FR2479989A1

FR2479989A1 - FM radar for mine detection - analyses beat frequencies from emitted and echo signals using contiguous narrow band filters and frequency multiplier

Info

Publication number: FR2479989A1
Application number: FR8007533A
Authority: FR
Inventors: Alain Deficis
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1980-04-03
Filing date: 1980-04-03
Publication date: 1981-10-09
Also published as: FR2479989B1

Abstract

The system is used to locate energy supply pipes or wires or even dielectric mines, and operates without damaging the objects and provides safe operation for personnel. The radar may be carried by a vehicle and has an antenna (1) which is directed towards the ground. The antenna emits a microwave signal generated by an oscillator (4) which is frequency modulated by a low frequency oscillator (5). Part (6) of the emitted signal is reflected by the surface of the ground while a second part (7) is reflected by an antitank mine (8) to the receiving antenna (9). In the receiver (10), the reflected signals beat with the microwave oscillator frequency to indicate the distance from the ground and from the mine. Typ. the high frequency signal is of 2-4 GHz and is modulated by a triangular wave having a time period of 20ms, allowing an object to be localised at 0.5m with a resolution of 2.5cm.

Description

L'invention, développée au Centre d'Etudes et de Recherches de
Toulouse (CERT) Etablissement de 1'ORNERA, concerne un système radar de localisation d'objets enterrés, au moyen d'ondes électromagnétiques.The invention, developed at the Center for Studies and Research
Toulouse (CERT) Establishment of ORNERA, concerns a radar system for locating buried objects, using electromagnetic waves.

Le repérage rapide et sans dommage d'objets enterrés pose des problèmes de sécurité pour les installations et/ou le personnel, notamment dans les installations d'alimentation en énergie, lorsqu'il s'agit de localiser des canalisations d'eau, de gaz ou des conduits de passage de câbles électriques et, aussi, dans le domaine militaire lorsqu'il s'agit de détecter des mines, notamment des mines antichars diélectriques indécelables par les dispositifs à détection magnétique connus. The rapid and damage-free identification of buried objects poses safety problems for installations and / or personnel, in particular in energy supply installations, when it comes to locating water and gas pipelines or conduits for the passage of electrical cables and, also, in the military field when it comes to detecting mines, in particular dielectric anti-tank mines undetectable by known magnetic detection devices.

On a donc pensé à utiliser des moyens de sondage non destructifs faisant appel à des dispositifs de mesure à distance dans lesquels on explore le milieu au moyen d'ondes électromagnétiques et on analyse le spectre de fréquence des signaux d'eclrospeur localiser et identifier les corps étrangers. We therefore thought of using non-destructive sounding means using remote measuring devices in which we explore the medium by means of electromagnetic waves and we analyze the frequency spectrum of the eclosphere signals locate and identify the bodies strangers.

Dans certains dispositifs de localisation connus, on détermine la distance séparant un émetteur d'une cible en visant la cible au moyen d'un rayonnement d'ondes électromagnétiques modulées en fréquence et en comparant les fréquences des ondes modulées émises et celles des ondes reçues après réflexion sur la cible. In certain known localization devices, the distance separating a transmitter from a target is determined by aiming at the target by means of radiation of electromagnetic waves modulated in frequency and by comparing the frequencies of the modulated waves emitted and those of the waves received after thinking about the target.

La comparaison consiste à multiplier les signaux d'échos avec des signaux locaux délivrés par un oscillateur hétérodyne lié au signal d'émission pour obtenir un signal dont la fréquence de battement est proportionnelle à la distance séparant 1'émetteur de la cible. Si la cible est mobile, il est possible de réaliser une poursuite automatique en maintenant constante l'amplitude des signaux d'échos servant à la comparaison, par amplification automatique des signaux reçus. The comparison consists in multiplying the echo signals with local signals delivered by a heterodyne oscillator linked to the transmission signal to obtain a signal whose beat frequency is proportional to the distance separating the transmitter from the target. If the target is mobile, it is possible to carry out an automatic tracking by keeping constant the amplitude of the echo signals used for the comparison, by automatic amplification of the received signals.

Les performances de ces dispositifs de mesure de distance sont cependant limitées du fait que les signaux émis illuminent une portion de l'espace et rencontrent souvent plusieurs cibles situées à des distances différentes. Les signaux reçus sont alors constitués par de nombreux signaux d'échos auxquels se superposent des signaux parasites dus à des réflexions multiples sur des obstacles. Il s'ensuit un masquage des signaux utiles par des échos parasites de grande amplitude qui interdit une poursuite de la cible par amplification automatique du signal reçu. The performance of these distance measuring devices is however limited because the signals emitted illuminate a portion of the space and often meet several targets located at different distances. The received signals are then constituted by numerous echo signals to which parasitic signals are superimposed due to multiple reflections on obstacles. This results in masking of the useful signals by large amplitude parasitic echoes which prevents tracking of the target by automatic amplification of the received signal.

Pour remédier à cet inconvénient on a déjà proposé dans le brevet français nO 2 260 804 de séparer les échos en groupes et de produire un effet de loupe sur les groupes d'échos sélectionnés en explorant au moyen d'un filtre très sélectif une fenêtre d'analyse de fréquence de largeur choisie centrée sur une fréquence d'observation déterminée. To remedy this drawback, French patent No. 2 260 804 has already proposed to separate the echoes into groups and to produce a magnifying effect on the groups of echoes selected by exploring, by means of a very selective filter, a window d frequency analysis of selected width centered on a determined observation frequency.

Le cadrage de la fenêtre d'analyse sur la fréquence d'observation s'obtient par décalage de la fréquence de battement en agissant, à ltémission, sur les paramètres de modulation (fréquence de modulation, excursion de fréquence) ou en modulant, à a réception, le signal écho par une tranche choisie du spectre de fréquence du signal d'émission. The framing of the analysis window on the observation frequency is obtained by shifting the beat frequency by acting, on transmission, on the modulation parameters (modulation frequency, frequency excursion) or by modulating, at a reception, the signal echoed by a selected section of the frequency spectrum of the transmission signal.

Ce procédé de cadrage de la fenêtre d'analyse de fréquence,pour effacer les échos indésirables et mieux localiser la cible, convient lorsque la fenêtre de distance à observer, ou sa loi d'évolution au cours du temps, est connue Mais l'effacement des échos indésirables est très difficile dans le cas où la fenêtre de distance ou sa loi d'évolution au cours du temps est inconnue, comme c'est le cas lorsqu'il s'agit de localiser des objets enterrés en mettant en oeuvre un radar monté sur un véhicule se déplaçant sur un terrain accidenté. This method of framing the frequency analysis window, to erase unwanted echoes and better locate the target, is suitable when the distance window to be observed, or its law of evolution over time, is known But the erasure unwanted echoes is very difficult in cases where the distance window or its law of evolution over time is unknown, as is the case when it comes to locating buried objects using a radar mounted on a vehicle moving on uneven terrain.

En effet, les irrégularités du sol font varier dans des limites importantes le rapport des distances émetteur-sol-cible et impliquent des déplacements très rapides (ou cadrage) de la fenêtre d'analyse en fréquence. En outre, le caractère aléatoire des variations du spectre de fréquence qui en résulte. rend très difficile, en pratique, une poursuite automatique du cadrage. Indeed, the irregularities of the ground vary within significant limits the ratio of the emitter-ground-target distances and imply very rapid displacements (or framing) of the frequency analysis window. In addition, the randomness of the variations in the frequency spectrum which results therefrom. makes it very difficult, in practice, to automatically continue framing.

L'invention pallie cet inconvénient et vise un dispositif et un procédé de localisation dans lequel le cadrage automatique de la fenêtre d'analyse en fréquence est adapté à la localisation d'objets enterrés quelles que soient les variations de distance entre le radar et le sol. The invention overcomes this drawback and aims at a localization device and method in which the automatic framing of the frequency analysis window is suitable for locating buried objects whatever the variations in distance between the radar and the ground. .

L'invention procure donc des moyens d'analyser une fenêtre de fréquence de largeur constante calée sur une fréquence asservie aux variations de la distance émetteur-sol. Elle comporte des moyens de décaler le spectre de fréquence des signaux d'échos de manière à obtenir une fréquence nulle pour le sol et diriger sur l'analyseur de fréquence seulement le spectre de fréquence des échos provenant des objets enfouis. The invention therefore provides means for analyzing a frequency window of constant width set on a frequency subject to variations in the transmitter-to-ground distance. It includes means for shifting the frequency spectrum of the echo signals so as to obtain a zero frequency for the ground and directing on the frequency analyzer only the frequency spectrum of echoes coming from buried objects.

L'invention pour la localisation d'objets enterrés met en oeuvre un radar comprenant un émetteur d'ondes hyperfréquences modulées en fréquence et un récepteur de signaux d'échos comportant des: moyens d'engendrer un signal de battement entre les signaux émis-et les signaux d'échos, des moyens d'analyser une partie choisie du spectre de fréquence du signal de battement dans lesquels un premier ensemble de filtrage comprenant une série de N filtres contigus à bande étroite ils f et de largeur de bande identique reçoit le signal de battement par l'intermédiaire d'un changeur de fréquence et elle est caractérisée en ce que le changeur de fréquence comprend des moyens de multiplier ledit signal de battement par un signal sinuscidal dont la fréquence représente la distance séparant l'émetteur du sol. The invention for locating buried objects uses a radar comprising a transmitter of frequency modulated microwave waves and a receiver of echo signals comprising: means for generating a beat signal between the signals emitted and the echo signals, means for analyzing a selected part of the frequency spectrum of the beat signal in which a first filtering assembly comprising a series of N contiguous filters with narrow band they f and of identical bandwidth receives the signal of beat by means of a frequency changer and it is characterized in that the frequency changer comprises means of multiplying said beat signal by a sinuscidal signal whose frequency represents the distance separating the transmitter from the ground.

Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, le radar comprend des moyens pour commander la variation de fréquence du signal sinusoïdal suivant une loi analogue à celle des variations de la distance séparant l'émetteur du sol. In a preferred embodiment of the invention, the radar comprises means for controlling the frequency variation of the sinusoidal signal according to a law similar to that of the variations of the distance separating the transmitter from the ground.

Le procédé selon l'invention pour la localisation à distance par radar d'un corps par rapport à une surface de référence est caractérisé en ce qu'on multiplie le signal de battement des signaux émis et des signaux d'échos reçus par un signal sinusoïdal dont la fréquence dépend de la distance séparant l'émetteur de ladite surface et en ce qu'on analyse ensuite le spectre de fréquence du signal résultant de la multiplication pour en déduire la distance cherchée. The method according to the invention for the remote location by radar of a body relative to a reference surface is characterized in that the beat signal of the transmitted signals and of the echo signals received is multiplied by a sinusoidal signal the frequency of which depends on the distance separating the transmitter from said surface and in that the frequency spectrum of the signal resulting from the multiplication is then analyzed to deduce the distance sought.

On se réfère maintenant aux figures qui illustrent fig. 1 : un dispositif radar à modulation de fréquence pour la localisa
tion d'objets enfouis, fig. 2 : le spectre de fréquence des signaux après traitement dans le
récepteur radar, fig. 3 : un récepteur radar comportant le perfectionnement selon l'inven
tion, fig. 4 : une forme de réalisation préférentielle du perfectionnement selon
l'invention, fig. 5 : une variante de réalisation de ce perfectionnement.We now refer to the figures which illustrate fig. 1: a frequency modulation radar device for locating
tion of buried objects, fig. 2: the frequency spectrum of the signals after processing in the
radar receiver, fig. 3: a radar receiver comprising the improvement according to the invention
tion, fig. 4: a preferred embodiment of the improvement according to
the invention, fig. 5: an alternative embodiment of this improvement.

Un système radar embarqué sur un véhicule tout-terrain comprend (fig. 1) une antenne 1 dirigée vers le sol 2 et émettant un signal hyperfréquence 3 engendré par un oscillateur 4 et modulé en fréquence au moyen d'un générateur basse fréquence 5. Une partie 6 du signal 3 est réfléchie par la surface du sol 2 en direction de l'antenne de réception 9 tandis que l'autre partie 7 y pénètre et est réfléchie par une mine antichar 8, puis capté par l'antenne 9 du récepteur radar lo. Le récepteur radar comprend des moyens, non représentés sur la figure, pour engendrer avec les signaux délivrés par ltoscillateur-4 un premier signal de battement dont la fréquence représente la distance émetteur-sol et un deuxième signal de battement de fréquence plus élevée,mais d'amplitude plus petite, représentant la distance émetteur-mine. A radar system on board an all-terrain vehicle comprises (fig. 1) an antenna 1 directed towards the ground 2 and emitting a microwave signal 3 generated by an oscillator 4 and frequency modulated by means of a low frequency generator 5. A part 6 of the signal 3 is reflected by the surface of the ground 2 towards the receiving antenna 9 while the other part 7 penetrates there and is reflected by an anti-tank mine 8, then picked up by the antenna 9 of the radar receiver lo. The radar receiver comprises means, not shown in the figure, for generating with the signals delivered by the oscillator-4 a first beat signal whose frequency represents the transmitter-ground distance and a second beat signal of higher frequency, but d 'smaller amplitude, representing the emitter-mine distance.

La figure 2 montre deux spectres de fréquence des signaux de battement relatifs à un objet disposé à 30 cm de profondeur de la surface du sol, la distance entre l'antenne d'émission et le sol variant en fonction de l'état de surface du terrain entre 1 m (trait plein) et 1,5 m (trait mixte). Les raies 11 et 11' relatives aux échos en provenance du sol ont, à cause de la différence de conductibilité des milieux de propagation, une amplitude supérieure à celle des raies 12 et 12' relatives aux échos engendrés par l'objet enterré. En outre, elles correspondent aux fréquences les plus basses.Les autres raies représentent le spectre de fréquence engendré par les signaux parasites dus aux néflexiens multiples 'une part, et à la surmodulation due au générateur 5, d'autre part.
Le récepteur radar comprend (fig. 3) un mélangeur 19 recevant sur une première entrée 191 les signaux d'échos reçus successivement du sol et de l'objet enfoui et sur sa seconde entrée 192, le signal délivré par l'oscillateur local 4 (fig. 1). Le mélangeur engendre un signal dont le battement inférieur de fréquence contient les informations de distance émetteur-sol et émetteur-objet. Ce signal de battement est appliqué à l'entrée d'un analyseur de spectre 20 qui comprend un changeur de fréquence 21 et un premier ensemble de filtrage 22 comportant N filtres contigus à bande passante identique Q f.Le changeur de fréquence 21 comprend, d'une part, un second ensemble de filtrage 211 comportant n filtres contigus 211$, 2112...2.11 de bande passante N f et, d'autre part, un générateur de signaux sinusoidaux 212 de fréquence variable commandé au moyen des signaux délivrés par l'ensemble de filtrage 211. La sortie du générateur est appliquée à l'entrée d'un organe de multiplication 213 qui reçoit, en outre, le signal de battement délivré par le mélangeur 19. Les sorties de l'analyseur de spectre 20 sont appliquées à l'entrée d'un dispositif de visualisation 23, par exemple un oscilloscope, dont le balayage est synchronisé sur le signal basse fréquence délivré par le générateur 5 (fig. 1).FIG. 2 shows two frequency spectra of the beat signals relating to an object placed 30 cm deep from the ground surface, the distance between the transmitting antenna and the ground varying according to the surface condition of the land between 1 m (solid line) and 1.5 m (mixed line). The lines 11 and 11 ′ relating to the echoes coming from the ground have, because of the difference in conductivity of the propagation media, a greater amplitude than that of the lines 12 and 12 ′ relating to the echoes generated by the buried object. In addition, they correspond to the lowest frequencies. The other lines represent the frequency spectrum generated by the parasitic signals due to the multiple neflexians on the one hand, and to the overmodulation due to the generator 5, on the other hand.
The radar receiver comprises (fig. 3) a mixer 19 receiving on a first input 191 the echo signals received successively from the ground and the buried object and on its second input 192, the signal delivered by the local oscillator 4 ( fig. 1). The mixer generates a signal whose lower frequency beat contains the transmitter-ground and transmitter-object distance information. This beat signal is applied to the input of a spectrum analyzer 20 which comprises a frequency changer 21 and a first filtering assembly 22 comprising N contiguous filters with identical bandwidth Q f. The frequency changer 21 comprises, d on the one hand, a second filtering unit 211 comprising n contiguous filters 211 $, 2112 ... 2.11 of bandwidth N f and, on the other hand, a sinusoidal signal generator 212 of variable frequency controlled by means of the signals delivered by the filtering assembly 211. The output of the generator is applied to the input of a multiplication member 213 which also receives the beat signal delivered by the mixer 19. The outputs of the spectrum analyzer 20 are applied to the input of a display device 23, for example an oscilloscope, the scanning of which is synchronized with the low frequency signal delivered by the generator 5 (fig. 1).

Dans une forme de réalisation préférentielle du changeur de fréquence 21 (fig. 4) l'ensemble de filtrage 211 comprend 10 filtres contigus de bande passante 1,8 kHz couvrant la bande de fréquence 0 - 18 kHz et comportant chacun un amplificateur 24 suivi d'un réseau de filtrage 25 relié à un détecteur quadratique 26. Le détecteur 26 comprend une diode 261 disposée dans le circuit de contre-réaction d'un amplificateur différentiel 262 qui reçoit sur une autre entrée un signal ajustable au moyen d'un potentiomètre 263 alimenté par une source de tension continue. Le condcnsateur 264 connecté à la masse électrique élimine les composantes alternatives résiduelles. On règle le filtre au moyen du potentiomètre 263, pour qu'il délivre un signal uniquement lorsque la raie spectrale correspondant à l'écho engendré par le sol est comprise dans la bande passante dudit filtre.Les sorties de l'ensemble de filtrage 211 sont ensuite appliquées respectivement aux entrées d'un générateur de signaux sinusoidaux 212 qui comprend un amplificateur opérationnel 28 et un oscillateur 29 du type V.C.O. Sur les entrées de l'amplificateur 28 sont inserrées des résistances 280, 281... 289 de valeurs choisies pour obtenir à la sortie du V.C.0. un signal sinusoidal dont la fréquence varie comme la fréquence du signal de battement correspondant à l'écho sol. Ce signal, qui représente la distance émetteur-soX eS2ensuite appliqué à l'entrée du multiplieur 213 (fig. 3). In a preferred embodiment of the frequency changer 21 (FIG. 4) the filtering assembly 211 comprises 10 contiguous filters of passband 1.8 kHz covering the frequency band 0 - 18 kHz and each comprising an amplifier 24 followed by a filter network 25 connected to a quadratic detector 26. The detector 26 comprises a diode 261 disposed in the feedback circuit of a differential amplifier 262 which receives on another input an adjustable signal by means of a potentiometer 263 powered by a DC voltage source. The capacitor 264 connected to the electrical ground eliminates the residual alternative components. The filter is adjusted by means of potentiometer 263, so that it delivers a signal only when the spectral line corresponding to the echo generated by the ground is included in the pass band of said filter. The outputs of the filter assembly 211 are then applied respectively to the inputs of a sinusoidal signal generator 212 which comprises an operational amplifier 28 and an oscillator 29 of the VCO type On the inputs of the amplifier 28 are inserted resistors 280, 281 ... 289 of values chosen to obtain at the output of the V.C.0. a sinusoidal signal whose frequency varies like the frequency of the beat signal corresponding to the ground echo. This signal, which represents the emitter-soX distance eS2ensuite applied to the input of the multiplier 213 (fig. 3).

En variante, le changeur de fréquence comprend un générateur de signaux sinusoidaux 212 comportant (fig. 5) des oscillateurs 30, 31, 32.. As a variant, the frequency changer comprises a sinusoidal signal generator 212 comprising (FIG. 5) oscillators 30, 31, 32 ..

39 dont les entrées sont respectivement reliées aux sorties des filtres de l'ensemble de filtrage 211 et qui sont mis successivement en service, les sorties des oscillateurs étant reliées aux entrées d'un additionneur analogique 40.39, the inputs of which are respectively connected to the outputs of the filters of the filtering unit 211 and which are successively put into service, the outputs of the oscillators being connected to the inputs of an analog adder 40.

Les oscillateurs sont réglés pour délivrer chacun un signal sinu soidal dont la fréquence correspond à la fréquence de coupure inférieure du filtre auquel il est relié. The oscillators are set to each deliver a sine wave signal whose frequency corresponds to the lower cutoff frequency of the filter to which it is connected.

La bande passante et le nombre de filtres de l'ensemble de filtrage 22 dépendent respectivement de la précision et de la résolution en distance souhaitées ainsi que de la profondeur de terrain explorée. The bandwidth and the number of filters of the filtering assembly 22 depend respectively on the precision and the distance resolution desired as well as on the depth of terrain explored.

A titre d'exemple, un radar émettant un signal hyperfréquencesde 2 à 4 GHz modulé par un signal triangulaire de période 20 ms permet de localiser jusqu a une profondeur de 0,5 m avec une résolution de 2,5 cm un corps enfoui dans un sol humide de rigidité diélectrique 9 où les ondes se propagent à la vitesse de 101 m/s en utilisant N = 20 filtres de 100 Hz de bande passante. For example, a radar emitting a microwave signal from 2 to 4 GHz modulated by a triangular signal with a period of 20 ms makes it possible to locate up to a depth of 0.5 m with a resolution of 2.5 cm a body buried in a wet soil of dielectric strength 9 where the waves propagate at the speed of 101 m / s using N = 20 filters of 100 Hz bandwidth.

Claims

1 - Radar for locating buried objects, such as pipes or dielectric mines, comprising a transmitter of frequency-modulated microwave waves and a receiver of echo signals which comprises means of generating a beat signal between the transmitted signals and echo signals, means for analyzing part of the frequency spectrum of the beat signal in which a first filtering assembly comprising a series of N contiguous filters, with narrow passband A f and bandwidth identical, receives the beat signal via a frequency changer, characterized in that the frequency changer comprises means for multiplying said beat signal by a sinusoidal signal whose frequency represents the distance separating the transmitter from the ground.

2 - Radar according to claim 1, characterized in that it comprises control means for modifying the frequency of the sinusofdal signal as a function of the variations in distance separating the transmitter from the ground.

3 - Radar according to claim 1 or claim 2, characterized in that the means for multiplying the beat signal by a sinusoidal signal comprise a second filter assembly comprising n contiguous filters of equal bandwidth N tf whose output is connected to the control input of a sine wave signal generator connected to an input of an analog multiplier whose other input receives the beat signal.

4 - Radar according to claim 3, characterized in that the sinusoidal signal generator comprises an amplifier connected to the output of the second filter assembly and connected to the frequency control input of a variable frequency oscillator.

5 - Radar according to claim 3, characterized in that the sinusordal signal generator comprises a series of oscillators, each oscillator being connected to the output of a filter of the second filtering assembly, the frequency of the signals delivered by each of the oscillators being equal to the lower cutoff frequency of the associated filter and the outputs of the oscillators being applied to the input of the analog multiplier.

6 - Radar according to any one of claims 3 to 5, characterized in that each of the filters of the second filtering assembly comprises a threshold device followed by a quadratic detector.

7 - Method for remote location by radar of buried objects in which the ground is probed by means of a frequency modulated signal delivered by a radar transmitter, the reflected echo signals are collected, the echo signals are multiplied with the signals emitted to generate a beat signal, characterized in that the beat signal is multiplied by a sinusoidal signal whose frequency depends on the distance separating the radar from the ground and in that the spectrum is then analyzed frequency of the resulting signal to deduce the distance between objects from the ground surface.