FR2767587A1 - Procede d'amelioration de la detection acoustique et de la determination de la position de petites cibles - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé pour la commande électronique d'un réseau phasé de transducteurs à ultrasons pour le balayage d'une zone d'observation par un motif de lobes acoustiques (18), qui comporte les étapes suivantes : (i) détection d'au moins un signal d'écho fort dans au moins une direction angulaire (theta1 ) par rapport à un axe de référence (Y) du réseau phasé de transducteurs, correspondant à la direction d'au moins un objet à haute réflexion, et (ii) commande du réseau phasé de transducteurs pour générer un motif de lobes acoustiques (8, 8', 17') pour le balayage de la zone d'observation comportant au moins deux lobes acoustiques (8, 8'), de manière à positionner un secteur zéro (9) entre deux lobes acoustiques (8, 8'), dans au moins une desdites directions détectées (theta1 ). La présente invention est parfaitement adaptée aux systèmes de détection d'obstacles pour tout type de véhicule.
Description
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PROCEDE D'AMELIORATION DE LA DETECTIONACOUSTIQUE ET DE
LA DETERMINA TION DE LA POSITION DE PETITES CIBLES
La présente invention concerne un procédé de commande électronique d'un réseau phasé de transducteurs à ultrasons pour le balayage d'au moins un secteur angulaire d'une zone d'observation, les transducteurs à ultrasons pouvant être commandés comme émetteurs ou comme récepteurs et étant disposés afin de générer un motif de lobes acoustiques dans la zone d'observation. L'utilisation de réseaux de transducteurs à ultrasons dans le domaine de la robotique pour la reconnaissance de formes par le balayage de l'environnement est connue. Une configuration particulièrement intéressante de transducteurs à ultrasons est l'arrangement en ligne X1, X2 et X3, comme cela est représenté sur la figure 1 dans laquelle les transducteurs sont configurés en un réseau en étoile à six branches, et émettent tous dans la même direction. Sur la figure 1, trois transducteurs la, lb et l c disposés en lignes forment un réseau à une dimension et sont utilisés comme émetteurs d'ondes ultrasonores. Des transducteurs à la périphérie des branches de l'étoile sont utilisés comme récepteurs pour capter les échos des ondes émises. Les transducteurs utilisés ont de préférence une forme circulaire et sont espacés d'une distance correspondant globalement à la longueur d'onde X des ondes
ultrasonores, à leur demi-longueur d'onde %/2 ou à une distance plus courte.
Dans un tel réseau, le champ acoustique du réseau d'émetteurs est constitué par la superposition et l'interférence des vibrations des trois émetteurs électriquement excités avec un déphasage approprié, et correspond aux faisceaux d'énergie acoustique directionnelle (lobes acoustiques) de la figure 2 dans le plan (X 1,Y): un lobe principal 2, deux lobes secondaires 4 et 4' dus au
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repliement de spectre du fait de l'écartement X. entre les émetteurs, et de
plusieurs lobes réseau 3, 3', 5 et 5' dus à la diffraction à l'ouverture du réseau.
Sur la figure 2, le plan de tir P2 correspondant au lobe principal 2, est perpendiculaire à l'axe Z, et les lobes secondaires 3, 3', 4, 4', 5 et 5' sont symétriques par rapport au lobe principal 2, puisque le réseau d'émetteurs est symétrique et que les trois émetteurs émettent avec la même phase. Cependant, en faisant varier la phase des signaux d'excitation fournis à chaque émetteur la, lb et lc de l'axe X1 par balayage électronique, il est possible de diriger le lobe principal dans différentes directions dans le plan (X1,Y). Dans l'exemple de la figure 2 le plan de tir P2 du lobe principal 2 ainsi que les plans de tir P4 et P'4 des lobes secondaires 4 et 4' et les plans de tir P3, P'3, P5 et P'5 des lobes réseau 3, 3', 5 et 5', tous symétriques par rapport au plan de tir P2, sont disposés autour de l'axe Z, et pivotent autour de cet axe dans le plan (X1,Y) comme cela est représenté par les flèches F et F' de la figure 2. Les différences de phase des signaux d'excitation fournis à chacun des émetteurs la, lb et lc qui sont ajustées de manière à diriger les phases des ondes ultrasonores dans une direction désirée, doivent correspondre aux différences des chemins de propagation des ondes ultrasonores à partir des émetteurs individuels, de manière à concentrer un maximum d'énergie dans la direction de propagation
désirée.
Simultanément, la distribution spatiale d'énergie des lobes varie, c'est à dire que les lobes secondaires qui sont situés du côté o le lobe principal tourne (dans la direction de la flèche F ou F'), diminuent, et les lobes secondaires situés de l'autre côté augmentent, tandis que l'amplitude du lobe principal varie légèrement. De ce fait, les méthodes connues de balayage par ondes ultrasonores tendent toutes à favoriser le lobe principal et à éliminer les lobes secondaires et les lobes réseau afin d'éviter les échos parasites dus à ceux-ci. Par des tirs successifs, pour lesquels des variations de phases successives sont appliquées aux émetteurs, on peut effectuer un balayage de la
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zone d'observation de 0 à pratiquement + 90 . En identifiant la présence d'un ou plusieurs échos à la réception des échos du lobe principal, la localisation et la distribution d'objets dans la zone balayée sont définies. Un réseau phasé unidimensionnel de transducteur à ultrasons utilisé pour ce type de détection est par exemple décrit dans la demande de brevet Japonaise No 052357. Un réseau phasé bi- dimensionnel ainsi que la méthode de commande de ce réseau sont décrit dans l'article de Kuroda, Jitsumori et Inari, Robotica 1984, volume 2, pages 47 à 53, intitulé " Ultrasonic imaging system for robots
using an electronic scanning method ".
io La figure 3a représente un exemple d'une zone d'observation dans laquelle se trouve un mur plat et une petite cible 7. Lorsque cette zone est balayée avec un motif de lobes ayant une directivité du type de celle décrite au-dessus, le mur peut générer un écho important. La figure 3b représente l'amplitude de l'écho WE du mur et l'amplitude de l'écho de la petite cible STE, en fonction du temps (ou de la distance). L'écho STE de la petite cible ne peut pas être détecté du fait que son amplitude Ase est masquée par le bruit N généré par les multiples réflexions du fort écho WE du mur. Du fait du faible
rapport signal/bruit, l'écho STE de la petite cible ne peut pas être identifié.
L'écho fort reçu peut ainsi " aveugler " le système de détection acoustique en
l'empêchant de détecter les faibles échos.
Ainsi, il existe un besoin important pour développer un nouveau type de procédé de commande de réseau pour le balayage par ultrasons améliorant la détection acoustique et l'identification de la localisation de petites cibles et/ou de cibles à faibles échos acoustiques, même à proximité d'objets à forts échos acoustiques, qui soit facile à mettre en oeuvre, et qui ne nécessite pas de
systèmes de transducteurs à ultrasons complexes et chers.
Le but de la présente invention est de résoudre les inconvénients évoqués ci-dessus, et d'améliorer la qualité de réception des échos acoustiques,
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grâce à un procédé de commande électronique d'un réseau phasé de transducteurs à ultrasons du type évoqué plus haut, qui est caractérisé en ce qu'il comporte les étape suivantes: détection d'au moins un signal d'écho fort dans au moins une direction angulaire par rapport à un axe de référence du réseau phasé de transducteurs à ultrasons, correspondant à la direction d'au moins un objet à haute réflexion, et commande du réseau phasé de transducteurs à ultrasons pour générer un motif de lobes acoustiques pour le balayage de la zone d'observation comportant au moins deux lobes acoustiques, de manière à positionner un 0o secteur zéro entre deux faisceaux ultrasonores, dans au moins une desdites
directions détectées.
Avantageusement, le positionnement d'un secteur zéro est automatiquement mis en oeuvre lorsqu'un écho fort comportant une valeur
supérieure à une valeur seuil prédéterminée, est détecté.
1 5 Le réseau phasé de transducteurs à ultrasons peut être commandé avec
une pondération de puissance.
Le réseau de transducteurs à ultrasons peut avoir une configuration unidimensionnelle de type ligne de transducteurs, ou bidimensionnelle de type étoile à plusieurs branches ou lignes de transducteurs en quinconce, disposée
sur une surface plane ou courbe.
Avantageusement, les transducteurs à ultrasons utilisés comme émetteurs sont en nombre impair, et/ou les transducteurs utilisés comme
récepteurs sont ceux situés aux extrémités des lignes ou des branches.
D'autre objets et caractéristiques de la présente invention apparaîtront à
la lecture ci-dessous de la description des modes de réalisation particuliers de
l'invention, illustrés par les figures suivantes:
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la figure 1 (déjà décrite) représente un réseau phasé de transducteurs à ultrasons utilisé pour le balayage d'une zone d'observation, commandé électroniquement par un procédé de commande connu, la figure 2 (déjà décrite) représente la distribution spatiale des faisceaux ultrasonores (c'est à dire, le motif des lobes acoustiques) générée de manière connue par le réseau phasé de la figure 1, les figures 3a et 3b (déjà décrites) représentent un exemple d'une zone d'observation devant être balayée et les amplitudes des échos reçus correspondants, 1o. la figure 4 représente les amplitudes des échos reçus à partir de la zone d'observation de la figure 3a, détectés en utilisant le procédé de commande du réseau de transducteurs selon l'invention, et les figures 5a, 5b et 5c représentent respectivement, les motifs de lobes ultrasoniques dans une échelle logarithmique, des premier, second et troisième
i5 exemples de mise en oeuvre du procédé de la présente invention.
Après un balayage de la zone d'observation avec, par exemple, un motif de lobes acoustiques du type de celui décrit au dessus, une première caractéristique importante de la présente invention consiste à identifier la direction angulaire 00 d'un fort écho correspondant à une cible à forte réflexion acoustique. Cela peut par exemple être fait de façon automatique, en identifiant
un signal d'écho comportant une valeur supérieure à une valeur seuil.
Selon une caractéristique importante de la présente invention, le réseau phasé de transducteurs acoustiques à ultrasons est commandé électroniquement de façon à positionner un secteur d'émission nulle, appelé secteur " zéro ", sur la direction angulaire de l'objet à fort écho acoustique détecté. Un secteur zéro d'un motif de lobes acoustiques, est défmini comme étant un secteur angulaire entre deux lobes, c'est à dire un secteur angulaire dans lequel il n'y a pas, ou pratiquement pas, d'émission acoustique (pas de distribution spatiale d'énergie
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acoustique), o il n'y a ni lobe principal, ni lobes secondaires, ni lobes réseau (ou de très faibles lobes réseau). Cela peut être mis en oeuvre dés qu'un signal d'écho ayant une certaine valeur est détecté, et permettre de détecter le faible
écho d'une petite cible.
Comme cela est représenté sur la figure 4, en mettant en oeuvre un tel positionnement de zéro, c'est à dire en identifiant dans la zone d'observation une direction angulaire 00 perpendiculaire au mur évoqué plus haut, et en positionnant un secteur zéro sur l'angle 00 correspondant, l'écho WE du mur est largement atténué de même que le bruit généré par les réflexions multiples 1o de la figure 3b. L'amplitude AsTE de l'écho STE de la petite cible n'est plus noyée dans le bruit environnant créé par le fort écho du mur, et peut ainsi être identifiée. La figure 5a représente un exemple d'un motif de lobes 18 mettant en oeuvre la méthode selon la présente invention. Ce motif de lobes est généré par un réseau linéaire des sept transducteurs à ultrasons alignés de la figure 1
utilisés comme émetteurs.
Pour une meilleure compréhension de l'invention, les figures 5a, 5b et c sont des représentations logarithmiques de la distribution spatiale de lobes acoustiques. Dans ces représentations, le lobe principal, les lobes secondaires et les lobes réseau ont à peu près la même dimension, les secteurs zéro sont
ainsi plus facilement repérables.
Sur la figure 5a, un secteur angulaire zéro 9 est par exemple défini entre les deux lobes acoustiques adjacents 8 et 8'. Le réseau phasé de transducteurs est commandé de manière à positionner le secteur angulaire 9 dans la direction de l'angle 01 par rapport à l'axe Y, correspondant à la direction du fort écho détecté dans cette direction angulaire. L'axe Y est perpendiculaire au plan du réseau de transducteurs et passe en son centre (voir figurel). L'objet à forte réflexion acoustique est ainsi masqué aux faisceaux d'ondes acoustiques (lobes). Dans ce cas, les expériences ont montré que les valeurs des autres
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signaux d'échos augmentent en réponse aux lobes acoustiques 17 du motif de
lobes 18.
La largeur des secteurs zéro, de même que la largeur des lobes, peuvent être augmentées, ou diminuées, en pondérant les signaux d'excitation fournis aux transducteurs du réseau. L'augmentation ou la diminution des secteurs zéros peut avantageusement être utilisée lorsque la zone d'observation comporte un secteur angulaire avec plusieurs points de réflexion ou un objet à multiple points de réflexion. Une fois que le secteur zéro est positionné sur le bon angle 01, le motif de lobes peut être modifié pour conserver la meilleure io couverture et la meilleure distribution d'énergie acoustique sur le reste de la
zone d'observation.
Le réseau phasé de transducteurs peut en outre être commandé de manière à balayer la zone d'observation avec le secteur angulaire zéro sélectionné, pour être positionné sur un autre angle, de la même manière que
les lobes du motif peuvent balayer ladite zone.
Selon une autre caractéristique importante de la présente invention, dans le cas o la zone d'observation comporte plusieurs cibles à haute réflexion, le réseau phasé de transducteurs peut être commandé de manière à pouvoir positionner plusieurs secteurs zéro du même motif de lobes sur les positions angulaires correspondant à ces cibles. En cherchant à positionner un secteur zéro sur chaque position angulaire de ces cibles, à partir du même motif de lobes, un nouveau problème se pose dans le cas o le nombre de cibles à haute réflexion acoustique est plus important que le nombre de secteurs zéro du motif de lobes. Dans ce cas, une fenêtre temporelle correspondant à un filtre ne laissant passer que les échos pendant un certain temps, peut être appliquée sur les transducteurs commandés comme capteurs, afin de diminuer le nombre d'échos forts, en éliminant par ce filtre les échos forts les plus lointains, jusqu'à ce que le nombre d'échos à haut niveau
puissent être cachés par les secteurs zéros disponibles.
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La figure 5b représente un autre exemple d'un motif de lobe acoustiques 10 dans lequel les lobes 11, et donc les secteurs zéro, sont moins nombreux mais plus larges que dans l'exemple précédent. Ce motif est obtenu en commandant les trois transducteurs alignés la, lb et l c du réseau de la figure 1 comme émetteurs. En commandant le réseau phasé de transducteurs, un secteur angulaire zéro 13 peut être par exemple positionné sur l'angle 02 si
un fort écho est détecté dans la direction de l'angle 02.
La figure 5c représente un troisième exemple de motif de lobes acoustiques 14 utilisé dans la mise en oeuvre de la présente invention. Ce o0 motif est généré par le même réseau phasé de transducteurs que celui de la figure 3a, mais les signaux d'excitation fournis aux transducteurs sont
pondérés en contrôlant la puissance du signal fourni à chaque transducteur.
Cette pondération peut être mise en oeuvre, par exemple, en connectant les émetteurs à un réseau résistif ou à un réseau d'amplificateurs variables qui peut atténuer les signaux fournis. La pondération du réseau de transducteurs permet d'élargir les secteurs zéro, comme le secteur zéro 16 entre les lobes 15 et 15' dans la direction 03. Un autre moyen d'élargir un secteur zéro consiste à
diminuer la fréquence des signaux d'excitation.
Les réseaux de transducteurs utilisés dans ces exemples peuvent être, par exemple, constitués par dix neuf transducteurs à ultrasons disposés en étoile à six branches, chacun ayant un diamètre de 0,005 m et étant séparés d'une distance de 0,01 m. La fréquence des signaux d'excitation peut être alors
de 40 kHz.
Cependant, les réseaux de transducteurs utilisés dans la présente invention, peuvent avoir d'autres configurations, comme par exemple une configuration unidimensionnelle telle qu'une ligne de transducteurs, ou bidimensionnelle telle qu'une combinaison d'au moins deux lignes de transducteurs en quinconce. D'autre part, ce type de réseau de transducteurs
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peut être disposé sur une surface plane ou courbe, créant, dans ce dernier cas,
un réseau tridimensionnel.
Avantageusement, la méthode de commande selon la présente invention peut utiliser un nombre impair de transducteurs comme émetteurs, et/ou les transducteurs utilisés comme récepteurs sont ceux situés aux extrémités des
lignes ou des branches.
Dans la présente invention, seuls quelques transducteurs sont suffisants
pour mettre en oeuvre le balayage selon le procédé de la présente invention.
De tels transducteurs sont bon marché et facilement disponibles, et permettent o0 de réaliser un système pour la mise en oeuvre de la présente invention, petit et
économique en terme de consommation et de coûts de fabrication.
La présente invention a de nombreuses applications, notamment dans le domaine des automobiles (exemple: système de sonar, parcage automatique de voitures, système d'alarme de collision), dans l'industrie de la robotique qui nécessite la reconnaissance de l'environnement, dans le secteur domestique (exemple: nettoyage automatique du sol) et dans le domaine de la santé (exemple: sonar pour personnes non voyantes ou mal voyantes et détection de
mouvement pour personnes âgées).
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Claims (11)
1. Procédé de commande électronique d'un réseau phasé de transducteurs à ultrasons (1) pour le balayage d'au moins un secteur angulaire d'une zone d'observation, les transducteurs à ultrasons pouvant être commandés comme émetteurs ou comme récepteurs, et étant disposés afin de générer un motif de lobes acoustiques (2,3,3',4,4',5, 5') dans la zone d'observation, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: détection d'au moins un signal d'écho fort (WE) dans au moins une 0o direction angulaire (00,01,02,03) par rapport à un axe de référence (Y) du réseau phasé de transducteurs à ultrasons (1), correspondant à la direction d'au moins un objet à haute réflexion (6), et commande du réseau phasé de transducteurs à ultrasons (1) pour générer un motif de lobes acoustiques (2,3,3',4,4',5,5') pour le balayage de la zone d'observation comportant au moins deux lobes acoustiques (8,8'; 12;12'; 15,15'), de manière à positionner un secteur zéro (9; 13; 16) entre deux lobes acoustiques (8,8'; 12,12'; 15,15'), dans au moins une desdites
directions détectées (00,01,02,03).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un positionnement d'un secteur zéro (9; 13; 16) est automatiquement mis en oeuvre lorsqu'un écho fort (WE) comportant une valeur supérieure à une
valeur seuil prédéterminée, est détecté.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les signaux de commande des transducteurs à ultrasons du réseau (1) sont pondérés en puissance. ii 2767587
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que ledit réseau de transducteurs à ultrasons (1) a une
configuration unidimensionnelle.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite configuration unidimensionnelle est une ligne de transducteurs à ultrasons (la,lb,lc).
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes
io caractérisé en ce que ledit réseau de transducteurs à ultrasons a une
configuration bi-dimensionnelle (1).
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite
configuration bidimensionnelle est une configuration en étoile.
8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite configuration bidimensionnelle est une combinaison d'au moins deux lignes de
transducteurs à ultrasons disposés en quinconce.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé
en ce que les transducteurs à ultrasons utilisés comme émetteurs sont en
nombre impair.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5, 7 et 8, caractérisé
en ce que les transducteurs à ultrasons utilisés comme récepteurs sont ceux
situés aux extrémités des lignes ou des branches.
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11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisé
en ce que la configuration de transducteurs à ultrasons est disposée sur une
surface courbe.
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| ST | Notification of lapse |