FR3021412A1 - Dispositif d'estimation de la position tridimensionnelle d'un point et procede associe - Google Patents
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Abstract
Le domaine technique est la surveillance de sites instables. Le problème technique est l'estimation, à distance, de la position tridimensionnelle (X, Y, Z) d'un point (P). L'invention concerne un dispositif, un procédé et un programme d'ordinateur, ledit procédé comprenant une première étape (E1) comprenant les opérations (E11) et (E12) exécutées pour chacune d'au moins trois directions différentes non-coplanaires (12, 13, 14), l'opération (E11) comprenant l'émission puis la réception, par une antenne d'émission-réception (15) de position tridimensionnelle (X1, Y1, Z1) connue, d'une onde électromagnétique en direction d'un réflecteur catadioptrique (18) comprenant un point de référence (P), l'opération (E12) comprenant l'estimation des longueurs de chemins optiques parcourus par chaque dite onde ; et une deuxième étape (E2) de traitement des signaux relatifs aux ondes électromagnétiques reçues produisant une estimation de la position tridimensionnelle (X, Y, Z) du point (P) à partir des estimations desdites longueurs de chemins optiques et de la connaissance de la position tridimensionnelle (X1, Y1, Z1) de l'antenne d'émission-réception (15).
Description
02 14 12 1 DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention est relative aux dispositifs et procédés pour la surveillance de sites instables. Par « site instable », on désigne ici et dans toute la suite du texte toute zone terrestre qui fait l'objet de modifications dans le temps, qu'il s'agisse d'un site naturelle ou d'un ouvrage d'art, que ces modifications correspondent à des mouvements de grande échelle, comme par exemple la fissuration d'un sol, ou qu'elles soient localisées dans le temps ou en certaines parties de la zone, comme par exemple les chutes de blocs rocheux.
ETAT DE L'ART Le document EP 0 811 854 décrit, en relation avec la figure 1, un dispositif de surveillance de sites instables de type connu. En particulier, on a illustré sur cette figure, un dispositif de surveillance de départs d'un bloc rocheux B susceptible de s'ébouler, ainsi que la faille F entre ce bloc B et la zone du site dont le bloc B se détache. Le dispositif de la figure 1 comporte un radar 1 comprenant une ou plusieurs antennes d'émission et de réception 2 à réflecteur parabolique. Le radar 1 comprend également une unité de gestion 3 configurée pour traiter des signaux reçus afin de détecter les translations fréquentielles dues aux mouvements dans le champ d'observation. Le dispositif comprend en outre un premier R1 réflecteur triédrique, un deuxième R2 réflecteur triédrique et un troisième R3 réflecteur triédrique répartis sur le bloc B. Le troisième réflecteur R3 est disposé à proximité de la faille F, tandis que le premier R1 réflecteur triédrique et le deuxième R2 réflecteur triédrique sont éloignés de la faille F. Un quatrième réflecteur R4 est en outre disposé de l'autre côté de la faille F, mais pas sur le bloc B. Des mesures différentielles sur les premier et deuxième réflecteurs R1, R2, ainsi que sur les troisième et quatrième réflecteurs R3, R4 permettent ainsi de 30 connaître les mouvements de rotation du bloc respectivement selon deux axes perpendiculaires à l'axe de visée du radar 1. Des mesures différentielles entre les deuxième et quatrième réflecteurs R2, R4 permettent en outre de surveiller l'ouverture de la faille F. Cependant, en plus de ces informations, il peut être utile de connaître le ou les mouvements d'un seul point. Or, un tel dispositif de surveillance ne permet de suivre les mouvements d'un point que dans l'axe de visée du radar 1. Il n'est donc pas possible avec un tel dispositif d'accéder à la complexité du déplacement du site instable sous surveillance.
Le problème technique que vise à résoudre l'invention, est l'estimation, à distance, de la position tridimensionnelle d'un point. PRESENTATION DE L'INVENTION La présente invention a pour but de proposer un dispositif d'estimation, à distance, de la position tridimensionnelle d'un point de sorte à pouvoir faire un suivi des mouvements dudit point selon les trois directions de l'espace et ainsi accéder à la complexité du déplacement d'un site instable. Plus précisément, la présente invention a pour objet un dispositif d'estimation de la position tridimensionnelle d'un point, ledit dispositif comprenant : - un ensemble d'émission-réception configuré pour émettre/recevoir des ondes électromagnétiques vers/depuis un point selon au moins trois directions non coplanaires, l'ensemble d'émission-réception comprenant au moins une antenne d'émission-réception de position tridimensionnelle connue ; - un réflecteur catadioptrique comprenant un point de référence disposé sur ledit point de sorte à ce que le réflecteur catadioptrique réfléchisse les ondes électromagnétiques vers l'ensemble d'émission-réception ; - une unité de traitement des signaux de réception transmis par l'ensemble d'émission-réception relatifs aux ondes électromagnétiques, ladite unité de traitement étant configurée pour estimer des longueurs des chemins optiques parcourus par les ondes électromagnétiques émises/reçues vers/depuis le point et pour estimer la position tridimensionnelle du point à partir d'une part, des estimations desdites longueurs de chemins optiques et d'autre part, de la connaissance de la position tridimensionnelle de l'antenne d'émission-réception desdites ondes. On notera ici qu'il est par ailleurs connu que si un point proche (typiquement à quelques centaines de mètres du point dont on cherche à estimer la position tridimensionnelle, pour une application de surveillance d'un site instable) a une position tridimensionnelle connue, alors il peut être utilisé pour compenser les effets atmosphériques et ainsi améliorer la précision de l'estimation de position. Dans un mode de réalisation avantageux, le réflecteur catadioptrique est un réflecteur triédrique. Dans un mode de réalisation avantageux, l'ensemble d'émission-réception comprend une antenne d'émission-réception et un premier miroir et un second miroir non alignés les uns par rapport aux autres, l'antenne d'émission-réception et les miroirs étant configurés pour émettre/recevoir des ondes électromagnétiques vers/depuis le point selon trois directions non coplanaires. Avantageusement, au moins une distance entre l'antenne d'émission-réception et chacun des miroirs est inférieure ou égale à D2/À, où D correspond au 25 diamètre de l'antenne d'émission-réception et À la longueur des ondes électromagnétiques. L'invention a également pour objet un procédé d'estimation de la position tridimensionnelle d'un point au moyen d'un dispositif selon l'invention, dans lequel 30 l'unité de traitement est configurée pour réaliser les étapes suivantes : - une première étape comprenant les opérations suivantes exécutées pour chacune d'au moins trois directions différentes non-coplanaires : - une opération de commande de l'ensemble d'émission-réception pour l'émission d'au moins une onde électromagnétique en direction du point selon au moins une direction, puis pour la réception, selon ladite direction, de ladite onde, réfléchie par le réflecteur catadioptrique; - une opération de traitement des signaux de réception, transmis par l'ensemble d'émission-réception, relatifs à ladite au moins une onde électromagnétique reçue, produisant une estimation des longueurs des chemins optiques parcourus par ladite onde ; - une deuxième étape d'estimation de la position tridimensionnelle du point à partir d'une part des estimations desdites longueurs de chemins optiques et d'autre part, de la connaissance de la position tridimensionnelle de l'antenne d'émission-réception.
L'ordre des opérations d'émission/réception mentionnées ci-dessus est indifférent (pas d'ordre pour les directions). Les opérations de traitement pour produire les estimations des longueurs des chemins optiques parcourus par chaque onde électromagnétique considérée, peuvent être réalisées séparément après l'opération d'émission/réception de l'onde considérée, ou conjointement après les opérations d'émission/réception desdites ondes. Ces opérations font appel à des traitements connus enseignés dans la demande de brevet EP 0811 854 A1. L'étape d'estimation de la position tridimensionnelle du point considéré, fait appel à une solution connue d'un problème de trilatération tridimensionnelle, pour lequel il y a de multiples approches décrites dans la littérature. L'invention a également pour objet un produit programme d'ordinateur comprenant des instructions de code pour l'exécution d'un procédé selon l'invention, lorsque celui-ci est exécuté par un processeur. 3 0 2 1 4 1 2 5 PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels, outre la figure 1 déjà discutée : 5 - la figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif d'estimation de la position tridimensionnelle d'un point P selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est un organigramme d'un procédé d'estimation de la position tridimensionnelle d'un point P selon le mode de réalisation de l'invention 10 présenté à la figure 2. DESCRIPTION DETAILLEE La figure 2 illustre un dispositif 100 d'estimation de la position tridimensionnelle d'un point P. Le point P est situé dans un site instable à 15 surveiller comme par exemple un site présentant des risques de chutes de blocs rocheux. Dans l'exemple illustré à la figure 2, la position tridimensionnelle du point P est définie relativement à un repère cartésien orthogonal (O, 1, comprenant une origine O dont la position est choisie arbitrairement. La position 20 tridimensionnelle du point P est donc définie par ses coordonnées X, Y, Z dans le repère cartésien (O, 7, 3). Le dispositif 100 comprend un ensemble d'émission-réception 11 d'ondes électromagnétiques. L'ensemble 11 est configuré pour émettre et recevoir des ondes électromagnétiques en direction et en provenance du point P selon au 25 moins trois directions 12, 13,14 non coplanaires. Dans l'exemple présenté à la figure 2, l'ensemble 11 comprend une antenne d'émission-réception 15 d'ondes électromagnétiques, un premier miroir 16 et un second miroir 17 configurés pour réfléchir des ondes électromagnétiques 302 1 4 1 2 6 en provenance de l'antenne 15 vers le point P et en provenance du point P vers l'antenne 15. L'antenne 15 est de préférence motorisée pour pouvoir pivoter vers l'un ou l'autre des miroirs 16, 17 et pour pointer sur le point P. Les miroirs 16, 17 sont 5 également de préférence motorisés pour pouvoir être positionnés de sorte à réfléchir les ondes électromagnétiques en provenance de l'antenne 15 vers le point P et en provenance du point P vers l'antenne 15. Bien entendu, on peut envisager d'autres possibilités pour émettre selon les trois directions 12, 13, 14 notamment utiliser une antenne d'émission/réception par 10 direction à viser. L'antenne 15 a une position tridimensionnelle X1, Y1, Z1 connue. De préférence, les positions tridimensionnelles des deux miroirs 16, 17 sont connues pour pouvoir effectuer les calculs de trilatération. Si ce n'est pas le cas, ces positions tridimensionnelles peuvent se déduire à partir de mesures de la position 15 tridimensionnelle de points de positions tridimensionnelles connues ou estimées préalablement. L'antenne 15 et les miroirs 16, 17 sont disposés les uns par rapport aux autres afin de ne pas être alignés et que leurs directions d'émission/réception 20 respectives ne soient pas dans un même plan. Ainsi, l'antenne 15 et les miroirs 16, 17 permettent d'émettre en direction du point P et de recevoir en provenance du point P des ondes électromagnétiques selon trois directions 12, 13, 14 non coplanaires. De préférence, les distances entre l'antenne 15 et chacun des premier et 25 second miroirs 16 17 sont inférieures ou égales à D2/À, où D correspond au diamètre de l'antenne 15 et À la longueur d'onde de signaux émis et reçus. Cette distance correspond à une zone de propagation tubulaire de l'antenne 15 dans laquelle le flux diverge peu, permettant ainsi de mieux canaliser l'énergie vers et en provenance du point P, et d'améliorer le rapport signal sur bruit et donc la 30 précision de l'estimation de la position du point P.
Cela permet en outre d'obtenir un meilleur contraste entre les signaux issus du réflecteur et ceux issus de son environnement, et par conséquent, une meilleure précision dans les mesures de distance. Plus les miroirs 16 et 17 sont éloignés l'un de l'autre et de l'antenne 15, plus les écarts angulaires entre les directions 12, 13, 14 sont importants et meilleure est la précision (tant que le rapport signal sur bruit est suffisant). Néanmoins, situés au-delà de D2/À, les miroirs auxiliaires 16, 17 interceptent de moins en moins de flux et le rapport signal sur bruit se dégrade. Il est ainsi préférable de placer les miroirs 16, 17 autour de cette distance. Dans ce dernier cas, les distances sont sensiblement égales mais cette condition n'est pas nécessaire. Le dispositif 100 comprend en outre un réflecteur catadioptrique 18 comprenant un point de référence disposé sur le point P. Le réflecteur catadioptrique 18 est configuré pour réfléchir les ondes électromagnétiques vers l'ensemble 11 selon au moins trois directions 12, 13, 14 non coplanaires. Dans l'exemple présenté à la figure 2, le réflecteur catadioptrique 18 est un réflecteur triédrique dont le sommet est disposé sur le point P. Le réflecteur triédrique 18 reçoit chacune des ondes électromagnétiques émises selon les trois directions 12, 13, 14, et les réfléchit chacune dans la direction 12, 13, 14 selon laquelle l'onde électromagnétique a été émise. Cette structure de catadioptre est simple et économique à réaliser. Il existe également des lentilles dites de Lunberg mais leur coût de réalisation est bien supérieur. L'intérêt de ces lentilles réside dans leurs propriétés de rétrodiffusion qui s'étendent dans un domaine angulaire plus large que celui d'un réflecteur triédrique. Le dispositif 100 comprend également une unité de traitement 19 30 configurée pour estimer les longueurs des chemins optiques parcourus par les 3 0 2 1 4 1 2 8 ondes électromagnétiques. L'unité de traitement 19 est, en particulier, configurée pour estimer la position tridimensionnelle X, Y, Z du point P à partir d'une part, des estimations des longueurs de chemins optiques parcourus par les ondes électromagnétiques et d'autre part, de la connaissance de la position 5 tridimensionnelle Xl, Y1, Z1 de l'antenne 15 et des miroirs auxiliaires 16 et 17. Le dispositif 100 permet ainsi d'estimer la position tridimensionnelle X, Y, Z du point P. L'estimation de la position tridimensionnelle X, Y, Z du point P illustré à la figure 3 se déroule selon les étapes suivantes. 10 Au cours d'une première étape E1, l'unité de traitement 19 commande à l'ensemble 11 d'émettre des ondes électromagnétiques en direction du point P selon au moins trois directions 11, 12, 13 non coplanaires. Dans l'exemple illustré à la figure 2, la première étape El comprend les opérations suivantes: 15 - l'unité de traitement 19 commande à l'antenne 15 d'émettre une onde électromagnétique selon une première direction 12 vers le point P, puis de la recevoir via le chemin inverse en générant alors des signaux de réception ; - l'unité de traitement 19 traite les signaux de réception transmis par 20 l'antenne 15 et l'ensemble 11 relatifs aux ondes électromagnétiques reçues et produit une estimation des longueurs des chemins optiques parcourus par ladite onde électromagnétique ; - l'unité de traitement 19 commande à l'antenne 15 d'émettre une onde électromagnétique vers le premier miroir 16, de sorte que le premier 25 miroir 16 réfléchisse l'onde émise par l'antenne 15 dans une deuxième direction 13 vers le point P, puis de la recevoir via le chemin inverse en générant alors des signaux de réception ; - l'unité de traitement 19 traite les signaux de réception transmis par l'ensemble 11 relatifs aux ondes électromagnétiques reçues et produit une estimation des longueurs des chemins optiques parcourus par ladite onde électromagnétique ; - l'unité de traitement 19 commande l'antenne 15 d'émettre une onde électromagnétique vers le deuxième miroir 17, de sorte que le deuxième miroir 17 réfléchisse l'onde émise par l'antenne 15 dans une troisième direction 14 vers le point P, puis de la recevoir via le chemin inverse en générant alors des signaux de réception ; - l'unité de traitement 19 traite les signaux de réception transmis par l'ensemble 11 relatifs aux ondes électromagnétiques reçues et produit une estimation des longueurs des chemins optiques parcourus par ladite onde électromagnétique ; Enfin, lors d'une seconde étape E2, l'unité de traitement 19 traite les signaux transmis par l'ensemble 11 relatifs aux ondes électromagnétiques reçues, produisant par trilatération une estimation de la position tridimensionnelle X, Y, Z du point P à partir d'une part des estimations desdites longueurs de chemins optiques et d'autre part, de la connaissance de la position tridimensionnelle de l'antenne 15 et des miroirs 16, 17 de l'ensemble 11.
Le dispositif 100 et le procédé d'estimation de la position tridimensionnelle X, Y, Z du point P présentent l'avantage de permettre de faire un suivi des mouvements du point P, non seulement selon l'axe de visée de l'antenne 15, c'est-à-dire selon la première direction 12, mais selon les trois directions de l'espace de manière à pouvoir accéder à la complexité du déplacement du site instable sous surveillance.
Claims (6)
- REVENDICATIONS1. Dispositif (100) d'estimation de la position tridimensionnelle (X, Y, Z) d'un point (P), caractérisé en ce qu'il comprend : - un ensemble d'émission-réception (11) configuré pour émettre/recevoir des ondes électromagnétiques vers/depuis un point (P) selon au moins trois directions (12, 13, 14) non coplanaires, l'ensemble d'émission-réception comprenant au moins une antenne d'émission-réception (15) de position tridimensionnelle (X1, Y1, Z1) connue ; - un réflecteur catadioptrique (18) comprenant un point de référence disposé sur ledit point (P) de sorte que le réflecteur catadioptrique (18) réfléchisse les ondes électromagnétiques vers l'ensemble d'émission-réception (11) ; - une unité de traitement (19) des signaux de réception transmis par l'ensemble d'émission-réception (11) relatifs aux ondes électromagnétiques, ladite unité de traitement étant configurée pour estimer des longueurs des chemins optiques parcourus par les ondes électromagnétiques émises/reçues vers/depuis le point (P) et pour estimer la position tridimensionnelle (X, Y, Z) du point (P) à partir d'une part, des estimations desdites longueurs de chemins optiques et d'autre part, de la connaissance de la position tridimensionnelle (X1, Y1, Z1) de l'antenne d'émission-réception (15) desdites ondes.
- 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le réflecteur catadioptrique (18) est un réflecteur triédrique. 25
- 3. Dispositif (100) selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel l'ensemble d'émission-réception (11) comprend une antenne d'émission-réception (15) et un premier miroir (16) et un second miroirs (17) non alignés les uns par rapport aux autres, l'antenne d'émission-réception (15) 30 et les miroirs (16, 17) étant configurés pour émettre/recevoir des ondesélectromagnétiques vers/depuis le point (P) selon trois directions (12, 13, 14) non coplanaires.
- 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel au moins une distance entre l'antenne d'émission-réception (15) et chacun des miroirs (16, 17) est inférieure ou égale à D2/À, où D correspond au diamètre de l'antenne d'émission-réception (15) et À la longueur d'onde des signaux électromagnétiques émis et reçus.
- 5. Procédé d'estimation de la position tridimensionnelle (X, Y, Z) d'un point (P) au moyen d'un dispositif (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'unité de traitement (19) est configurée pour réaliser les étapes suivantes : - une première étape (El), comprenant les opérations suivantes exécutées pour chacune d'au moins trois directions différentes non-coplanaires (12, 13, 14) : - une opération (E11) de commande de l'ensemble d'émission-réception (11) pour l'émission d'au moins une onde électromagnétique en direction du point selon au moins une direction, puis pour la réception, selon ladite direction, de ladite onde, réfléchie par le réflecteur catadioptrique (18) du dispositif (100) ; - une opération (E12) de traitement des signaux de réception, transmis par l'ensemble d'émission-réception (11), relatifs à ladite au moins une onde électromagnétique reçue, produisant une estimation des longueurs des chemins optiques parcourus par ladite onde ; - une deuxième étape (E2), d'estimation de la position tridimensionnelle (X, Y, Z) du point (P) à partir d'une part des estimations desdites longueurs de chemins optiques et d'autre part, de la connaissance de la position tridimensionnelle (X1, Y1, Z1) de l'antenne d'émission-réception (15) du dispositif (100).
- 6. Produit programme d'ordinateur comprenant des instructions de code pour l'exécution d'un procédé selon la revendication 5, lorsque celui-ci est exécuté par un processeur.
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