FR2941304A1 - Procede de mesure en distance, notamment pour radar a courte portee - Google Patents

Procede de mesure en distance, notamment pour radar a courte portee Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne une procédure de mesure en distance. Elle s'applique notamment pour des radars à courte portée, mais pas exclusivement. Le procédé utilise une onde électromagnétique comportant au moins une séquence d'émission (31, 32, 33, 34, 35) du type FSK, à au moins deux fréquences d'émission (F , F ), émises successivement vers ladite cible un nombre p de fois donné à l'intérieur de la séquence. L'écart δF entre les fréquences d'émission (F , F ) est sensiblement égal à un nombre entier k de fois la fréquence de répétition (SPRF) du cycle de fréquences, la mesure de distance étant obtenue à partir de la mesure de différence de phases Δφ entre les signaux reçus correspondant respectivement à une première fréquence (F ) et à une deuxième fréquence (F ).

Description

PROCEDE DE MESURE EN DISTANCE, NOTAMMENT POUR RADAR A COURTE PORTEE
La présente invention concerne une procédure de mesure en distance. Elle s'applique notamment pour des radars à courte portée, mais pas exclusivement.
Les radars mobiles de courte portée ont plusieurs applications. On peut notamment citer : les radars de détection d'arrivée de missiles, ces radars équipant des aéronefs ou toute autre plateforme ; les radars équipant les systèmes dits Sense and Avoid ; les radars équipant des automobiles, pour des fonctions de régulation de vitesse ou d'anticollision par exemple ; les radars pour la détection d'objets de proximité.
De tels radars utilisent fréquemment, pour des questions de coût, une forme d'onde ayant très peu de portes distance, et même dans certains cas une seule porte distance. Ces radars peuvent être à ondes à impulsions ou à ondes continues. Classiquement, un radar à impulsions déduit la distance d'un objet à partir du retard entre l'instant d'émission de l'onde et la réception de son écho. En pratique, on utilise un certain nombre de portes distance dont la durée est voisine de l'inverse de la bande du signal émis. La distance est déduite de la position de la porte distance correspondant au niveau maximum de signal reçu et elle peut être affinée à partir de la mesure relative du niveau du signal reçu dans les portes adjacentes. Une autre méthode connue pour mesurer la distance est d'émettre une séquence d'au moins deux fréquences d'émission légèrement décalées, généralement de l'ordre du kHz à la centaine de kHz. L'onde émise est appelée FSK, acronyme de l'expression anglo-saxonne Frequency Shift Keying . Dans le cas où on émet alternativement deux fréquence FI et F2 espacées de bF, le déphasage différentiel entre les deux retours correspondant respectivement aux impulsions à la fréquence FI et aux impulsions à la fréquence F2 est donné par la relation suivante : 2 ço=47-t- R.SF+2rc.FD.AT (1) c Où R représente la distance à la cible, c la vitesse de la lumière, FD l'effet 5 Doppler dû à la mobilité relative de la cible et AT l'intervalle de temps entre les émissions successives des séquences à FI et F2. La distance R est donc obtenue par mesure de la différence de phase Aç après avoir éliminé le biais résiduel dû à l'effet Doppler moyen FD grâce à l'analyse Doppler et en supposant qu'il n'y a pas d'ambiguïté Doppler. La 10 distance maximale mesurée est atteinte lorsque A çp = 2,t R< c 2.8F Ces solutions présentent plusieurs inconvénients. En particulier si l'écart de 15 fréquence 8F est grand, la mesure de distance est précise, pour un rapport signal sur bruit donné, mais la mesure risque rapidement d'être ambiguë sur une cible éloignée de surface équivalente radar suffisamment élevée pour produire une détection. Inversement si 8F est petit, le risque de mesure de distance ambiguë est faible mais cette mesure est peu précise. 20 Un but de l'invention est notamment de pallier les inconvénients précités. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de mesure de la distance d'une cible utilisant une onde électromagnétique comportant au moins une séquence d'émission du type FSK à au moins deux fréquences 25 d'émission FI, F2 émises successivement vers ladite cible un nombre (p) de fois donné à l'intérieur de la séquence formant un cycle de répétition des fréquences d'émission FI, F2, l'écart 5F entre les fréquences d'émission FI, F2 étant sensiblement égal à un nombre entier k, k étant supérieur ou égal à 1, de fois la fréquence de répétition SPRF du cycle de fréquences, la 30 mesure de distance étant obtenue à partir de la mesure de différence de phases Açv entre les signaux reçus correspondant respectivement à une première fréquence FI et à une deuxième fréquence F2. Le procédé comporte par exemple un nombre N de séquences d'émission successives, N étant supérieur ou égal à deux, les paires de fréquences (2) étant définies de telle sorte que les écarts de fréquences soient différents d'une paire à l'autre et soient un multiple entier de la fréquence de répétition SPRF.
La mesure de distance est par exemple effectuée à partir de mesures de différences de phases Açp entre les signaux reçus provenant des différentes fréquences Fl,, F2,, où Fu ≠F L, et F2, ≠ F2 J, b'i ≠ j , de chaque séquence, les différentes mesures permettant de lever l'ambiguïté sur la mesure de
distance par recoupement des mesures éventuellement ambigües .
La distance non ambiguë R est par exemple obtenue en résolvant le système d'inéquations ci-dessous, à partir des mesures de différences de phase Api, ocp J,..., acp,,, effectuées dans les séquences d'ordre i, j, m : 47r.SF. O(p, <_ (( ` R + E;) mod 2ic)) mod 2n c 47r.SF. (( ` R ù ) mod 2n)) mod 2n c 4ic.SF. &pi S(( R+E1)mod27c))mod27c c 4ir.SF. acpj (( ' R ù E~) mod 2nr)) mod 2n c p(pk ((41c.SFk R+ Ek) mod 2n)) mod 2n c Acpk ~ ((4zr.SFk R ù Ek) mod 2nr)) mod 2n c SF, SFJ, 6F,,, étant les écarts de fréquence entre les fréquences d'émission FI, F2 à l'intérieur des séquences. les termes si,Eprenant en compte les erreurs sur les mesures de différence de phase.
Une mesure de différence de phases Aço peut être effectuée lorsque la puissance des signaux reçus est supérieure à un seuil donné. L'invention a également pour objet un radar mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.
Avantageusement, ce radar équipe par exemple un véhicule automobile pour mesurer la distance entre le véhicule porteur et d'autres véhicules.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : - la figure 1, un exemple de forme d'onde du type FSK ; les figures 2a et 2b, des illustrations respectives du spectre des signaux reçus dans une porte distance après l'impulsion à la première fréquence FI = F et le spectre des signaux reçus dans la porte distance après l'impulsion à la fréquence F2 = F + bF ; la figure 3, une illustration du principe de fonctionnement d'un radar mettant en oeuvre le procédé selon l'invention, émettant successivement des séquences de formes d'onde du type FSK avec des couples de fréquences différents d'une séquence à l'autre.
La figure 1 illustre un exemple de forme d'onde FSK à deux fréquences utilisée dans une solution selon l'art antérieur. Plus particulièrement, elle présente en fonction du temps t les intervalles d'émission 1, 2 selon deux fréquences FI et F2. Le radar émet donc des impulsions 1, 2 alternativement sur deux fréquences FI et F2, F2 étant égale à FI + bF. Si le radar ne dispose que d'une porte distance après l'impulsion à FI et une autre après l'impulsion à F2, l'écart de fréquence 8F est choisi afin de satisfaire le compromis suivant : Si aF est grand, soit dcp/dR élevé, la mesure de distance est précise, pour un rapport signal à bruit S/B donné, en revanche la mesure risque rapidement d'être ambigüe sur une cible éloignée de surface équivalent radar SER élevée pour produire une détection. Dans ce cas, et sans autre traitement complémentaire, une fausse distance est associée à cette cible. Inversement, si bFest petit, le risque de mesure de distance ambiguë est faible mais cette mesure est peu précise. D'autre part, l'ambiguïté en vitesse correspond à la fréquence de répétition du cycle de fréquence SPRF correspondant à l'inverse de la période de répétition de la forme d'onde 4, notée SPRI, soit SPRF = 1/SPRI. L'ambiguïté ne correspond pas en effet à la fréquence des impulsions PRF = 1/PRI où PRI représente la période de répétition 3 des impulsions. Si on veut conserver une valeur élevée d'ambiguïté en vitesse, on doit réduire l'intervalle entre deux impulsions d'émission à fréquences distinctes. Ceci réduit la distance maximale où un écho émis à la fréquence FI, respectivement F2, est reçu avant l'émission de l'impulsion suivante, respectivement Fi. La conséquence est que, lorsqu'une telle forme d'onde 1, 2 est employée à bord d'un radar aéroporté, le domaine où le fouillis de sol illuminé et donne des retours significatifs s'étend bien au-delà d'un retard valant PRI. II s'ensuit que : la séquence qui suit l'émission d'une impulsion à une fréquence F contient du fouillis illuminé par les impulsions émises à cette 1 o fréquence F, pour des rangs d'ambiguïté pairs, mais aussi du fouillis illuminé par les impulsions précédentes émises à F + bF , pour des rangs d'ambiguïté impairs, le terme rang d'ambiguïté d'ordre k désignant ici le nombre d'impulsions k qui séparent l'émission de la réception de l'écho d'un objet, et non l'ambiguïté au sens de la phase 15 différentielle selon la relation (1) ; la séquence qui suit l'émission d'une impulsion à une fréquence F + 8F contient du fouillis illuminé par les impulsions émises à cette fréquence F + 8F , pour des rangs d'ambiguïté pairs, mais aussi du fouillis illuminé par les impulsions précédentes émises à F + 8F , pour 20 des rangs d'ambiguïté impairs.
Les figures 2a et 2b illustrent respectivement le spectre des signaux reçus dans la porte distance après l'impulsion à la fréquence FI = F et le spectre des signaux reçus dans la porte distance après l'impulsion à la fréquence 25 F2 = F + bF , dans le cas d'une application aéroportée par exemple. Plus particulièrement, la figure 2a illustre le spectre, en fonction de la fréquence Doppler, que l'on obtient après avoir échantillonné les signaux sur plusieurs périodes de répétition SPRI du code FSK, après l'émission à la fréquence F. Une première raie 21 correspond à la fréquence réfléchie par la 30 cible. Cette raie 21 est située au centre sur deux fréquences séparées de la fréquence de répétition SPRF elles-mêmes centrées sur un spectre 22, 23 de fouillis de sol en écho des impulsions à la fréquence F et s'étalant entre - 2.VAC / 1 et +2.VAC / 1 autour de cette fréquence.
Deux spectres de fouillis de sol 24, 25 de forme identique en réponse aux échos des impulsions à la fréquence F + bF sont décalés de la fréquence bF par rapport aux spectres de fouillis de sol précédents. La figure 2b illustre le spectre, en fonction de la fréquence Doppler, que l'on obtient après avoir échantillonné les signaux sur plusieurs périodes de répétition SPRI du code FSK, après l'émission à la fréquence F + bF . Dans ce cas, la raie 21 correspondant à l'écho de cible est centrée sur les spectres de fouillis de sol correspondant aux impulsions à la fréquence F + bF , les spectres de fouillis de sol correspondant aux impulsions à la fréquence F étant décalées de 6F. II apparaît qu'une valeur faible de l'écart de fréquence bF préserve un domaine 26 en vitesse vierge de fouillis de sol étendu comme le montre les figures 2a et 2b, en effet si bF est faible, les spectres de fouillis de sol d'un côté 22, 24 et de l'autre 23,25 sont très proches et laissent un espace important libre de fouillis entre les deux groupements de spectres 22, 24, 23, 25 ; minimise les risques d'ambiguïté en distance sur cible forte éloignée résultant de la mesure de la phase différentielle conformément à la relation (1) ; mais fournit notamment une mesure de distance peu précise comme le montre la relation (2). Inversement, une valeur forte de l'écart de fréquence bF : fournit une mesure de distance précise, tant que la mesure n'est pas ambiguë ; réduit le domaine 26 de vitesse vierge de fouillis de sol en rapprochant les spectres 23, 24 ; - accroît les risques d'ambiguïté en distance sur cible forte éloignée. L'invention permet notamment de répondre à ces trois critères de performance, à savoir : la préservation d'un domaine en vitesse 26 dénué de fouillis de sol étendu , minimiser le risque d'ambiguïté distance sur cible forte éloignée ; une mesure de distance précise.35 La figure 3 illustre le principe de fonctionnement de l'invention en présentant un exemple de cycles d'émission. Dans cet exemple, le radar utilise un motif FSK à deux impulsions alternées de fréquences FI et F2 = F~ + 8F . Le radar émet un cycle de N séquences 31, 32, 33, 34, 35 de 2p impulsions 311, 312 par séquence, chaque séquence comportant des impulsions alternativement à FI et F2.
Ainsi, en premier lieu on choisit 8F= k.SPRF, k étant un nombre entier. Comme le montrent les figures 2a et 2b, ceci conduit à superposer dans une même région Doppler les retours de fouillis de sol des rangs d'ambiguïté pairs 24, 25 et impairs 22, 23. On obtient alors une zone vierge de fouillis de sol 26 la plus vaste possible, pour une valeur donnée de SPRF. Une valeur de 8F légèrement différente de la valeur précitée peut néanmoins être utilisée, pourvu que la superposition des retours de fouillis ambigus n'augmente pas significativement l'étalement spectral 22, 23, 24, 25 minimal que l'on peut obtenir. Par ailleurs, il est possible de choisir de façon générale k = 1, d'autres valeurs étant évidemment possibles. A ce stade, une valeur élevée de 8F conduit à faire des mesures de distance très précises mais ambigües sur des cibles de SER importantes qui sont détectables au-delà d'une distance telle que la rotation de phase différentielle, telle que définie par la relation (1), soit ambigües, c'est-à-dire 0ço >22c En second lieu, on émet un certain nombre N de séquences de paires de 25 fréquences d'émission alternée F1,, F2, du type de celle FI, F2 définies précédemment et vérifiant les conditions suivantes : 8F, = F2i ù Fli pour i entier appartenant à l'intervalle [1, N] (3) bF = k.SPRFi k étant entier (4) 8Fi ~ 8F quel que soit i ~ j appartenant à l'intervalle [1, N] (5) I I est possible de choisir k= 1. Pour une cible donnée on obtient, pour N séquences, N valeurs distinctes de déphasages éventuellement ambigus. La comparaison d'au moins deux 35 valeurs de déphasages obtenus avec des écarts de fréquence 8F 30 judicieusement choisis permet d'obtenir une mesure de distance sans ambiguïté, tout en étant plus précise que les méthodes selon l'art antérieur. Un radar selon l'invention émet donc des cycles de N séquences de p paires 5 d'émission alternées F1;, F2; comme illustré par la figure 3 et vérifiant les conditions ci-dessus (3) à (5). Dans l'exemple de la figure 3, le nombre N de séquences est égal à 5. Dans chacune des séquences 31, 32, 33, 34, 35 les moyens de traitement du radar calculent la transformée de Fourier rapide FFT des p échantillons 10 de signal reçu correspondant à la première fréquence FI puis à la deuxième fréquence F2, c'est-à-dire en fait aux fréquences Fi;, F2;, i appartenant à l'intervalle [1, 5]. Par cette FFT on obtient le spectre de signaux reçus, c'est-à-dire la répartition de la puissance de ces signaux reçus en fréquences. Un critère de détection est défini. Ce critère prend notamment en compte un 15 seuil de puissance reçue qui permet de s'affranchir des fausses alarmes. Le niveau de ce seuil peut être déterminé de plusieurs façons, par simulation, expérimentalement ou par le calcul par exemple. Si le critère de détection est satisfait, c'est-à-dire qu'une cible est sensée être détectée, les moyens de traitement du radar calculent la phase différentielle 20 entre les retours correspondant à la fréquence FI et à la fréquence F2, et cela pour chacune des séquences. Cette phase est ensuite corrigée du biais dû à l'effet Doppler. A l'issue des analyses sur les N séquences de paires de fréquences d'émission alternées Fl,, F2,, on obtient Q mesures de phase différentielle, 25 Q étant inférieur ou égal à N. Q est égal à N si le critère de détection est satisfait pour toutes les séquences. Si Q est supérieur ou égal à deux, c'est-à-dire si on obtient au moins deux mesures de phase différentielle, la distance non ambiguë est obtenue, par exemple en résolvant le système d'inéquations (6), (7), (8) suivant, à partir 30 des mesures différentielles effectuées dans les séquences d'ordre i, j, k , Q étant pris dans cet exemple égal à 3 : 9 4~r ((47c.8 ' R + E;) mod 27c)) mod 27c c 47r.8F. Ocp; >.(( ' Rù )mod2ic))mod27c c 47c.8F. Ocpj (( ' R + Ej ) mod 27c)) mod 2~c c 4ic.8F. Acp, >ù (( ' R ù E~) mod 27t)) mod 27c c Q(pk <ù ((4'1.8F' R + E k) mod 27u)) mod 27c c A(pk . 47c.8Fk R ù Ek) mod 27c)) mod 27c c Les termes ej, ek prennent en compte les erreurs sur les mesures de 10 phase différentielles. Ils sont reliés au rapport signal sur bruit et appartiennent à un intervalle donné
La résolution du système d'inéquations précédent fait appel aux techniques mathématiques usuelles connues de l'homme du métier.
15 L'invention permet ainsi avantageusement d'effectuer des mesures de distance précises sans nécessiter l'utilisation d'une forme d'onde à plusieurs portes distances. (6) (7) (8)

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de mesure de la distance d'une cible utilisant une onde électromagnétique comportant au moins une séquence d'émission (31, 32, 33, 34, 35) du type FSK à au moins deux fréquences d'émission (FI, F2) émises successivement vers ladite cible un nombre (p) de fois donné à l'intérieur de la séquence formant un cycle de répétition des fréquences d'émission (FI, F2), caractérisé en ce que l'écart (PF') entre les fréquences d'émission (FI, F2) est sensiblement égal à un nombre entier k, k étant supérieur ou égal à 1, de fois la fréquence de répétition (SPRF) du cycle de fréquences, la mesure de distance étant obtenue à partir de la mesure de 10 différence de phases (A q)) entre les signaux reçus correspondant respectivement à une première fréquence (FI) et à une deuxième fréquence (F2).
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un 15 nombre N de séquences d'émission successives (31, 32, 33, 34, 35), N étant supérieur ou égal à deux, les paires de fréquences étant définies de telle sorte que les écarts de fréquences soient différents d'une paire à l'autre et soient un multiple entier de la fréquence de répétition (SPRF). 20
  3. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la mesure de distance est effectuée à partir de mesures de différences de phases (A ) entre les signaux reçus provenant des différentes fréquences (F1;, F2; ), avec Ft; ~ F,1 et FZ, ≠ F2 , Vi ~ j , de chaque séquence (31, 32, 33, 34, 35), les différentes mesures permettant de lever l'ambiguïté sur la mesure de 25 distance par recoupement des mesures éventuellement ambigües .
  4. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la distance non ambiguë R est obtenue en résolvant le système d'inéquations ci-dessous, à partir des mesures de différences de phase A (p,, 'cpn, effectuées dans 30 les séquences d'ordre i, j,..., m :4rc.SF O(p, <. (( ' R + si) mod 2n)) mod 2nc c 4i.SF. 4(p, (( 'Rùe, ) mod 27c)) mod 2n c 4'n.SF. O(pi <_ (( ' R + sj) mod 2n)) mod 2n c 471.SF. Ocpj >ù (( ' R ù cj) mod 2it)) mod 2n c Ocpk ((4rc.SFk R + sk) mod 2n)) mod 2n c 4'SF Ocpk >_ (( k R ù sk) mod 2n)) mod 2n c SF , SFJ , SF. étant les écarts de fréquence entre les fréquences 5 d'émission (FI, F2) à l'intérieur des séquences. les termes si , prenant en compte les erreurs sur les mesures de différence de phase.
  5. 5. Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'une 10 mesure de différence de phases (A9 ) est effectuée lorsque la puissance des signaux reçus est supérieure à un seuil donné.
  6. 6. Radar, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.
  7. 7. Radar selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il équipe un véhicule automobile pour mesurer la distance entre le véhicule porteur et d'autres véhicules. 15 20
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