkemian
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2016-08-02
Filing date: 2017-07-13
Publication date: 2021-03-05
Anticipated expiration: 2037-07-13
Also published as: US20180038950A1; US10585183B2; EP3279690B1; EP3279690A1; FR3054888B1; FR3054888A1

Abstract

Procedimiento de medida de la altura de un objetivo con respecto al suelo por un radar en movimiento que emite una señal de detección hacia dicho objetivo, estando equipado dicho radar de una red (32, 502, 62, 702) de antenas de emisión y de una red (31, 501, 61, 701) de antenas de recepción y porque la medida de dicha altura (h2) se obtiene por la estimación de la frecuencia de al menos una modulación de amplitud función del tiempo (41, 42, 91, 92, 93, 94, 95) producida sobre dicha red de antenas de recepción, estando generada dicha modulación por la interferencia de las señales recibidas directamente (4) de dicho objetivo y de las señales recibidas después de la reflexión (5) sobre el suelo, a partir de las señales emitidas por dicha red de antenas de emisión, caracterizado porque la medida de dicha altura (h2) de objetivo es obtenida, para una modulación función del tiempo dada, según la relación siguiente: **(Ver fórmula)** Siendo h2 la altura estimada; Siendo la frecuencia estimada de dicha modulación de amplitud función del tiempo; Siendo h1 la altura a la cual es emitida dicha señal de detección; Siendo d0 la distancia de dicho radar al objetivo; Siendo V la velocidad de aproximación de dicho radar hacia el objetivo; Siendo λ la longitud de onda de dicho radar.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento de medida de la altura de un objetivo con respecto al suelo por un radar en movimiento, y radar que implementa dicho procedimiento

La presente invención se refiere a un procedimiento de medida de la altura de un objetivo con respecto al suelo por un radar en movimiento, en especial, por un radar que equipa un automóvil. Se refiere igualmente a un radar que implementa dicho procedimiento.

La invención se aplica, en especial, al campo de los radares para vehículos automóviles, por ejemplo para detectar alturas de tableros de puentes.

Los radares para automóviles han sido introducidos para funciones de ayuda a la conducción, más bien orientados hacia el confort, como por ejemplo la adaptación a la velocidad de crucero para la utilización en autopista, denominada función ACC (Adaptative Cruise Control) o el “Stop and Go" en conducción urbana. Los mismos utilizan ondas milimétricas, en particular de la banda 76-81 GHz

Gracias a la evolución de las tecnologías, las aplicaciones actuales tienen por objetivo igualmente funciones de seguridad de tipo anticolisión, incluso se contempla a relativamente corto plazo lograr que el vehículo sea completamente autónomo, siendo asegurada la percepción del entorno por la asociación de un cierto número de sensores, que se basan en diferentes tecnologías: radar, video, infrarrojo, en especial.

Debido a sus capacidades para cualquier tiempo, el radar sigue siendo el sensor preponderante en este contexto y sus capacidades de detección y de discriminación deben ampliarse para garantizar la fiabilidad global del sistema. En lo que concierne a la anticolisión, el sensor de radar debe en particular ser capaz de distinguir entre los objetos fijos que detecta, los cuales corresponden a elementos de la infraestructura de carretera, de los que corresponden a vehículos inmovilizados sobre la vía que constituyen potencialmente un riesgo de colisión. En este contexto, es en especial fundamental que no se generen falsas alarmas que puedan conllevar a un frenado o a una maniobra de evitación de urgencia, sin causa real, en particular cuando el vehículo se desplaza a gran velocidad. Esto impone una sensibilidad y capacidades de discriminación precisas que permitan aprender de la situación por delante del vehículo desde una gran distancia, típicamente superior a 200 m, con, en particular, la capacidad de estimar la altura de los objetos detectados para diferenciarlos.

Una configuración particularmente delicada es la de la detección de tableros de puente por delante de los vehículos, que no deben ser confundidos con vehículos parados sobre las vías de circulación. Por otro lado, para permitir la integración en los vehículos, las dimensiones de la antena de radar deben ser inferiores típicamente a 10cm en horizontal por 10cm en vertical. Esta condición limita la resolución angular desde el principio a un valor del orden de 2,5° para un radar que funciona a 76 GHz, lo que es insuficiente para estimar la altura de objetos fijos a gran distancia.

Un problema técnico a resolver es obtener capacidades de discriminación de elevación suficientes para tratar las situaciones complejas como la detección de puentes a gran distancia, a pesar de las dimensiones reducidas de la antena.

Actualmente, este problema no se ha resuelto. Soluciones prevén dotar a los radares de nueva generación de al menos dos vías de recepción en el plano vertical con el objetivo de obtener una capacidad de medida de la altura de los objetos detectados por un tratamiento de tipo de error angular. No obstante, esta técnica no presenta una discriminación suficiente para estimar la altura de obstáculos a larga distancia, debido a las dimensiones restrictivas de la antena. Además, no se adapta muy bien a la medida de la altura de los objetos que se extienden en el plano vertical y la medida puede ser perturbada por las reflexiones sobre el suelo. Pueden implementarse tratamientos adaptativos de alta resolución para mejorar el poder separador natural de la antena pero estos tratamientos no son eficaces en presencia de reflexiones sobre el suelo, debido a la coherencia de las señales directas y reflejadas. Un documento DE 102010007415 A1 divulga un procedimiento de medida de la altura de un objetivo con respecto al suelo, por un radar en movimiento.

Un documento US 6377205 B1 y un documento US 2008/111733 A1 divulgan, del mismo modo, métodos de radar para estimar la altura de un objeto con respecto al suelo.

Un objetivo de la invención es, en particular, resolver el problema citado anteriormente. A este efecto, la invención tiene por objeto un procedimiento de medida de la altura de un objetivo con respecto al suelo por un radar en movimiento que emite una señal de detección hacia dicho objetivo, estando equipado dicho radar con una red de antenas de emisión y una red de antenas de recepción, siendo obtenida la medida de la altura h2 por la estimación de la frecuencia de al menos una modulación de amplitud función del tiempo producida sobre dichas redes de antena de recepción, siendo generada dicha modulación por la interferencia de las señales recibidas directamente de dicho objetivo y las señales recibidas después de la reflexión sobre el suelo, a partir de señales emitidas por dicha red de antenas de emisión.

La medida de dicha altura h2 de objetivo se obtiene, para una modulación función del tiempo dado, según la relación siguiente:

Siendo A h2 la altura estimada;

Siendo f la frecuencia estimada de dicha modulación de amplitud función del tiempo;

Siendo hi dicha misma altura;

Siendo do la distancia de dicho radar al objetivo;

Siendo V la velocidad de aproximación de dicho radar hacia el objetivo;

Siendo A la longitud de onda de dicho radar.

En un modo de implementación posible, dicha red de antenas de recepción está compuesta de una o varias subredes de recepción y dicha red de antenas de emisión que está compuesta de una o varias subredes de emisión, al generar cada señal emitida por una subred de emisión una modulación de amplitud función del tiempo sobre cada subred de recepción, se efectúa una medida de dicha altura h2 de objetivo por la estimación de la frecuencia de la modulación de amplitud función del tiempo producida sobre una subred de recepción por una subred de emisión situada a la misma altura.

La estimación ( f) de la frecuencia de modulación es por ejemplo efectuada con la ayuda de una función de correlación adaptada a dos dimensiones, que tiene en cuenta la frecuencia de la fase en el origen de dicha modulación, siendo igual la estimación de frecuencia a la frecuencia fk del par frecuencia-fase (fk, q>k) que da la máxima correlación.

En un modo de implementación posible, dicha red de antenas de recepción que está compuesta de una o varias subredes de recepción y dicha red de antenas de emisión que está compuesta de una o varias subredes de emisión, al generar cada señal emitida por una subred de emisión una modulación de amplitud función del tiempo sobre cada subred de recepción, se efectúa una medida de dicha altura h2 de objetivo por la estimación de frecuencia de la modulación de amplitud función del tiempo producida sobre una subred de recepción por una subred de emisión situada a una altura diferente, siendo dicha modulación el producto de una modulación correspondiente al trayecto de ¡da y de una modulación correspondiente al trayecto de vuelta de la onda emitida por dichas subred de emisión, siendo una medida de dicha altura la estimación fe de la frecuencia de modulación debida al trayecto de ¡da o de la estimación fr de la frecuencia de modulación debido al trayecto de vuelta. Dicha medida es por ejemplo tomada igual a una combinación de la estimación fe de la frecuencia de modulación debida al trayecto de ¡da y de la estimación fr de la frecuencia de modulación debida al trayecto de vuelta, esta combinación efectúa por ejemplo la media de las dos estimaciones fe y fr.

La estimación de dichas frecuencias de modulación, debidas al trayecto de ida y al trayecto de vuelta, es por ejemplo efectuada con la ayuda de una función de correlación que toma en cuenta la frecuencia de modulación debida al trayecto de ¡da y la frecuencia de modulación debida al trayecto de vuelta, siendo dichas frecuencias fe ^, fr estimadas las que dan la máxima correlación.

Dicha estimación de frecuencia con la cual dicha medida de altura es por ejemplo obtenida es una combinación de las estimaciones de frecuencias de modulación de amplitud es función del tiempo obtenidas para diferentes pares de subredes de emisión y de recepción.

En un modo de implementación posible, dicha red de antenas de recepción que comprende varias subredes de recepción, recibiendo cada subred de recepción al menos una señal de interferencia que proviene de una señal emitida por dicha red de antenas de emisión, siendo modulada dicha señal de interferencia en amplitud en función del tiempo:

- se capta la velocidad de al menos una modulación de amplitud espacial producida sobre dicha red de antenas de recepción en un instante dado;

A

- se calcula una estimación f de la frecuencia de modulación de amplitud en función del tiempo por medio de una función de correlación espaciotemporal que toma en cuenta la frecuencia de modulación de amplitud en función del tiempo y de la frecuencia de dicha al menos modulación de amplitud espacial, correspond Aiendo la frecuencia fk al máximo de correlación de dicha correlación espaciotemporal siendo la frecuencia f estimada, siendo calculada la medida de dicha altura de objetivo a partir de esta frecuencia estimada.

En un modo de implementación posible, dicha red de antenas de emisión que comprende varias subredes de emisión, se capta la velocidad de la modulación de amplitud espacial producida sobre dicha red de antenas de recepción co Arrespondiente a cada señal emitida por una subred de emisión, se calcula para cada señal emitida una estimación f de la frecuencia de modulación de amplitud en función del tiempo por medio de una función de correlación espaciotemporal que toma en cuenta la frecuencia de modulación de amplitud en función del tiempo y la frecuencia de dicha al menos una modulación de amplitud espacial, c Aorrespondiendo la frecuencia fk al máximo de correlación de dicha correlación espaciotemporal siendo la frecuencia f estimada de modulación de amplitud función del tiempo generada por dicha señal emitida, siendo calculada una medida de dicha altura (h2) a partir de al menos una frecuencias estimada correspondiente a una señal emitida entre dichas subredes de emisión. La medida de dicha altura h2 de objetivo es por ejemplo una combinación de las medidas de altura correspondiente a cada señal emitida, siendo por ejemplo esta combinación una media.

La invención tiene igualmente por objeto un radar adecuado para implementar un procedimiento tal y como el descrito anteriormente, pudiendo, ventajosamente, dicho radar equipar un vehículo automóvil.

Otras características y ventajas de la invención aparecerán con la ayuda de la descripción siguiente, hecha a la vista de los dibujos adjuntos que representan:

- La figura 1, una ilustración de un vehículo equipado de un radar que se dirige hacia un puente cuya altura se va a estimar;

- La figura 2, la modulación de amplitud teórica de la señal recibida en función de la distancia d del radar al obstáculo que viene;

- La figura 3, por una vista frontal, una antena de recepción y una antena de emisión colocadas a una misma altura h1 con respecto al suelo;

- La figura 4, la velocidad teórica de la función de modulación en función del tiempo para dos alturas diferentes de la subred de recepción del radar;

- La figura 5, por una vista frontal, un ejemplo de arquitectura de antena de un radar según la invención con tres pares de subredes de emisión y de recepción que se extienden en el sentido de la altura;

- La figura 6, por una vista frontal, una antena de recepción y una antena de emisión colocadas a alturas diferentes con respecto al suelo;

- La figura 7, una configuración de antena del tipo de la de la figura 5 con redes de antenas de emisión y de recepción, pero con alturas de subredes diferentes en emisión y en recepción;

- La figura 8, la velocidad de la función de modulación espacial sobre la red de antenas de recepción compuesta de las subredes de recepción separadas regularmente;

- La figura 9, la velocidad teórica de las modulaciones temporales observadas en el transcurso del tiempo en el caso de subredes de recepción separadas regularmente.

La figura 1 presenta un vehículo 1, equipado de un radar 2, que se dirige hacia un puente cuyo tablero 3 se representa. Se considera de una manera generar un radar 2 de automóvil montados sobre un vehículo cuyo haz está orientado hacia la parte delantera del mismo.

En un vehículo de turismo, este radar está generalmente instalado a nivel de la rejilla, por detrás del logotipo de la marca, a una altura h1 del orden de 40 centímetros con respecto a la calzada. Un objeto fijo, iluminado por el haz del radar y situado a una altura h2 con respecto a la carretera, genera por reflexión una señal compuesta a nivel del radar, resultante del trayecto 4 directo y del trayecto 5, 5' reflejado de la onda electromagnética sobre el suelo. Esto es cierto para el trayecto de ida y para el trayecto de vuelta. Esto resulta en una modulación de la amplitud de la señal recibida sobre la antena de radar en función de la distancia d del objetivo, de la altura h1 del radar, y de la altura h2 del objetivo. Este fenómeno es bien conocido para el experto en la técnica. Se describe por ejemplo por Daricau (capítulo 11 §3.1).

La figura 1 proporciona una ilustración aplicada al radar automóvil, en el caso de un objeto aislado del suelo, como el tablero 3 de puente. La imagen 3' del puente se representa igualmente, esta imagen simétrica con respecto a la superficie 10 de la calzada reenvía de forma ficticia el rayo 5' reflejado por la calzada y recibido por el radar.

Es posible otra configuración, correspondiente a una estructura continua vertical colocada sobre el suelo, como por ejemplo un vehículo, un panel de señalización, o un pilar de puente. En este caso, es la posición del baricentro de los puntos brillantes o la posición de la superficie equivalente de radar (SER) media la que determina la altura aparente del objeto. La invención se aplica, del mismo modo, para estas configuraciones, proporcionando por tanto la altura aparente del objeto, y no la altura verdadera.

Por tanto, para un emisor y un receptor de radar situados ambos a la altura hi, el coeficiente de modulación de idavuelta se puede:

donde:

- 0 es el ángulo de elevación del objetivo con respecto al suelo en el pie del radar;

- A es la longitud de onda;

- p es la amplitud del coeficiente de reflexión;

- 9 es la fase del coeficiente de reflexión, es decir el desfase inducido por la reflexión.

Denominando h2 a la altura aparente y d la distancia del objeto objetivo, para pequeños ángulos, se obtiene igualmente:

sen

G = 0z.

Para pequeños ángulos 0, por ejemplo 0 < 5o, los que son de interés para la invención, d

En este caso, la relación (A) se convierte en:

/2(0) = (1 p2 2pcos(^ <p))2 (A')

Para dichos ángulos, la amplitud del coeficiente p de reflexión sobre la calzada de la carretera está comprendida entre 0,7 y 1 y su fase 9 está cercana a n, lo que conduce a la nueva relación siguiente:

/ 2(e ) = ( l p 2- 2 p c o s ( A^d % )2 (1)

Para el caso particular en el que p=1, se obtiene:

/ 2(0) = 16 s e n * ( A ^d ^ ) (2)

La figura 2 presenta, para p=1, la modulación de amplitud I2(0) teórica de la señal recibida en función de la distancia d del radar obstáculo, para una antena de radar compuesta de una primera subred a la altura hi y de una segunda subred a una altura hi diferente, para una altura h2 de obstáculo igual a 4,6m. La emisión y la recepción se efectúan a la misma altura. Una primera curva 21 representa la modulación de amplitud para la altura hi= 40 cm y una segunda curva 22 representa la modulación de amplitud para una altura h1 = 43 cm.

En el caso en el que el coeficiente p de reflexión no sea igual a 1 pero sin embargo este próximo a 1, siendo 1 p2 prácticamente igual a 2p. La relación (1) se convierte por tanto en:

4nh1h2^ 2

/2(0) = 4p2( l — cos('

_Ád- )Y

y finalmente

/ 2(0) = 1 6 p W ( Ád ^ ) (3)

Se encuentra en este caso una modulación de forma idéntica a la anterior, definida por la relación (2), cerca de p2, es decir con una profundidad más reducida.

En el caso en el que la antena (o la subred de antena) de emisión y la antena (o la subred de antena) de recepción se coloquen a dos altura diferentes, respectivamente h1e y h1r (de forma más precisa h1e y h1r corresponden respectivamente a la altura del centro de fase en la emisión y del centro de fase en la recepción), la modulación de amplitud es diferente en la emisión (Ie(0)) y en la recepción (A{0)), y se puede escribir para el trayecto de ida-vuelta:

El método según la invención propone estimar la altura h2 del objetivo a partir de la modulación Í2(Q) o Ie(0)A{0) según el caso, siendo conocidas las alturas h1e y h1r, siendo también conocida la longitud Á de onda. La distancia d es por otro lado medida por el radar. Cuando las alturas de los centros de fases son idénticas en la emisión y en la recepción, se observa h-ie = h-ie,h-ir.

Según la invención, la estimación se efectúa por una medida dinámica, de forma más precisa midiendo una o varias modulaciones de amplitud sobre la antena en el transcurso del tiempo, sobre una antena de recepción o varias subredes de una antena de recepción, para una posición única de antena de emisión o para varias posiciones de subredes de antena de emisión colocadas a alturas diferentes.

Se describe ahora un primer modo de implementación de la invención, que aprovecha una medida dinámica de la función de modulación en función del tiempo.

La figura 3 representa, por una vista frontal, una antena 31 de recepción y una antena 32 de emisión colocadas a una misma altura h con respecto al suelo. En esta configuración, las antenas de emisión y de recepción pueden comprender varias subredes siempre que los centros de las fases de los pares de las subredes de emisión y de recepción estén a una misma altura con respecto al suelo.

En un instante t correspondiente al final de un ciclo de detección de radar de duración AT de rango i tal que t=ÍAT, la señal recibida por el radar desde un objetivo situado a una distancia di y a la altura h2 es proporcional a:

según la relación (1) y para valores reducidos de 0i

La señal recibida es también proporcional a:

Para los coeficientes p de reflexión vecinos de 1 y donde 1 d¡ 'siendo d¡ la distancia del objetivo detectado en t=iAT.

Por otro lado, a partir de un ejemplo inicial de detección do, la distancia de detección en el instante t=iAT se puede escribir:

di = do - V iAT,

donde V es la velocidad de aproximación del vehículo con respecto al objetivo.

Si la distancia di de detección es grande delante del desplazamiento realizado entre dos detecciones sucesivas, se puede escribir:

que corresponde a, por multiplicación por h2:

ViAT

©, = 00 (1 — —)

d0

y como resultado:

I ^i?2 ^í ( ^/G^~\i ^\ ) = 1^{^ r}6p ^? 2sen ^A 4 ^{^}(² - ⁷ 7 ^T j ^/lj - ^/l2 í ( l — ^VÍAT>.)^>)^.

O ' " ' ' ^ 0 en el caso en el que p está próximo a 1.

Esta última relación puede entonces escribirse:

/ 2(©¿) = 16p2seif(2nfiAT <¡p0) (5)

donde f representa a la frecuencia de modulación de las franjas de interferencias en el campo temporal:

y 9q representa la fase en el origen de la función de modulación:

2nh1h2

(P o = Ád0

que puede escribirse además:

La medida de la frecuencia f de modulación de acceso a una estimación de la medida de la altura del objetivo por la _ M0¿f

t i 2 — j x

relación: hlV siendo la longitud Á de onda, la distancia do inicial de detección, la altura hi inicial conocidas y siendo medida la velocidad V por otro lado por el radar.

Para medir la frecuencia de modulación, se puede por ejemplo calcular la raíz cuadrada de la amplitud de la señal recibida que es proporcional a la función I2(9i) de modulación, para deducir en el instante t=ÍAT, una función de amplitud xi = K|sen(2'nfiAT+<po)|, según la relación (5).

La figura 4 posterior muestra la velocidad teórica de la función Xi de modulación en función del tiempo para dos alturas diferentes de la subred de recepción, para un objetivo situado a 4,60m de altura, una distancia inicial de detección de 300 metros, un coeficiente de reflexión p= 0,7 y una velocidad de aproximación de 100km/h.

Cada subred recibe una señal cuya amplitud varía con una frecuencia f en función del tiempo (iAT) y que depende de la altura a calcular y de la distancia. Una primera curva 41 representa la modulación temporal recibida por la subred en la altura hi y una segunda curva 42 representa la modulación temporal recibida por la subred en la altura h2. El eje de accisas representa el tiempo t=iAT, correspondiendo el tiempo t=0 a la distancia do igual a 300m.

Repitiendo la operación sobre un tiempo total NAT, es decir sobre N ciclos de detección de radar, se obtiene una serie de N muestreos que caracterizan la modulación de amplitud en el transcurso del tiempo. Estas N muestras de muestreo proporcionan las curvas 41, 42 de modulación temporales.

En la práctica, se obtiene la altura h2 (altura a calcular) midiendo la modulación de amplitud sobre la antena en el transcurso del tiempo, siendo muestreadas las medidas. Una vez se obtiene la ley de modulación por muestreo, hace falta extraer la frecuencia f que da la altura h2. Para ello, son posibles varias soluciones.

Para estimar esta frecuencia f, se puede utilizar, por ejemplo, una función de correlación utilizando el método descrito en la solicitud de patente FR 2913774, en especial con respecto a las relaciones (8) a (11). Discretizando por ejemplo el espacio de las frecuencias en M valores posibles entre 0 y Fmax tales que para k varían de 0 a M-1, . Fmax

La función Xi puede muestrearse poniendo:

o incluso:

f k d 0

Si,k sen(2nifkAT 2n

V

Se calcula por tanto la función de correlación siguiente:

El valor de k, para el cual la función Correlk presenta un máximo; da una estimación de la frecuencia

de modulación de la cual se deduce:

El número N de puntos se elige lo más grande posible, en el límite de la validez de la hipótesis en la que el desplazamiento NVAT total es muy inferior a la distancia do inicial de detección. Una sola de las dos curvas 41, 42 puede ser suficiente para extraer la frecuencia. La señal de interferencia generada a partir de la señal emitida en la altura hi = 40cm produce una modulación 41 cuya frecuencia estimada permite obtener la altura h2, en sí misma estimada. Del mismo modo, la señal de interferencia generada a partir de la señal emitida en la altura hi = 43cm produce una modulación 42 que da una segunda estimación de frecuencia. No obstante, se pueden, ventajosamente, combinar las dos estimaciones para mejorar la medida por la media de las dos frecuencias estimadas o por cualquier otra combinación.

En un variante de realización, se puede utilizar otra función de correlación para hacer la estimación más robusta. En particular, se puede señalar que el correlacionador Correlk relaciona de forma explícita la fase con el origen

_{a la frecuencia fk por la relación}

Sin embargo, el resultado de la correlación depende en gran medida de esta fase qik que es en sí misma sensible a un error de estimación de la altura hi, de la distancia do inicial y de la velocidad V.

Por ejemplo, para hi=40cm, h2=4,60m, V=27m/s, A=3,9mm y do=300m, se tiene f=0,14 Hz y >ô= 1,57 x 2 x n.

Un aumento de 3cm de hi, que da hi=43cm, es decir una variación de menos de un 10%, se traduce en un nuevo valor de fase q>o= 1,68 x 2 x n, correspondiente a una diferencia de 40° con respecto al valor inicial, mientras que la frecuencia f sólo es modificada de 0,01 Hz de 0,14 Hz a 0,15 Hz, lo que es muy reducido. Este efecto es visible en la figura 4 que muestra el desfase del origen entre las dos curvas correspondientes a estas dos alturas.

Para evitar una sensibilidad demasiado fuerte del correlacionador con respecto a la fase de origen, es preferible elegir una función s¡tk,w, tal que:

discreteando el espacio de las frecuencias en M valores posibles entre 0 y Fmax tales que para k varían de 0 a M-1,

y discreteando el espacio de las fases en M’ valores posibles entre 0 y 2tt/M’ tales que para k

varían de 0 a M-1,

se calcula por tanto la función de correlación en dos dimensiones:

Los valores de k y k’ para los cuales la función Correky presenta un máximo que da una estimación de la frecuencia de modulación:

de la cual se deduce

La medida puede reiterarse a medida que se produce la aproximación hacia el objetivo, de manera que se mejora la calidad de la estimación. La medida puede, del mismo modo, efectuarse sobre dos o varios pares de emisores/receptores cuyas subredes de antenas están situadas a la misma altura con respecto al suelo de acuerdo por ejemplo con la figura 5.

La figura 5 representa una arquitectura de antena correspondiente a una red MIMO (Múltiple Input, Múltiple Output). De forma más precisa, presenta la antena de radar vista de frente con tres pares de subredes 51, 52, 53 de emisión y de recepción que se extienden en el sentido de la altura, estando una subred de emisión y una subred de recepción de un mismo par a la misma altura. La arquitectura de antena de la figura 5 puede, del mismo modo, verse comprendiendo una red 501 de antenas de recepción y una rede 502 de antenas de emisión. Esta arquitectura aumenta el ejemplo de la figura 3 en el que las redes de antena se reducen a una sola subred, formada por la antena de recepción o por la antena de emisión.

En esta configuración, cada par 51, 52, 53 de emisor/receptor de la misma altura da una estimación de la medida de la altura h2, y estas estimaciones obtenidas de manera independiente pueden ser ponderadas para afinar la medida, siendo posible otra combinación distinta a la media.

Las emisiones en las diferentes subredes de antenas pueden realizarse secuencialmente o simultáneamente a condición de emitir señales ortogonales sobre las diferentes subredes.

La figura 6 presenta una configuración de antena en la que la antena o la subred 61 de recepción está a una altura h-ir diferente de la altura h-ie del antena o de la subred 62 de emisión. En este caso, es del mismo modo posible obtener una estimación de la altura del objetivo. Las modulaciones de amplitudes correspondientes al trayecto de ida y al trayecto de vuelta de la onda electromagnética son diferentes. La modulación compuesta se obtiene por la relación (4), indicando el índice e y el índice r a partir de ahora respectivamente la conexión con la emisión y con la recepción:

Tomando la raíz cuadrada de la amplitud de la señal recibida, se obtiene la función Xi de modulación temporal:

xt = K\sen(2nfeiAT (pe0)\\sen(2nfr iAT + <pr0) | Con las mismas notaciones que anteriormente:

h \eh2V

fe Ad0

h ir h2V

fr Ad0¿

2nhleh2 2nfed0

Voe — Ad0 V

2nhlrh¿ 2tz frd0

(Por Ad0 V

Las medidas muestreadas de la modulación temporal son siempre efectuadas a nivel de la recepción 61.

Se puede utilizar una función de correlación para estimar las frecuencias de modulación en la emisión fe y en la recepción fr, poniendo por ejemplo:

para k variando de 0 a M-1 y k' variando de 0 a M'-1;

y:

para I variando de 0 a M-1 y I' variando de 0 a M'-1.

Se calcula la función de correlación:

Los valores de k, k’, l, l ’, para los cuales la función Correkyxr presenta un máximo, dan una estimación de las frecuencias de modulación:

_ kFmax .p _ IFmax

fe ~ M Z y Jr M '

que corresponde a dos estimaciones de la altura h2, con las cuales se puede hacer la media.

Los principios de estimación descritos más arriba pueden generalizarse en todas las combinaciones posibles de pares de subredes de emisión y de recepción de una misma antena.

La figura 7 representa una configuración de antena del tipo de la de la figura 5 con redes de antenas de emisión 702 y de recepción 701, pero con alturas de subredes diferentes en emisión y en recepción. De forma más precisa, las subredes de emisión y las subredes de recepción ya no están dispuestas a la misma altura. En particular, las subredes de los pares 72, 73 no tienen la misma altura en emisión y en recepción.

Como en el ejemplo de la figura 5, la configuración de la figura 7 permite obtener nuevas combinaciones de pares, que dan nuevas estimaciones diferentes de h2, con las cuales se puede hacer la media para afinar incluso de forma más precisa la medida. Estas estimaciones diferentes son útiles para hacer fiables las medidas, en especial, cuando la calzada no es plana, pudiendo las imperfecciones de la calzada por tanto introducir desviaciones en los cálculos. Después de haber descrito una medida dinámica de la función de modulación en función del tiempo (medida de modulación temporal) se describe ahora una medida de modulación de amplitud instantánea sobre la antena (medida de modulación espacial), medida que se puede combinar, de forma ventajosa, con la medida dinámica. Esta medida estática necesita varias posiciones de subredes de recepción y de emisión de una misma antena dispuestas a lo largo de un eje vertical.

Se pueden utilizar Q subredes de antenas de recepción cuyos centros de fases estén separados sobre el eje vertical, y al menos una subred de emisión, según la configuración de las figuras 5 o 7 por ejemplo. Las subredes colocadas a alturas diferentes pueden, del mismo modo, estar desplazadas sobre el eje horizontal, como por ejemplo en la figura 7.

De una manera general, la modulación de amplitud para la subred de emisión colocada a la altura h-iep y la subred de recepción colocada a la altura h-irq, a la distancia d del objetivo, se escribe:

En un instante dado y para una altura hiep de subred de antenas de emisión de índice p, la amplitud de la señal recibida sobre la subred del antena de índice q situada a la altura de altura h-irq es proporcional a:

^sen2 (■ ^’2nh-ÍTq ^{^ 2,}

M

Se puede calcular, por ejemplo, la raíz cuadrada de la amplitud de la señal recibida para deducir una señal:

donde Kp es una constante función de la altura de la subred de emisión de rango p.

Repitiendo la operación sobre las Q posiciones en la altura de las subredes de recepción, se obtiene una serie de Q valores de yp,q a partir de los cuales es posible estimar h2, de acuerdo con los principios descritos, en especial, en las solicitudes de patentes FR 2913774 y FR 2901613.

La figura 8 representa, por una curva 81, la velocidad de la función de modulación correspondiente sobre una antena compuesta de cinco subredes de recepción separadas entre sí 2cm, estando la más baja a 40cm por encima del suelo, para un objetivo situado a 4,60m, a una distancia de 300m. La curva 81 representa la modulación a lo largo de la antena en función de la altura a partir de la altura más baja, 40cm. La modulación 81 describe una fracción de valor absoluto de sinusoide. A partir de esta fracción de sinusoide, se sabe medir la frecuencia de la modulación como se describe a continuación.

Observando la diferencia de altura entre la subred de recepción de rango q y la subred de recepción más baja: Ahirq=hirq - hiro, se obtiene una función de modulación:

Eligiendo con preferencia una separación regular entre las subredes de recepción, la altura de las subredes evoluciona según la serie aritmética siguiente:

y

Esta relación se puede escribir como sigue:

con:

y

Se discretiza el espacio de las frecuencias R valores posibles entre 0 y Fmax tales que para r variando de 0 a R-1;

y se discretiza el espacio de las fases en R'' valores posibles para r' variando de 0 a R'-l, tales que:

y después se pone:

Se calcula por tanto la función de correlación:

Los valores de r y de r ’, para los cuales la función Correlpwx presenta un máximo, dan una estimación de la frecuencia de modulación:

de donde se deduce la altura h2 buscada:

De forma simétrica, es del mismo modo posible utilizar varias subredes de emisión colocadas alturas diferentes, emitiendo estas subredes ondas ortogonales, para observar la modulación resultante sobre una subred de recepción dada, y deducir la altura del objetivo.

Finalmente, es posible combinar varias subredes de emisión y varias subredes de recepción para afinar la estimación.

En resumen, se puede medir la modulación de amplitud instantánea (espacial) sobre la antena en un instante dado: - en varias subredes de antena de recepción colocadas alturas diferentes, para una antena de emisión única; - o sobre una antena de recepción única, para varias posiciones de subredes de antena de emisión colocadas a alturas diferentes;

- o sobre varias subredes de antenas de recepción colocadas a alturas diferentes, para varias posiciones de subredes de antenas de emisión colocadas a alturas diferentes.

En un modo de implementación ventajoso de la invención, se puede combinar el aprovechamiento de la medida de modulación espacial y el aprovechamiento de la medida temporal. Se puede por tanto reforzar la calidad de la estimación de la altura. Esta combinación puede realizarse utilizando por ejemplo una función de autocorrelación espaciotemporal que utiliza la vez la diversidad de muestreo espacial sobre las subredes de antena y la diversidad de muestreo temporal. Se describe un ejemplo a continuación.

Por razones de simplicidad de escritura, nos limitamos como anteriormente al caso en el que la emisión se realiza a partir de una subred situada a la altura h-iep, y se consideran Q subredes de antenas de recepción cuyos centros de fases están separados regularmente sobre el eje vertical un intervalo Ah-i, tal que la subred de recepción de rango q está situada a la altura hirq = hieo qAhi.

En el instante t = ¡AT, la amplitud de la señal de modulación sobre la subred de rango q se puede escribir:

2nh2(hlr0 4- qAhx)

_{yp,i,q Kp} sen (- Á d i

con:

1 ViAT

_{di d0} _{— ViAT}: _d r ₀ (i - _d r ₀ -)

Se escribe:

2,7ih2(hlro + qAh- )^ ViAT

yp,i,q Kp ^sen( ------- Á^—d- 0------ )(1 — d7r- )

Poniendo como anteriormente:

r _ hl r oh2V ^ _ _ 2 n fd 0 _ 2nhlr0 h2

í y v o “ V ^{A ítn}

la señal de modulación espaciotemporal puede escribirse:

La figura 9 representa la velocidad teórica de las modulaciones temporales observadas en el transcurso del tiempo en el caso de cinco subredes de recepción separadas regularmente 3cm en el plano vertical, para una distancia inicial de 300m, una velocidad de aproximación de lOOkm/h, un coeficiente de reflexión de 0,7, y una altura de objetivo de 4,6m.

Cinco curvas 91, 92, 93, 94, 95 representan las modificaciones temporales, en función del tiempo, sobre las subredes de alturas respectivas de 40cm, 43cm, 46cm, 49cm y 52cm. Se obtiene una modulación espacial en un instante dado muestreando los valores de amplitud en este instante. Esta modulación espacial se ilustra en la figura 9 por la intersección de la recta 90 con las curvas, correspondiendo las intersecciones a los valores muestreados.

De forma más general, cualquier sección vertical permite obtener una modulación espacial en el instante correspondiente. La figura 9 ilustra por tanto la variedad de muestreos que permite esta solución.

Para extraer la frecuencia de modulación, que da acceso a la altura h2, se puede utilizar una función de correlación de dos dimensiones, una dimensión temporal y una dimensión espacial.

Con este fin, se discretiza el espacio de las frecuencias temporales en M valores posibles entre 0 y Fmax tales que:

^{„ ,} Fmax

Tk — k ------para k variando de 0 a M-1, ^m y se discretiza el espacio de las fases espaciales que en M’ valores posibles entre 0 y 2n/M' tales que:

^, ^{< 2n}

_{para k variando de 0 a M'-1,} <Pk k —■

M' , se tiene:

Y se calcula por tanto la función de correlación en dos dimensiones:

Los valores de k y k', para los cuales la función Corre/k,k presenta un máximo, dan una estimación de la frecuencia de modulación:

kFmax

f = f k = M

h2

la cual se deduce ¿ = “ h ¿-,v l .

de

Es del mismo modo posible estimar la altura h2 a partir de las estimaciones dinámicas (modulación temporal) y estáticas (modulación espacial descritas anteriormente, y efectuar una media ponderada o no de las dos estimaciones obtenidas.

La invención permite, de forma ventajosa, obtener una discretización suficiente sin aumentar las dimensiones de la antena de radar. Permite, en particular, a gran distancia, hacer una clara distinción entre un tablero de puente y uno o varios vehículos inmovilizados sobre la calzada. Se puede aplicar a objetos puntuales o que se extienden según el eje vertical. No aumenta el volumen de la electrónica ni la complejidad del radar y su aplicación es simple de implementar.

La estimación de la altura puede ser, de forma ventajosa, combinada con otros parámetros discriminantes como la superficie equivalente estimada, la distancia, la extensión de distancia, la posición lateral estimada y sus fluctuaciones para deducir una firma que permite caracterizar la naturaleza del objeto detectado.

La invención se aplica para medir la altura verdadera de objetos dispuestos sobre el suelo, como un tablero de puente por ejemplo. Como esto ha sido indicado anteriormente, se aplica igualmente para medidas de alturas de objetos continuos dispuestos sobre el suelo. En este caso, la altura h2 de objetivo corresponde a la altura aparente del punto brillante medio.

La invención ha sido descrita para medir la altura de un objetivo fijo, por ejemplo un puente. Sin embargo puede aplicarse a objetos móviles y permitir, de forma ventajosa, hacer la clasificación de vehículos por ejemplo, por la detección de la altura de los vehículos. En este caso, la velocidad V de aproximación del radar hacia el objetivo (otro vehículo por ejemplo) es finalmente la velocidad relativa del radar con respecto a este objetivo.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento de medida de la altura de un objetivo con respecto al suelo por un radar en movimiento que emite una señal de detección hacia dicho objetivo, estando equipado dicho radar de una red (32, 502, 62, 702) de antenas de emisión y de una red (31, 501, 61, 701) de antenas de recepción y porque la medida de dicha altura (h2) se obtiene por la estimación de la frecuencia de al menos una modulación de amplitud función del tiempo (41, 42, 91, 92, 93, 94, 95) producida sobre dicha red de antenas de recepción, estando generada dicha modulación por la interferencia de las señales recibidas directamente (4) de dicho objetivo y de las señales recibidas después de la reflexión (5) sobre el suelo, a partir de las señales emitidas por dicha red de antenas de emisión, caracterizado porque la medida de dicha altura (h2) de objetivo es obtenida, para una modulación función del tiempo dada, según la relación siguiente:

Siendo A h2 la altura estimada;

Siendo h i la altura a la cual es emitida dicha señal de detección;

Siendo do la distancia de dicho radar al objetivo;

Siendo V la velocidad de aproximación de dicho radar hacia el objetivo;

Siendo A la longitud de onda de dicho radar.

2. Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque dicha red (501) de antenas de recepción que está compuesta de una o varias subredes (31, 501', 61, 701') de recepción y dicha red (502) de antenas de emisión que está compuesta de una o varias subredes (32, 502', 62, 702') de emisión, al generar cada señal emitida por una subred de emisión una modulación de amplitud función del tiempo sobre cada subred de recepción, se efectúa una medida de dicha altura (h2) de objetivo por la estimación de la frecuencia de modulación de amplitud función del tiempo producida sobre una subred (31) de recepción por una subred (32, 51, 52, 53) de emisión situada a la misma altura.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque la estimación (/) de la frecuencia de modulación se efectúa con la ayuda de una función de correlación adaptada a dos dimensiones, que tiene en cuenta la frecuencia y la fase en el origen de dicha modulación, siendo la estimación de la frecuencia igual a la frecuencia fk del par frecuencia-fase (fk, tyk) que da el máximo de correlación.

4. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha red (501) de antenas de recepción que está compuesta de una o varias subredes (31, 501', 61, 701') de recepción y dicha red (502) de antenas de emisión que está compuesta de una o varias subredes (32, 502', 62, 702') de emisión, al generar cada señal emitida por una subred de emisión una modulación de amplitud función del tiempo sobre cada subred de recepción, se efectúa una medida de dicha altura (h2) de objetivo efectuada por la estimación de frecuencia de la modulación de amplitud función del tiempo producida sobre una subred (61) de recepción por una subred de emisión situada a una altura (62, 71, 72, 73) diferente, siendo dicha modulación el producto de una modulación correspondiente al trayecto de ida y de una modulación correspondiente al trayecto de vuelta de la onda emitida por dicha subred de emisión, siendo una medida de dicha altura la estimación fe de la frecuencia de modulación debida al trayecto de ida o de la estimación fr de la frecuencia de modulación debida al trayecto de vuelta.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque dicha medida se toma igual a una combinación de la estimación fe de la frecuencia de modulación debida al trayecto de ida y de la estimación fr de la frecuencia de modulación debida al trayecto de vuelta.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque dicha combinación efectúa la media de las dos estimaciones fey fr.

7. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado porque la estimación de dichas frecuencias de modulación, debidas al trayecto de ida y al trayecto de vuelta, se efectúa con la ayuda de una función de correlación que tiene en cuenta la frecuencia de modulación^ debida al trayecto de ida y la frecuencia de modulación debida al trayecto de vuelta, siendo dichas frecuencias fe, fr estimadas aquellas que dan el máximo de correlación.

8. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha estimación de frecuencia con la cual se obtiene dicha medida de altura es una combinación de estimaciones de frecuencia de modulación de amplitudes función del tiempo obtenidas para diferentes pares de subredes de emisión y recepción (51, 52, 53, 71, 72, 73).

9. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha red (501) de antenas de recepción que comprende varias subredes de recepción, recibiendo cada subredes dentro de recepción al menos una señal de interferencia que proviene de una señal emitida por dicha Red (502) de antenas de emisión, siendo modulada dicha red de interferencia en amplitud en función del tiempo:

- se capta la velocidad de al menos una modulación de amplitud (81) espacial producida a lo largo de dicha red de antenas de recepción en un instante (90) dado en función de la altura de dichas subredes;

A

10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque dicha Red (502) de antenas de emisión que comprende varias subredes de emisión, se capta la velocidad de la modulación de amplitud espacial producida sobre dicha red de antenas de recepción corre Aspondiente a cada señal emitida por una subred de emisión, se calcula para cada señal emitida una estimación f de la frecuencia de modulación de amplitud en función del tiempo por medio de una función de correlación espaciotemporal que toma en cuenta la frecuencia de modulación de amplitud en función del tiempo y la frecuencia de dicha al menos modulación de amplitud espacial, A correspondiendo la frecuencia fk al máximo de correlación de dicha correlación espaciotemporal siendo la frecuencia f estimada de la modulación de amplitud función del tiempo generada por dicha señal emitida, siendo calculada una medida de dicha altura (h2) de objetivo a partir de al menos una frecuencia estimada correspondiente a una señal emitida entre dichas subredes de emisión.

11. Procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado porque la medida de dicha altura (h2) de objetivo es una combinación de las medidas de altura correspondientes a cada señal emitida.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque dicha combinación es una media.

13. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho objetivo es un tablero de puente.

14. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque dicha altura (h2) de objetivo corresponde a la altura aparente del punto brillante medio de un objeto contenido colocado sobre el suelo.

15. Radar, caracterizado porque es adecuado para implementar el procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

16. Radar según la reivindicación 15, caracterizado porque es adecuado para equipar un vehículo automóvil.