WO2001090774A1 - Procede et dispositif pour mesurer la vitesse d'un mobile - Google Patents

Procede et dispositif pour mesurer la vitesse d'un mobile Download PDF

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WO2001090774A1
WO2001090774A1 PCT/FR2001/001503 FR0101503W WO0190774A1 WO 2001090774 A1 WO2001090774 A1 WO 2001090774A1 FR 0101503 W FR0101503 W FR 0101503W WO 0190774 A1 WO0190774 A1 WO 0190774A1
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doppler
signal
frequency
speed
obstacle
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PCT/FR2001/001503
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Celine Corbrion
Jacques Lewiner
Thierry Ditchi
Eric Carreel
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Celine Corbrion
Jacques Lewiner
Thierry Ditchi
Eric Carreel
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/50—Systems of measurement based on relative movement of target
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    • G01S13/60—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems wherein the transmitter and receiver are mounted on the moving object, e.g. for determining ground speed, drift angle, ground track
    • G—PHYSICS
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    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/93—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S13/931—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles
    • G01S2013/9321—Velocity regulation, e.g. cruise control

Definitions

  • the invention relates to methods for measuring the absolute speed of a mobile with respect to the ground and to the devices for implementing these methods and is applicable for example to automobiles or trains.
  • Driving assistance and safety systems require knowledge not only of the speed of rotation of the wheels but also of the absolute speed.
  • the speed sensors commonly used today which exploit the measurement of the number of wheel turns made by the vehicle during a given time interval, can lead to erroneous speed measurements if the diameter of the wheels varies for example due to poor tire inflation in the case of cars or wheel wear in the case of trains or if the vehicle is skating on the ground.
  • a Doppler radar comprises an antenna which emits an acoustic or electromagnetic wave towards the ground and the offset between the frequency of this wave and that of the wave reflected by a ground element or a defect is exploited. its surface, located in the area swept by the radar beam, element or defect below defined as a reflecting obstacle.
  • This frequency offset hereinafter called the Doppler frequency and denoted f d , which results from the relative displacement between the radar and the reflecting obstacle, is proportional to the speed of movement of the mobile relative to the ground and to the cosine of the angle ⁇ defined as the angle between the direction of the wave at the level of the reflecting obstacle and the ground according to the relation:
  • Doppler radars use very directive radar antennas having a small opening angle of the radar beam so that most of the radiation emitted and received by the antenna either for a direction making an angle ⁇ with the ground, the angles ⁇ and ⁇ then being merged.
  • a first drawback of this solution results from accidental variations in angle ⁇ consecutive to a variation in the inclination of the vehicle due for example to a modification of the load.
  • a second, serious drawback of this prior art stems from the fact that by using a radar beam with a small aperture angle, a reflected wave is produced only if on the small surface of the ground swept by this beam is an obstacle reflective, this condition may not be verified for example when the ground is smooth as is the case in the presence of ice.
  • the angle ⁇ corresponding to the reflecting obstacle which causes the reflection of the wave towards the antenna constitutes an additional unknown.
  • the sensor emits, simultaneously or not, two waves, one at a fixed frequency and the other at a variable frequency, the measurement of the speed resulting from the recognition of the Doppler frequencies, for each of the above emissions, caused by reflection on the same reflecting obstacle.
  • the present invention which aims in particular to remedy these drawbacks, makes it possible to benefit from the advantages linked to the use of antennas having a large opening angle while requiring instrumentation and methods for processing simplified signals.
  • the present invention relates to a method for measuring the speed v of a mobile moving in a direction parallel to the ground, this measurement being carried out by means of a Doppler radar having transmit and receive antennas fixed to the mobile at a certain height h above the ground and intended to emit a radar beam towards the ground along a mean axis directed forwards or backwards relative to the direction of movement, this method comprising the following steps:
  • each Doppler signal obtained at successive instants the Doppler frequencies associated with reflective obstacles from the ground located in the domain swept by the wave emitted by the transmitting antenna, called identified Doppler frequencies
  • Doppler spectra when the search for the different Doppler frequencies implements a Fourier transform method for determining the corresponding spectra, called Doppler spectra, we search in these Doppler spectra, the frequencies corresponding to the maxima of these spectra, - when the search for the different frequencies Doppler implements a Fourier transform method for determining the corresponding spectra, called Doppler spectra, the Doppler spectrum is decomposed into a sum of elementary spectra of reflecting obstacles,
  • Doppler spectra when the search for the different Doppler frequencies uses a Fourier transform method for the determination of the corresponding spectra, called Doppler spectra, a deconvolution of the Doppler spectra obtained is carried out, in order to identify the Doppler frequencies relating to reflecting obstacles, when the search for the different Doppler frequencies uses the determination of the zero crossings of the Doppler signal in the time domain, the Doppler frequencies relating to reflective obstacles in the radar beam are identified by comparison with those measured at previous times, - when the search of the different Doppler frequencies uses a decomposition of the Doppler signal into a sum of elementary temporal responses of reflecting obstacles, one searches among these elementary responses those whose amplitude is greater than the noise level, one selects among the Doppler frequencies identified those corresponding to the same obstacle by:
  • one selects among the identified Doppler frequencies those corresponding to the same obstacle, by performing a correlation between the Doppler frequencies identified at different successive times and families of theoretical evolution functions whose speed and position parameters of the obstacle are varied at a given instant, the parameters for which there is a maximum correlation being those considered as a result of the measurement, - the same antenna is used for transmission and reception,
  • the theoretical evolution function is determined as a function of time of the Doppler frequency associated with an obstacle by application of the following relation:
  • the height h of the antenna above the road is measured by any known sensor, the height h is measured by: • associating, among the identified Doppler frequencies, the sequences of those which, at successive instants, are representative of the same reflecting obstacles seen at their new positions at these times, • adjusting, by varying the speed parameters, position of the reflecting obstacles at a given instant and height of the antenna above the ground, the theoretical function of evolution at evolution as a function of time of each of the series of points defined above corresponding to each of the obstacles present in the radar beam, the final height chosen being that corresponding to the best adjustment,
  • the height h is measured by performing a correlation between the Doppler frequencies identified at different successive instants and families of theoretical curves of evolution whose parameters are speed, position of the obstacle at a given instant and height of the antenna above the ground, the parameters for which there is a maximum correlation being those considered as a result of the measurement,
  • the emitted wave is an electromagnetic wave
  • the frequency of the emitted electromagnetic wave is in the range 8 GHz - 80 GHz and preferably in the range 20 GHz -80 GHz
  • the wave emitted is an acoustic wave
  • the frequency of the acoustic wave emitted is in the range 20 kHz - 500 kHz and preferably in the range 30 kHz - 200 kHz, - when the frequency content of the calculated Doppler signal indicates the presence of a large number of obstacles reflecting in the radar beam, one selects from the Doppler frequencies that corresponding to the direction of maximum radiation of the transmitting antenna and the speed is determined by application of the formula: c f ..
  • ⁇ is the angle between the direction of maximum radiation of the transmitting antenna and the ground, - when the frequency content of the calculated Doppler signal indicates the presence of a large number of reflecting obstacles in the radar beam, the opening angle of the antenna is reduced,
  • the subject of the invention is also a device for implementing a method as defined above, this device comprising:
  • a receiving antenna having a large opening angle in a vertical plane, receiving a reflected wave, generated by the reflection of the incident wave on a reflecting obstacle of the ground, - a mixer which takes part of the electrical signal supplied by the oscillator and the mixture with the signal received from the receiving antenna, possibly after amplification, and which thus produces two signals, one whose frequency is the sum and the other whose frequency is the difference of the two frequencies signals entering the mixer, - a low pass filter which filters the signal from the mixer to generate a filtered signal proportional to the signal at the difference frequency,
  • Doppler signal a low frequency amplifier which amplifies the filtered signal at the difference frequency and thus provides a signal called Doppler signal
  • identification means which identify in each Doppler signal obtained at successive instants near the Doppler frequencies associated with reflective obstacles from the ground located in the domain swept by the wave emitted by the transmitting antenna, called identified Doppler frequencies , - means for measuring the height of the transmitting and receiving antennas above the road,
  • calculation means which calculate the theoretical evolution function representative of the evolution as a function of time of the Doppler frequency associated with an obstacle, for a speed, a height of the transmit and receive antennas above the road and for a given obstacle position, selection means which select from the identified Doppler frequencies those corresponding to the same obstacle at different successive times and deduce therefrom the desired speed.
  • the identification means search in these Doppler spectra, the frequencies corresponding to the maxima of these spectra, when the search for the different Doppler frequencies implements a Fourier transform method for the determination corresponding spectra, called Doppler spectra, the identification means decompose the Doppler spectrum into a sum of elementary spectra of reflecting obstacles,
  • the identification means perform a deconvolution of the Doppler spectra obtained, in order to identify the Doppler frequencies relative to reflecting obstacles, when the search for the different Doppler frequencies uses the determination of the zero crossings of the Doppler signal in the time domain, the identification means identify the Doppler frequencies relating to reflecting obstacles in the radar beam by comparison with those measured at of the preceding instants, when the search for the different Doppler frequencies uses a decomposition of the Doppler signal into a sum of temporal elementary responses of reflecting obstacles, the identification means seek among these elementary responses those whose amplitude is t higher than the noise level, - the selection means select from the identified Doppler frequencies those corresponding to the same obstacle by: Associating, among the Doppler frequencies identified, the sequences of those which, at successive instants, are representative of the same reflecting obstacles seen at their new positions at these instants,
  • the selection means select from the identified Doppler frequencies those corresponding to the same obstacle, by correlating the frequencies
  • Doppler identified at different successive instants and families of theoretical evolution functions whose speed and position of the obstacle parameters are varied at a given instant, the parameters for which there is a maximum correlation being those considered as a result of the measurement, - the same antenna is used for transmission and reception,
  • the calculation means determine the theoretical evolution function as a function of time of the Doppler frequency associated with an obstacle by application of the following relation:
  • fn is the emission frequency
  • v the relative speed of the vehicle compared to the obstacle counted positive when it approaches
  • c the speed of propagation of the wave
  • the height measuring means measure the height h by:
  • the height measurement means measure the height h by performing a correlation between the Doppler frequencies identified at different successive instants and families of theoretical evolution curves whose parameters are speed, position of the obstacle at an instant given and height of the antenna above the ground, the parameters for which there is a maximum correlation being those considered as the result of the measurement,
  • the emitted wave is an electromagnetic wave
  • the frequency of the electromagnetic wave emitted is in the 8 GHz - 80 GHz range and preferably in the 20 GHz -80 GHz range,
  • the wave emitted is an acoustic wave
  • the frequency of the acoustic wave emitted is in the range 20 kHz - 500 kHz and preferably in the range 30 kHz - 200 kHz
  • ⁇ is the angle between the direction of maximum radiation of the transmitting antenna and the ground
  • - when the frequency content of the Doppler signal calculated indicates the presence of a large number of obstacles reflecting in the radar beam, means are provided for reducing the opening angle of the antenna, - means are provided for calculating the average of the speeds obtained during different successive measurements.
  • FIG. 1-a is a schematic overview of a mobile 100 equipped with a speed sensor 1 according to the prior art, using the Doppler effect and transmit 21 and receive 22 antennas having a small opening angle, located at a height h above the ground 33, the mobile 100 moving at a speed v whose direction and direction are represented by an arrow, a reflecting obstacle 31 being in the direction of the maximum of radiation, identified by the angle ⁇ , producing a signal reflected towards the reception antenna 22,
  • the figure 1-b also shows schematically, an example of problem encountered during the use of the speed sensors of the prior art using the Doppler effect and of the transmitting and receiving antennas having a small angle d opening and located at a height h above the ground 33, the mobile 100 moving at a speed v whose direction and direction are represented by an arrow, in a configuration such that the reflecting obstacle 31 is neither in the direction of the maximum radiation, identified by the angle ⁇ , or in the area 32 of the ground illuminated by the radar beam, the measurement of the speed of movement of the mobile 100 cannot be made,
  • FIG. 2 is a block diagram of the speed sensor according to the invention, in which a sensor (5) for measuring the height relative to the ground can be provided,
  • FIG. 3 represents a temporal Doppler signal acquired during a measurement window of duration ⁇ T, this measurement window of duration ⁇ T then being subdivided into sub-analysis windows of duration ⁇ t starting at successive instants to, t ls ... so that the analysis sub-windows overlap,
  • FIG. 4 shows an example of the implementation of a method according to the invention, in the case where a single reflecting obstacle is present in the area of the ground illuminated by the radar beam and where the height of the sensor relative to the ground was determined by an independent sensor, a figure in which the evolution over time of the Doppler frequency is seen, the monitoring of this Doppler frequency over time being carried out by a fast Fourier transform technique (FFT), the corresponding theoretical evolution function having been calculated for various values of the following parameters: position of the reflecting obstacle and speed, the function having the best adjustment being presented in solid line, which in this example led to a value of the measured speed of 60.01 km / h for an actual speed of 60 km / h.
  • FFT fast Fourier transform technique
  • the invention aims to determine the speed v of a mobile 100, in particular a motor vehicle or a train, moving on the ground, this measurement being carried out by means of '' a Doppler effect speed sensor which emits towards the ground and towards the front or towards the rear, a relatively wide incident radar beam.
  • the speed measured by the speed sensor can be transmitted to a display device on the dashboard of the mobile, or to any other member of the vehicle, for example an anti-lock braking system for wheels.
  • the speed sensor can comprise: an oscillator 11 generating an electrical signal of fixed frequency fo, a transmitting antenna 21 having a large opening angle, emitting a wave produced from the signal generated by the oscillator, possibly after passing through an amplifier 13,
  • a reception antenna 22 having a large opening angle, receiving the wave reflected by a reflecting obstacle, the frequency of this reflected wave being equal to the sum of the frequency of the transmitted wave and of a quantity called frequency Doppler f d proportional to the speed of movement of the mobile relative to the ground and to the position of the reflecting obstacle relative to the transmitting and receiving antennas, - a mixer 16 receiving on one of its inputs 16a, possibly after passing through an amplifier 15, the signal received by the receiving antenna 22 and on another input 16b, a part of the electrical signal taken by the coupler 12 at the output of the oscillator 11, the mixer producing two signals:
  • the second called the Doppler signal, at the frequency difference of the two frequencies of the signals entering the mixer, namely f d ,
  • a low pass filter 17 eliminating the high frequency component (2fo + f d ) from the output signal of the mixer 16, and letting the component pass at the frequency f d
  • a central unit 4 comprising digitizing means, a first input connected to the output of the filter 17 possibly through an amplifier 18, possibly a second input connected to the output of a height sensor 5, one or more outputs to exploit the data representative of the speed, this central unit comprising means for calculation of the speed v of the mobile from the filtered signal.
  • the antennas 21 and 22 are combined and in this case, there is interposed between the coupler 12 and the mixer 16 a circulator 14 which preferentially transmits the signals from port 14a to port 14b and from port 14b to port 14c .
  • Amplifiers 13, 15 and 18, circulator 14, link 20c which replaces links 20a and 20b, when using a transmit and receive antenna single and the height sensor are shown in Figure 2 in dotted lines to indicate that their presence is not always necessary.
  • the central unit 4 is provided for: - carrying out a frequency analysis of the Doppler signal at close successive instants, the methods used to determine the evolution of the Doppler frequency over time, which may be methods of processing in space frequencies (spectral methods) or processing methods in time space (temporal methods), the frequency analysis being carried out at successive instants close together during a time measurement window ⁇ T itself divided into analysis sub windows of duration ⁇ t ( Figure 3),
  • the frequency content of the Doppler signal can be calculated by spectral or temporal methods
  • the frequency content of the signal obtained inside each of these sub-windows, called in the Doppler spectrum sequence can be determined by any method known per se, such as, without limitation:
  • the different analysis windows ⁇ t being advantageously chosen overlapping in order to allow almost continuous monitoring , frequency content over time, - when temporal methods are used, the frequency content is calculated by searching for zero crossings of the Doppler signal in the time domain or by decomposing the Doppler signal into a sum of elementary temporal responses of reflecting obstacles.
  • the identification of the Doppler frequencies associated with reflective obstacles from the ground depends on how the frequency content of the Doppler signal has been determined, thus,
  • the Doppler spectrum calculated for each of the analysis sub-windows is the sum of the different frequency contributions associated with the different reflecting obstacles simultaneously present in the radar beam and depending on the proximity of these reflecting obstacles, various situations can appear:
  • the Doppler frequencies identified on each of the Doppler spectra are the Doppler frequencies of amplitude greater than the noise level
  • the frequencies associated with them are also close and may not be separated due to an insufficient resolving power of the spectral analysis
  • the limited duration of each sub window analysis delimited for example by a gate function, leading to a Doppler spectrum not composed of Dirac peaks but of cardinal sinuses, the separation of these close frequencies, can then be carried out by a decomposition of the spectrum into sum of cardinal sinuses
  • the search for the central frequencies of the different cardinal sinuses and their number can be carried out by various known methods, for example, by a gradient method combined with a random selection of the starting points for this search,
  • the different determined Doppler frequencies are compared with the Doppler frequencies determined during previous measurements which makes it possible to identify the Doppler frequencies with respect to noise.
  • the example of method for identifying Doppler frequencies associated with reflecting obstacles given above is in no way limiting and can be applied for example: - when spectral methods are used, in analysis sub-windows delimited by functions different from the gate function, for example Hamming weighting windows, the Doppler spectrum no longer being composed of cardinal sinuses but of convoluted cardinal sinuses with the Fourier transform of the Hamming function, the calculated spectrum always being composed of a sum of these functions and the decomposition described above remaining valid, the various decompositions in sum of contributions of isolated obstacles can also be carried out by deconvolution,
  • the Doppler frequencies when temporal methods are used, for example by decomposing the temporal Doppler signal into a sum of elementary temporal responses of reflecting obstacles, the different results being characterized by a frequency and an amplitude which are compared with each other and with those obtained during previous measurements, the Doppler frequencies thus determined having an amplitude of the elementary signal greater than the noise being called identified Doppler frequencies.
  • the durations of the measurement windows ⁇ T are chosen so as to be able to consider the speed as constant during this duration ⁇ T, so that the variation of the Doppler frequency is only caused by the variation of the position of the reflecting obstacle with respect to on radar during this time.
  • the Doppler frequency decreases over time when the vehicle approaches the obstacle whereas it increases in the opposite case.
  • the previously identified Doppler frequencies are separated into one or more sequences, each of these sequences being representative of the evolution over time of the identified Doppler frequencies associated with one of the reflecting obstacles present in the radar beam, the speed then being determined by adjusting to these different sequences the theoretical function of evolution.
  • the sequences of identified Doppler frequencies representative of the evolution of the position of each of the reflecting obstacles are then determined.
  • an identified Doppler frequency identified in the first analysis sub-window its value is compared to the Doppler frequencies identified in the following analysis sub-window, if the difference observed is within a frequency interval compatible with the speed range considered and the gamma considered of the position of the reflecting obstacles, apart from the frequency imprecision, we consider that the two Doppler frequencies considered belong to the same sequence and we proceed in the same way for each of the identified Doppler frequencies, the identified Doppler frequencies caused by the noise being thus eliminated because it appears ning to sequences reduced to a single point, thus, one or more sequences of Doppler frequencies representative of the time evolution of the position of the reflecting obstacles are defined.
  • an error function is constructed from the difference between the experimental Doppler frequencies and the theoretical evolution function, the parameters v and x sought being those for which this error function is minimal.
  • their search can, for example, combine a method of gradients with a method of random drawing of starting points, the final speed retained and the position in start of measurement window of the reflecting obstacle (s) are the values of the optimum parameters v and x which correspond to the best fit of the theoretical evolution function at experimental Doppler frequencies.
  • the method which is the subject of the invention is also applicable when the height h is not produced by an independent sensor.
  • two methods are presented making it possible to determine the speed and the height from knowledge of the different Doppler frequencies and from the theoretical evolution function representing the evolution over time of the associated Doppler frequency. to a reflecting obstacle.
  • an error function is constructed from the difference between the experimental Doppler frequencies and the theoretical evolution function, the parameters v, x and h sought after being those for which this function is minimal.
  • the reflecting obstacles have a variable distribution, passing for example from a situation where they are widely spaced to a situation where they are distributed along a quasi-continuum
  • means are provided for, upon detection of such a situation of continuum of obstacles, reduce the opening angle of the antenna for a short time by any known means, for example by activating additional radiating elements on the antenna by switching diodes or other switching components.
  • the invention is not limited to the particular embodiment which has just been described; on the contrary, it ignites all the variants, and in particular that where the radar itself is used to measure the height of the radar with respect to the ground, by exploiting the signal obtained for an angle around 90 °.

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Abstract

Afin de mesurer la vitesse absolue d'un mobile 100 par rapport au sol 33 à l'aide d'un capteur 1 de vitesse embarqué, une onde est émise en direction du sol par une antenne d'émission ayant une grande ouverture angulaire. L'onde réfléchie par un obstacle réfléchissant du sol est mélangée à l'onde émise et le contenu fréquentiel du signal basse fréquence obtenu est calculé. La vitesse du mobile et la hauteur des antennes d'émission et de réception au-dessus du sol peuvent alors être mesurées grâce à l'ajustement d'une courbe théorique à l'évolution temporelle de la fréquence Doppler associée à l'obstacle réfléchissant.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR MESURER LA VITESSE D'UN MOBILE
L'invention est relative aux procédés pour mesurer la vitesse absolue d'un mobile par rapport au sol et aux dispositifs pour mettre en œuvre ces procédés et est applicable par exemple aux automobiles ou aux trains.
Les systèmes d'aide à la conduite et à la sécurité requièrent la connaissance non seulement de la vitesse de rotation des roues mais aussi de la vitesse absolue.
Ainsi lorsqu'une automobile rencontre une plaque de verglas, si le conducteur freine brusquement, les roues s'immobilisent compte tenu de la réduction du frottement entre la bande de roulement du pneu et la route et dans ces conditions, un indicateur de vitesse exploitant uniquement la vitesse de rotation des roues verrait une vitesse nulle alors que le véhicule glissant sur la plaque de verglas ou en aquaplaning serait toujours à la vitesse qu'il avait avant le freinage.
Une telle situation, particulièrement dangereuse, ne peut être prise en compte par les systèmes d'aide à la conduite en question que si les informations recueillies sont réellement représentatives de la situation réelle.
De plus, les capteurs de vitesse couramment utilisés actuellement, qui exploitent la mesure du nombre de tours de roues effectué par le véhicule pendant un intervalle de temps donné, peuvent conduire à des mesures de vitesse erronées si le diamètre des roues varie par exemple à cause d'un mauvais gonflement des pneumatiques dans le cas des automobiles ou d'une usure des roues dans le cas des trains ou si le véhicule est en patinage sur le sol.
Divers procédés ont été proposés afin de résoudre le problème ainsi posé et permettre une mesure de la vitesse absolue du véhicule, indépendamment de la vitesse de rotation des roues en utilisant l'effet Doppler.
Dans de tels procédés, un radar à effet Doppler comporte une antenne qui émet une onde acoustique ou électromagnétique vers le sol et on exploite le décalage entre la fréquence de cette onde et celle de l'onde réfléchie par un élément du sol ou un défaut de sa surface, situé dans la zone balayée par le faisceau radar, élément ou défaut ci-après défini obstacle réfléchissant.
Ce décalage fréquentiel, appelé dans la suite fréquence Doppler et noté fd , qui résulte du déplacement relatif entre le radar et l'obstacle réfléchissant, est proportionnel à la vitesse de déplacement du mobile par rapport au sol et au cosinus de l'angle α défini comme l'angle entre la direction de l'onde au niveau de l'obstacle réfléchissant et le sol selon la relation :
_ 2 v cos(ar) f c où fo est la fréquence d'émission, v la vitesse de déplacement du véhicule et c la vitesse de l'onde, ce qui conduit à : c ..
2 cos(c.)fQ
La précision sur la vitesse étant directement dépendante de la précision sur l'angle α, les radars à effet Doppler utilisent des antennes radar très directives ayant un petit angle d'ouverture du faisceau radar de telle sorte que l'essentiel du rayonnement émis et reçu par l'antenne le soit pour une direction faisant un angle β avec le sol, les angles α et β étant alors confondus.
Un premier inconvénient de cette solution résulte des variations accidentelles d'angle β consécutives à une variation d'inclinaison du véhicule due par exemple à une modification du chargement. Afin de remédier à cet inconvénient, il a été proposé d'utiliser par exemple dans le brevet américain 4 107 680, au moins deux antennes, l'une dirigée dans la direction du mouvement et l'autre dans la direction inverse afin de compenser la variation d'inclinaison.
Un second inconvénient, grave, de cet art antérieur provient du fait qu'en utilisant un faisceau radar à petit angle d'ouverture, une onde réfléchie n'est produite que si sur la petite surface du sol balayée par ce faisceau se trouve un obstacle réfléchissant, cette condition pouvant ne pas être vérifiée par exemple lorsque le sol est lisse comme c'est le cas en présence de verglas.
Afin de remédier à ce second inconvénient, il a été proposé dans le brevet français n° 2 722 301 d'utiliser non pas une antenne très directive mais au contraire, une antenne d'émission ayant un grand angle d'ouverture de telle sorte que la probabilité de présence d'obstacles réfléchissants sur le sol dans le faisceau radar soit augmentée.
Néanmoins, dans ce cas, l'angle α correspondant à l'obstacle réfléchissant qui provoque la réflexion de l'onde vers l'antenne constitue une inconnue supplémentaire. Dans le dit procédé, et afin de mesurer cet angle et la vitesse, le capteur émet, simultanément ou non, deux ondes l'une à fréquence fixe et l'autre à fréquence variable, la mesure de la vitesse résultant de la reconnaissance des fréquences Doppler, pour chacune des émissions ci-dessus, provoquées par la réflexion sur un même obstacle réfléchissant.
Ce procédé qui apporte une amélioration sensible aux dispositifs du genre en question, nécessite toutefois une instrumentation délicate et de grandes capacités de traitement des signaux obtenus.
La présente invention qui a notamment pour but de remédier à ces inconvénients, permet de bénéficier des avantages liés à l'utilisation d'antennes ayant un grand angle d'ouverture tout en nécessitant une instrumentation et des procédés de traitement des signaux simplifiés.
La présente invention concerne un procédé de mesure de la vitesse v d'un mobile en déplacement selon une direction parallèle au sol, cette mesure étant effectuée au moyen d'un radar Doppler présentant des antennes d'émission et de réception fixées au mobile à une certaine hauteur h au-dessus du sol et prévu pour émettre un faisceau radar vers le sol selon un axe moyen dirigé vers l'avant ou vers l'arrière par rapport à la direction de déplacement, ce procédé comportant les étapes suivantes :
- Elaborer, grâce à un oscillateur, un signal électrique à une certaine fréquence, - émettre, grâce à l'antenne d'émission ayant un grand angle d'ouverture dans un plan vertical, à partir de ce signal et éventuellement après amplification, une onde incidente vers le sol, capter, par l'intermédiaire de l'antenne de réception ayant un grand angle d'ouverture dans un plan vertical, une onde réfléchie, générée par la réflexion de l'onde incidente sur un obstacle réfléchissant du sol,
- mélanger une partie du signal électrique fourni par l'oscillateur au signal capté issu de l'antenne de réception, éventuellement après amplification, et fabriquer ainsi deux signaux, l'un dont la fréquence est la somme et l'autre dont la fréquence est la différence des deux fréquences des signaux entrant dans le mélangeur, - filtrer le signal le signal issu du mélangeur pour générer un signal filtré proportionnel au signal à la fréquence différence,
- amplifier le signal filtré à la fréquence différence et fournir ainsi un signal dit signal Doppler, - rechercher les différentes fréquences Doppler contenues dans le signal Doppler à des instants successifs proches,
ce procédé étant essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes suivantes :
- identifier dans chaque signal Doppler obtenu à des instants successifs proches les fréquences Doppler associées à des obstacles réfléchissants du sol situés dans le domaine balayé par l'onde émise par l'antenne d'émission, dites fréquences Doppler identifiées, - calculer la fonction théorique d'évolution représentative de l'évolution en fonction du temps de la fréquence Doppler associée à un obstacle réfléchissant, pour une vitesse, une hauteur des antennes d'émission et de réception au-dessus de la route et pour une position de l'obstacle réfléchissant données, sélectionner parmi les fréquences Doppler identifiées celles correspondant à un même obstacle réfléchissant à différents instants successifs et on en déduit la vitesse recherchée.
Dans des modes de réalisations préférés du procédé selon l'invention, on a recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes :
lorsque la recherche des différentes fréquences Doppler met en œuvre une méthode de transformée de Fourier pour la détermination des spectres correspondants, dits spectres Doppler, on recherche dans ces spectres Doppler, les fréquences correspondantes aux maxima de ces spectres, - lorsque la recherche des différentes fréquences Doppler met en œuvre une méthode de transformée de Fourier pour la détermination des spectres correspondants, dits spectres Doppler, on décompose le spectre Doppler en une somme de spectres élémentaires d'obstacles réfléchissants,
- lorsque la recherche des différentes fréquences Doppler met en œuvre une méthode de transformée de Fourier pour la détermination des spectres correspondants, dits spectres Doppler, on effectue une déconvolution des spectres Doppler obtenus, afin d'identifier les fréquences Doppler relatives à des obstacles réfléchissants, lorsque la recherche des différentes fréquences Doppler utilise la détermination des passages à zéro du signal Doppler dans le domaine temporel, on identifie les fréquences Doppler relatives à des obstacles réfléchissants dans le faisceau radar par comparaison avec celles mesurées à des instants précédents, - lorsque la recherche des différentes fréquences Doppler utilise une décomposition du signal Doppler en une somme de réponses élémentaires temporelles d'obstacles réfléchissants, on recherche parmi ces réponses élémentaires celles dont l'amplitude est supérieure au niveau de bruit, on sélectionne parmi les fréquences Doppler identifiées celles correspondant à un même obstacle en :
• associant, parmi les fréquences Doppler identifiées, les suites de celles qui, à des instants successifs, sont représentatives des mêmes obstacles réfléchissants vus à leurs nouvelles positions à ces instants,
• ajustant, par variation des paramètres vitesse et position des obstacles réfléchissants à un instant donné, la fonction théorique d'évolution à l'évolution en fonction du temps de chacune des suites de points définies précédemment correspondant à chacun des obstacles présents dans le faisceau radar, la vitesse finale retenue étant celle correspondant au meilleur ajustement,
- on sélectionne parmi les fréquences Doppler identifiées celles correspondant à un même obstacle, en effectuant une corrélation entre les fréquences Doppler identifiées à différents instants successifs et des familles de fonctions théoriques d'évolution dont on fait varier les paramètres vitesse et position de l'obstacle à un instant donné, les paramètres pour lesquels on a un maximum de corrélation étant ceux considérés comme résultat de la mesure, - on utilise la même antenne à l'émission et à la réception,
- lorsque l'antenne d'émission est également l'antenne de réception, on détermine la fonction théorique d'évolution en fonction du temps de la fréquence Doppler associée à un obstacle par application de la relation suivante :
Figure imgf000007_0001
où fo est la fréquence d'émission, v la vitesse relative du véhicule par rapport à l'obstacle comptée positive lorsque celui ci se rapproche, c la vitesse de propagation de l'onde, x la position de l'obstacle réfléchissant à un instant donné mesurée à partir de la projection sur le sol de la position du capteur, l'angle α et x étant reliés par la ι_ relation tan(ûr) = — , x
- on mesure la hauteur h de l'antenne au-dessus de la route par tout capteur connu on mesure la hauteur h en : • associant, parmi les fréquences Doppler identifiées, les suites de celles qui, à des instants successifs, sont représentatives des mêmes obstacles réfléchissants vus à leurs nouvelles positions à ces instants, • ajustant, par variation des paramètres vitesse, position des obstacles réfléchissants à un instant donné et hauteur de l'antenne au-dessus du sol, la fonction théorique d'évolution à l'évolution en fonction du temps de chacune des suites de points définies précédemment correspondant à chacun des obstacles présents dans le faisceau radar, la hauteur finale retenue étant celle correspondant au meilleur ajustement,
- on mesure la hauteur h en effectuant une corrélation entre les fréquences Doppler identifiées à différents instants successifs et des familles de courbes théoriques d'évolution dont on fait varier les paramètres vitesse, position de l'obstacle à un instant donné et hauteur de l'antenne au-dessus du sol, les paramètres pour lesquels on a un maximum de corrélation étant ceux considérés comme résultat de la mesure,
- l'onde émise est une onde électromagnétique, - la fréquence de l'onde électromagnétique émise est dans la gamme 8 GHz - 80 GHz et de préférence dans la gamme 20 GHz -80 GHz,
- l'onde émise est une onde acoustique,
- la fréquence de l'onde acoustique émise est dans la gamme 20 kHz - 500 kHz et de préférence dans la gamme 30 kHz - 200 kHz, - lorsque le contenu fréquentiel du signal Doppler calculé indique la présence d'un grand nombre d'obstacles réfléchissants dans le faisceau radar, on sélectionne parmi les fréquences Doppler celle correspondant à la direction de rayonnement maximal de l'antenne d'émission et la vitesse est déterminée par application de la formule : c f..
2 ∞s( )fQ où β est l'angle entre la direction de rayonnement maximal de l'antenne d'émission et le sol, - lorsque le contenu fréquentiel du signal Doppler calculé indique la présence d'un grand nombre d'obstacles réfléchissants dans le faisceau radar, on réduit l'angle d'ouverture de l'antenne,
- on calcule la moyenne des vitesses obtenues lors de différentes mesures successives.
L'invention a également pour objet un dispositif pour mettre en œuvre un procédé tel que défini ci-dessus, ce dispositif comportant :
- un oscillateur qui fournit un signal électrique à une certaine fréquence,
- une antenne d'émission émettant, à partir de ce signal et éventuellement après amplification, une onde incidente vers le sol et ayant un grand angle d'ouverture dans un plan vertical,
- une antenne de réception ayant un grand angle d'ouverture dans un plan vertical, recevant une onde réfléchie, générée par la réflexion de l'onde incidente sur un obstacle réfléchissant du sol, - un mélangeur qui prélève une partie du signal électrique fourni par l'oscillateur et le mélange au signal capté issu de l'antenne de réception, éventuellement après amplification, et qui fabrique ainsi deux signaux, l'un dont la fréquence est la somme et l'autre dont la fréquence est la différence des deux fréquences des signaux entrant dans le mélangeur, - un filtre passe bas qui filtre le signal issu du mélangeur pour générer un signal filtré proportionnel au signal à la fréquence différence,
- un amplificateur basse fréquence qui amplifie le signal filtré à la fréquence différence et fournit ainsi un signal dit signal Doppler,
- des moyens pour rechercher les différentes fréquences Doppler contenues dans le signal Doppler à des instants successifs proches,
- des moyens d'identification qui identifient dans chaque signal Doppler obtenu à des instants successifs proches les fréquences Doppler associées à des obstacles réfléchissants du sol situés dans le domaine balayé par l'onde émise par l'antenne d'émission, dites fréquences Doppler identifiées, - des moyens de mesure de la hauteur des antennes d'émission et de réception au- dessus de la route,
- des moyens de calcul qui calculent la fonction théorique d'évolution représentative de l'évolution en fonction du temps de la fréquence Doppler associée à un obstacle, pour une vitesse, une hauteur des antennes d'émission et de réception au-dessus de la route et pour une position de l'obstacle données, des moyens de sélection qui sélectionnent parmi les fréquences Doppler identifiées celles correspondant à un même obstacle à différents instants successifs et en déduisent la vitesse recherchée.
Dans des modes de réalisation préférés du dispositif selon l'invention, on a recours, en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : lorsque la recherche des différentes fréquences Doppler met en œuvre une méthode de transformée de Fourier pour la détermination des spectres correspondants, dits spectres Doppler, les moyens d'identification recherchent dans ces spectres Doppler, les fréquences correspondantes aux maxima de ces spectres, lorsque la recherche des différentes fréquences Doppler met en œuvre une méthode de transformée de Fourier pour la détermination des spectres correspondants, dits spectres Doppler, les moyens d'identification décomposent le spectre Doppler en une somme de spectres élémentaires d'obstacles réfléchissants,
- lorsque la recherche des différentes fréquences Doppler met en œuvre une méthode de transformée de Fourier pour la détermination des spectres correspondants, dits spectres Doppler, les moyens d'identification effectuent une déconvolution des spectres Doppler obtenus, afin d'identifier les fréquences Doppler relatives à des obstacles réfléchissants, lorsque la recherche des différentes fréquences Doppler utilise la détermination des passages à zéro du signal Doppler dans le domaine temporel, les moyens d'identification identifient les fréquences Doppler relatives à des obstacles réfléchissants dans le faisceau radar par comparaison avec celles mesurées à des instants précédents, lorsque la recherche des différentes fréquences Doppler utilise une décomposition du signal Doppler en une somme de réponses élémentaires temporelles d'obstacles réfléchissants, les moyens d'identification recherchent parmi ces réponses élémentaires celles dont l'amplitude est supérieure au niveau de bruit, - les moyens de sélection sélectionnent parmi les fréquences Doppler identifiées celles correspondant à un même obstacle en : • associant, parmi les fréquences Doppler identifiées, les suites de celles qui, à des instants successifs, sont représentatives des mêmes obstacles réfléchissants vus à leurs nouvelles positions à ces instants,
• ajustant, par variation des paramètres vitesse et position des obstacles réfléchissants à un instant donné, la fonction théorique d'évolution à l'évolution en fonction du temps de chacune des suites de points définies précédemment correspondant à chacun des obstacles présents dans le faisceau radar, la vitesse finale retenue étant celle correspondant au meilleur ajustement, les moyens de sélection sélectionnent parmi les fréquences Doppler identifiées celles correspondant à un même obstacle, en effectuant une corrélation entre les fréquences
Doppler identifiées à différents instants successifs et des familles de fonctions théoriques d'évolution dont on fait varier les paramètres vitesse et position de l'obstacle à un instant donné, les paramètres pour lesquels on a un maximum de corrélation étant ceux considérés comme résultat de la mesure, - on utilise la même antenne à l'émission et à la réception,
- lorsque l'antenne d'émission est également l'antenne de réception, les moyens de calcul déterminent la fonction théorique d'évolution en fonction du temps de la fréquence Doppler associée à un obstacle par application de la relation suivante :
Figure imgf000011_0001
où fn est la fréquence d'émission, v la vitesse relative du véhicule par rapport à l'obstacle comptée positive lorsque celui ci se rapproche, c la vitesse de propagation de l'onde, x la position de l'obstacle réfléchissant à un instant donné mesurée à partir de la projection sur le sol de la position du capteur, l'angle α et x étant reliés par la relation tan(a) =— , x - les moyens de mesure de la hauteur mesurent la hauteur h de l'antenne au-dessus de la route par tout capteur connu
- les moyens de mesure de la hauteur mesurent la hauteur h en :
• associant, parmi les fréquences Doppler identifiées, les suites de celles qui, à des instants successifs, sont représentatives des mêmes obstacles réfléchissants vus à leurs nouvelles positions à ces instants, • ajustant, par variation des paramètres vitesse, position des obstacles réfléchissants à un instant donné et hauteur de l'antenne au-dessus du sol, la fonction théorique d'évolution à l'évolution en fonction du temps de chacune des suites de points définies précédemment correspondant à chacun des obstacles présents dans le faisceau radar, la hauteur finale retenue étant celle correspondant au meilleur ajustement,
- les moyens de mesure de la hauteur mesurent la hauteur h en effectuant une corrélation entre les fréquences Doppler identifiées à différents instants successifs et des familles de courbes théoriques d'évolution dont on fait varier les paramètres vitesse, position de l'obstacle à un instant donné et hauteur de l'antenne au-dessus du sol, les paramètres pour lesquels on a un maximum de corrélation étant ceux considérés comme résultat de la mesure,
- l'onde émise est une onde électromagnétique,
- la fréquence de l'onde électromagnétique émise est dans la gamme 8 GHz - 80 GHz et de préférence dans la gamme 20 GHz -80 GHz,
- l'onde émise est une onde acoustique,
- la fréquence de l'onde acoustique émise est dans la gamme 20 kHz - 500 kHz et de préférence dans la gamme 30 kHz - 200 kHz, lorsque le contenu fréquentiel du signal Doppler calculé indique la présence d'un grand nombre d'obstacles réfléchissants dans le faisceau radar, des moyens sont prévus pour sélectionner parmi les fréquences Doppler celle correspondant à la direction de rayonnement maximal de l'antenne d'émission et la vitesse est déterminée par application de la formule : c f. v =- d
2 cos( ?)f0 où β est l'angle entre la direction de rayonnement maximal de l'antenne d'émission et le sol, - lorsque le contenu fréquentiel du signal Doppler calculé indique la présence d'un grand nombre d'obstacles réfléchissants dans le faisceau radar, des moyens sont prévus pour réduire l'angle d'ouverture de l'antenne, - des moyens sont prévus pour calculer la moyenne des vitesses obtenues lors de différentes mesures successives. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description détaillée suivante d'une de ses formes de réalisations, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des schémas joints.
Sur les dessins :
- la figure 1-a est une vue schématique d'ensemble d'un mobile 100 équipé d'un capteur de vitesse 1 selon l'art antérieur, utilisant l'effet Doppler et des antennes d'émission 21 et de réception 22 ayant un petit angle d'ouverture, situées à une hauteur h au-dessus du sol 33, le mobile 100 se déplaçant à une vitesse v dont la direction et le sens sont représentés par une flèche, un obstacle réfléchissant 31 se trouvant dans la direction du maximum de rayonnement, repérée par l'angle β, produisant un signal réfléchi vers l'antenne de réception 22,
- la figure 1-b montre également de manière schématique, un exemple de problème rencontré lors de l'utilisation des capteurs de vitesse de l'art antérieur utilisant l'effet Doppler et des antennes d'émission et de réception ayant un petit angle d'ouverture et situées à une hauteur h au-dessus du sol 33, le mobile 100 se déplaçant à une vitesse v dont la direction et le sens sont représentés par une flèche, dans une configuration telle que l'obstacle réfléchissant 31 ne se trouvant ni dans la direction du maximum de rayonnement, repérée par l'angle β, ni dans la zone 32 du sol éclairée par le faisceau radar, la mesure de la vitesse de déplacement du mobile 100 ne peut être faite,
- la figure 1-c met en évidence, de manière schématique, les avantages des capteurs de vitesse 1 utilisant l'effet Doppler et des antennes d'émission 21 et de réception 22 ayant un grand angle d'ouverture, situées à une hauteur h au-dessus du sol 33, le mobile 100 se déplaçant à une vitesse v dont la direction et le sens sont représentés par une flèche, l'obstacle réfléchissant 31 étant vu sous un l'angle α pouvant être différent de l'angle pour lequel le rayonnement de l'antenne est maximum, désigné ci-dessus par β, l'obstacle réfléchissant 31 ayant une forte probabilité de se trouver dans la zone 32 du sol éclairée par le faisceau radar, - la figure 2 est un schéma de principe du capteur de vitesse selon l'invention, dans lequel peut être prévu un capteur (5) de mesure de la hauteur par rapport au sol,
- la figure 3 représente un signal Doppler temporel acquis pendant une fenêtre de mesure de durée ΔT, cette fenêtre de mesure de durée ΔT étant ensuite découpée en sous fenêtres d'analyse de durée δt débutant à des instants successifs to, tls... de telle sorte que les sous fenêtres d'analyse se chevauchent,
la figure 4 montre un exemple de la mise en œuvre d'un procédé selon à l'invention, dans le cas où un seul obstacle réfléchissant est présent dans la zone du sol éclairée par le faisceau radar et où la hauteur du capteur par rapport au sol a été déterminée par un capteur indépendant, figure dans laquelle on voit l'évolution au cours du temps de la fréquence Doppler, le suivi de cette fréquence Doppler au cours du temps étant réalisé par une technique de transformée de Fourier rapide (FFT), la fonction théorique d'évolution correspondante ayant été calculée pour diverses valeurs des paramètres suivants : position de l'obstacle réfléchissant et vitesse, la fonction ayant le meilleur ajustement étant présentée en trait continu, ce qui dans cet exemple a conduit à une valeur de la vitesse mesurée de 60.01 km/h pour une vitesse réelle de 60 km/h.
Comme présenté schématiquement sur la figure 2, l'invention a pour but de déterminer la vitesse v d'un mobile 100, notamment d'un véhicule automobile ou d'un train, en déplacement sur le sol, cette mesure étant effectuée au moyen d'un capteur de vitesse à effet Doppler qui émet vers le sol et vers l'avant ou vers l'arrière, un faisceau radar incident relativement large.
La vitesse mesurée par le capteur de vitesse peut être transmise à un dispositif d'affichage sur le tableau de bord du mobile, ou bien à tout autre organe du véhicule, par exemple un système de freinage antiblocage de roues.
Comme représenté schématiquement sur la figure 2, le capteur de vitesse peut comprendre : un oscillateur 11 générant un signal électrique de fréquence fixe fo, - une antenne d'émission 21 ayant un grand angle d'ouverture, émettant une onde élaborée à partir du signal généré par l'oscillateur, éventuellement après passage par un amplificateur 13,
- une antenne de réception 22 ayant un grand angle d'ouverture, recevant l'onde réfléchie par un obstacle réfléchissant, la fréquence de cette onde réfléchie étant égale à la somme de la fréquence de l'onde émise et d'une quantité appelée fréquence Doppler fd proportionnelle à la vitesse de déplacement du mobile par rapport au sol et à la position de l'obstacle réfléchissant par rapport aux antennes d'émission et de réception, - un mélangeur 16 recevant sur l'une de ses entrées 16a, éventuellement après passage dans un amplificateur 15, le signal reçu par l'antenne de réception 22 et sur une autre entrée 16b une partie du signal électrique prélevée par le coupleur 12 en sortie de l'oscillateur 11, le mélangeur fabriquant deux signaux :
• le premier à la fréquence somme des deux fréquences des signaux entrant dans le mélangeur, à savoir (2fo+fd),
• le second, appelé signal Doppler, à la fréquence différence des deux fréquences des signaux entrant dans le mélangeur, à savoir fd,
- un filtre 17 passe bas éliminant la composante haute fréquence (2fo+fd) du signal de sortie du mélangeur 16, et laissant passer la composante à la fréquence fd, - une unité centrale 4 comportant des moyens de numérisation, une première entrée reliée à la sortie du filtre 17 éventuellement à travers un amplificateur 18, éventuellement une deuxième entrée reliée à la sortie d'un capteur de hauteur 5, une ou plusieurs sorties pour exploiter les données représentatives de la vitesse, cette unité centrale comportant des moyens de calcul de la vitesse v du mobile à partir du signal filtré.
De manière préférentielle, les antennes 21 et 22 sont confondues et dans ce cas, on interpose entre le coupleur 12 et le mélangeur 16 un circulateur 14 qui transmet de manière préférentielle les signaux du port 14a au port 14b et du port 14b vers le port 14c.
Les amplificateurs 13, 15 et 18, le circulateur 14, la liaison 20c qui remplace les liaisons 20a et 20b, en cas d'utilisation d'une antenne d'émission et de réception unique et le capteur de hauteur sont représentés sur la figure 2 en pointillé pour indiquer que leur présence n'est pas toujours nécessaire.
L'unité centrale 4 est prévue pour : - effectuer une analyse fréquentielle du signal Doppler à des instants successifs proches, les méthodes utilisées pour déterminer l'évolution de la fréquence Doppler au cours du temps, pouvant être des méthodes de traitement dans l'espace des fréquences (méthodes spectrales) ou des méthodes de traitement dans l'espace des temps (méthodes temporelles), l'analyse fréquentielle étant effectuée à des instants successifs rapprochés pendant une fenêtre de mesure temporelle ΔT elle-même divisée en sous fenêtres d'analyse de durée δt (figure 3),
- identifier les fréquences Doppler représentatives d'un obstacle réfléchissant du sol,
- calculer la fonction théorique d'évolution représentative de l'évolution en fonction du temps de la fréquence Doppler associée à un obstacle réfléchissant, pour une vitesse, une hauteur des antennes d'émission et de réception au dessus du sol et une position de l'obstacle réfléchissant données,
- sélectionner parmi les fréquences Doppler identifiées celles correspondant à un même obstacle réfléchissant à différents instants successifs proches et en déduire la vitesse recherchée, ces différentes étapes s' effectuant comme expliqué ci après. Le calcul du contenu fréquentiel du signal Doppler peut être effectué par des méthodes spectrales ou temporelles,
- lorsque des méthodes spectrales sont utilisées, le contenu fréquentiel du signal obtenu à l'intérieur de chacune de ces sous fenêtres, appelé dans la suite spectre Doppler peut être déterminé par toute méthode connue en soi telle que, de manière non limitative :
• une méthode de Transformée de Fourier Rapide (Fast Fourier Transform (FFT)),
• une méthode paramétrique d'analyse spectrale,
• une méthode d'analyse temps fréquence comme la transformée en ondelette ou la transformée de Wigner Nille, dans les deux premiers cas ci-dessus, les différentes sous fenêtres d'analyse δt étant avantageusement choisies se chevauchant afin de permettre un suivi, quasi continu, du contenu fréquentiel au cours du temps, - lorsque des méthodes temporelles sont utilisées, le contenu fréquentiel est calculé en recherchant les passages à zéros du signal Doppler dans le domaine temporel ou en décomposant le signal Doppler en une somme de réponses élémentaires temporelles d'obstacles réfléchissants.
L'identification des fréquences Doppler associées à des obstacles réfléchissants du sol dépend de la façon dont a été déterminé le contenu fréquentiel du signal Doppler, ainsi,
- Lorsque des méthodes spectrales sont utilisées, le spectre Doppler calculé pour chacune des sous fenêtres d'analyse est la somme des différentes contributions fréquentielles associées aux différents obstacles réfléchissants simultanément présents dans le faisceau radar et selon la proximité de ces obstacles réfléchissants, diverses situations peuvent apparaître :
• lorsque les obstacles sont suffisamment distants les uns des autres, les fréquences Doppler identifiées sur chacun des spectres Doppler sont les fréquences Doppler d'amplitude supérieure au niveau de bruit,
• lorsque les obstacles réfléchissants sont proches les uns des autres, les fréquences qui leur sont associées sont également proches et peuvent n'être pas séparées du fait d'un pouvoir de résolution insuffisant de l'analyse spectrale, la durée limitée de chaque sous fenêtre d'analyse, délimitée par exemple par une fonction porte, conduisant à un spectre Doppler non pas composé de pics de Dirac mais de sinus cardinaux, la séparation de ces fréquences proches, peut alors être effectuée par une décomposition du spectre en somme de sinus cardinaux, la recherche des fréquences centrales des différents sinus cardinaux et leur nombre pouvant s'effectuer par diverses méthodes connues, par exemple, par une méthode des gradients combinée à une sélection aléatoire des points de départ à cette recherche,
- lorsque des méthodes temporelles sont utilisées, par exemple par recherche des passages à zéros du signal Doppler temporel, les différentes fréquences Doppler déterminées sont comparées aux fréquences Doppler déterminées lors de mesures précédentes ce qui permet d'identifier les fréquences Doppler par rapport au bruit.
L'exemple de méthode d'identification des fréquences Doppler associées à des obstacles réfléchissants donné ci-dessus n'est en rien limitatif et peut être appliqué par exemple : - lorsque des méthodes spectrales sont utilisées, à des sous fenêtres d'analyse délimitées par des fonctions différentes de la fonction porte, par exemple des fenêtres de pondération de Hamming, le spectre Doppler n'étant plus composé de sinus cardinaux mais de sinus cardinaux convolués avec la transformée de Fourier de la fonction de Hamming, le spectre calculé étant toujours composé d'une somme de ces fonctions et la décomposition décrite précédemment restant valable, les différentes décompositions en somme de contributions d'obstacles isolés pouvant être également réalisées par déconvolution,
- lorsque des méthodes temporelles sont utilisées, par exemple par décomposition du signal Doppler temporel en une somme de réponses élémentaires temporelles d'obstacles réfléchissants, les différents résultats étant caractérisés par une fréquence et une amplitude qui sont comparées entre elles et à celles obtenues lors des précédentes mesures, les fréquences Doppler ainsi déterminées ayant une amplitude du signal élémentaire plus grande que le bruit étant appelées fréquences Doppler identifiées.
Les durées des fenêtres de mesure ΔT sont choisies de façon à pouvoir considérer la vitesse comme constante pendant cette durée ΔT, de telle sorte que la variation de la fréquence Doppler ne soit provoquée que par la variation de la position de l'obstacle réfléchissant par rapport au radar, pendant cette durée.
La fréquence Doppler diminue au cours du temps lorsque le véhicule se rapproche de l'obstacle alors qu'elle augmente dans le cas contraire.
Lorsque l'antenne d'émission est également l'antenne de réception, l'évolution de la fréquence Doppler fd(t) est donnée par l'expression analytique suivante :
Figure imgf000018_0001
où fo est la fréquence d'émission, v la vitesse relative du véhicule par rapport à l'obstacle comptée positive lorsque celui ci se rapproche, c la vitesse de propagation de l'onde, x la position de l'obstacle réfléchissant au début de la fenêtre de mesure ΔT, déterminée à partir de la verticale de l'antenne, h la hauteur de l'antenne au-dessus du sol, x et α étant reliés par la relation tan(α) = — . x A titre d'exemple non limitatif, on présente deux méthodes permettant de déterminer la vitesse à partir de la connaissance des différentes fréquences Doppler et de la fonction théorique d'évolution représentant l'évolution au cours du temps de la fréquence Doppler associée à un obstacle réfléchissant, lorsque la hauteur des antennes d'émission et de réception au dessus du sol est déterminée par tout capteur de hauteur connu.
i) Première méthode
On sépare en une ou plusieurs suites les fréquences Doppler précédemment identifiées, chacune de ces suites étant représentative de l'évolution au cours du temps des fréquences Doppler identifiées associées à un des obstacles réfléchissants présents dans le faisceau radar, la vitesse étant alors déterminée en ajustant à ces différentes suites la fonction théorique d'évolution.
A titre d'exemple, on décrit maintenant une méthode pour déterminer les suites de fréquences identifiées, pour cela, on détermine ensuite les suites de fréquences Doppler identifiées représentatives de l'évolution de la position de chacun des obstacles réfléchissants, pour ce faire, on considère une fréquence Doppler identifiée repérée dans la première sous fenêtre d'analyse, on compare sa valeur aux fréquences Doppler identifiées dans la sous fenêtre d'analyse suivante, si la différence observée est dans un intervalle de fréquences compatible avec la gamme de vitesses considérée et la gammé considérée de position des obstacles réfléchissants, à l'imprécision fréquentielle près, on considère que les deux fréquences Doppler considérées appartiennent à la même suite et on procède de la même façon pour chacune des fréquences Doppler identifiées, les fréquences Doppler identifiées provoquées par le bruit étant ainsi éliminées car appartenant à des suites réduites à un seul point, ainsi, une ou plusieurs suites de fréquences Doppler représentatives de l'évolution temporelle de la position des obstacles réfléchissants sont définies.
On peut alors déterminer la vitesse (v) du véhicule et la position (x) de l'obstacle au début de la fenêtre de mesure en faisant varier les paramètres vitesse et position de la fonction théorique d'évolution pour trouver le meilleur ajustement possible entre cette fonction théorique et chaque suite de fréquences Doppler expérimentales.
Diverses méthodes d'optimisation peuvent être utilisées, par exemple, on construit une fonction erreur à partir de la différence entre les fréquences Doppler expérimentales et la fonction théorique d'évolution, les paramètres v et x recherchés étant ceux pour lesquels cette fonction erreur est minimale.
Afin d'éviter que les paramètres obtenus correspondent à un minimum local du critère d'optimisation, leur recherche peut, par exemple, combiner une méthode des gradients à une méthode de tirage aléatoires des points de départ, la vitesse finale retenue et la position en début de fenêtre de mesure du ou des obstacles réfléchissants sont les valeurs des paramètres optimums v et x qui correspondent au meilleur ajustement de la fonction théorique d'évolution aux fréquences Doppler expérimentales.
ii) Deuxième méthode
Dans cette méthode, on recherche la corrélation entres des familles de fonctions théoriques d'évolution et les fréquences Doppler identifiées.
La connaissance des fréquences Doppler identifiées à différents instants successifs permet de rechercher les corrélations entre ces fréquences Doppler et des familles de fonctions théoriques d'évolution dont on fait varier les paramètres vitesse et position en début de fenêtre de mesure de l'obstacle réfléchissant, les paramètres pour lesquels on a un maximum de corrélation étant considérés comme résultat de la mesure, cette recherche pouvant souvent être limitée à certaines gammes de vitesse, en tenant compte des valeurs maximales possible de l'accélération du mobile et de la vitesse déterminée dans une précédente mesure.
Le procédé objet de l'invention est également applicable lorsque la hauteur h n'est pas élaborée par un capteur indépendant. A titre d'exemple non limitatif, on présente deux méthodes permettant de déterminer la vitesse et la hauteur à partir de la connaissance des différentes fréquences Doppler et de la fonction théorique d'évolution représentant l'évolution au cours du temps de la fréquence Doppler associée à un obstacle réfléchissant.
i) Première méthode On sépare en une ou plusieurs suites les fréquences Doppler précédemment mesurées, chacune de ces suites est alors représentative de l'évolution au cours du temps des fréquences Doppler identifiées associées à un des obstacles réfléchissants présents dans le faisceau radar, la vitesse et la hauteur sont ensuite déterminées en ajustant à ces différentes suites la fonction théorique d'évolution.
A titre d'exemple, on décrit maintenant une méthode pour définir les suites de fréquences Doppler, pour cela, on détermine ensuite les suites de fréquences Doppler identifiées représentatives de l'évolution de la position de chacun des obstacles réfléchissants, pour ce faire, on considère une fréquence Doppler identifiée repérée dans la première sous fenêtre d'analyse, on compare sa valeur aux fréquences Doppler identifiées dans la sous fenêtre d'analyse suivante, si la différence observée est dans un intervalle de fréquences compatible avec la gamme de vitesses considérée et la gamme considérée de position des obstacles réfléchissants, à l'imprécision fréquentielle près, on considère que les deux fréquences Doppler considérées appartiennent à la même suite, on procède de la même façon pour chacune des fréquences Doppler identifiées, les fréquences Doppler identifiées provoquées par le bruit étant ainsi éliminées car appartenant à des suites réduites à un seul point, ainsi, une ou plusieurs suites de fréquences Doppler représentatives de l'évolution temporelle de la position des obstacles réfléchissants sont définies.
On peut alors déterminer la vitesse (v) du véhicule, la position (x) de l'obstacle au début de la fenêtre de mesure et hauteur entre l'antenne et le sol (h) en faisant varier les paramètres vitesse, position et hauteur de la fonction théorique d'évolution pour trouver le meilleur ajustement possible entre cette fonction théorique et chaque suite de fréquences Doppler expérimentales.
Diverses méthodes d'optimisation peuvent être utilisées, par exemple, on construit une fonction erreur à partir de la différence entre les fréquences Doppler expérimentales et la fonction théorique d'évolution, les paramètres v, x et h recherchés étant ceux pour lesquels cette fonction est minimale.
Afin d'éviter que les paramètres obtenus correspondent à un minimum local du critère d'optimisation, leur recherche peut, par exemple, combiner une méthode des gradients à une méthode de tirage aléatoires des points de départ, la vitesse finale, la position en début de fenêtre de mesure du ou des obstacles réfléchissant et la hauteur entre l'antenne et le sol retenues sont les valeurs des paramètres optimums v, x et h qui correspondent au meilleur ajustement de la fonction théorique d'évolution aux fréquences Doppler identifiées expérimentales. ii) Deuxième méthode
Dans cette méthode, on recherche la corrélation entre des familles de fonctions théoriques d'évolution et les fréquences Doppler identifiées.
La connaissance des fréquences Doppler identifiées à des instants successifs, permet de rechercher les corrélations entre ces fréquences Doppler identifiées et des familles de fonctions théoriques d'évolution dont on fait varier les paramètres vitesse, position en début de fenêtre de mesure de l'obstacle réfléchissant et hauteur entre l'antenne et le sol, les paramètres pour lesquels on a un maximum de corrélation étant considérés comme résultat de la mesure, cette recherche pouvant être limitée à certaines gammes de vitesse, en tenant compte des valeurs maximales possibles de l'accélération du mobile et de la vitesse déterminée dans une précédente mesure.
Lorsque le nombre d'obstacles présents dans le faisceau radar augmente, il n'est plus possible de décomposer les spectres obtenus en fréquences Doppler représentatives d'obstacles réfléchissants, on a alors un continuum d'obstacles réfléchissants disposés sur la surface de la route, une réflexion importante provient alors de la direction du maximum de rayonnement de l'antenne, dans ces conditions, on privilégie l'obstacle réfléchissant de la route correspondant à la direction du maximum de rayonnement de l'antenne et on calcule la vitesse en utilisant la relation : v =- Cf<
2cos(β 0)f0 où fo est la fréquence d'émission, v la vitesse du véhicule, c la vitesse de propagation de l'onde, βo la direction du maximum de rayonnement de l'antenne et fd la fréquence Doppler mesurée.
Lorsque les obstacles réfléchissants ont une distribution variable, passant par exemple d'une situation où ils sont très espacés à une situation où ils sont répartis selon un quasi continuum, des moyens sont prévus pour, dès détection d'une telle situation de continuum d'obstacles, réduire, pendant un bref instant, l'angle d'ouverture de l'antenne par tout moyen connu, par exemple en activant sur l'antenne des éléments rayonnants supplémentaires par commutation de diodes ou autres composants de commutation.
L'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation particulière qui vient d'être décrite ; elle en embrase au contraire toutes les variantes, et notamment celle ou le radar lui même est utilisé pour mesurer la hauteur du radar par rapport au sol, en exploitant le signal obtenu pour un angle autour de 90°.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de mesure de la vitesse v d'un mobile (100) en déplacement selon une direction parallèle au sol (33), cette mesure étant effectuée au moyen d'un radar Doppler (1) présentant des antennes d'émission (21) et de réception (22) fixées au mobile à une certaine hauteur h au-dessus du sol et prévu pour émettre un faisceau radar vers le sol selon un axe moyen dirigé vers l'avant ou vers l'arrière par rapport à la direction de déplacement, ce procédé comportant les étapes suivantes :
Elaborer, grâce à un oscillateur (11), un signal électrique à une certaine fréquence, - émettre, grâce à l'antenne d'émission ayant un grand angle d'ouverture dans un plan vertical, à partir de ce signal et éventuellement après amplification, une onde incidente vers le sol, capter, par l'intermédiaire de l'antenne de réception ayant un grand angle d'ouverture dans un plan vertical, une onde réfléchie, générée par la réflexion de l'onde incidente sur un obstacle réfléchissant du sol,
- mélanger une partie du signal électrique fourni par l'oscillateur au signal capté issu de l'antenne de réception, éventuellement après amplification, et fabriquer ainsi deux signaux, l'un dont la fréquence est la somme et l'autre dont la fréquence est la différence des deux fréquences des signaux entrant dans le mélangeur, - filtrer le signal le signal issu du mélangeur (16) pour générer un signal filtré proportionnel au signal à la fréquence différence, amplifier le signal filtré à la fréquence différence et fournir ainsi un signal dit signal Doppler,
- rechercher les différentes fréquences Doppler contenues dans le signal Doppler à des instants successifs proches, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes suivantes :
- identifier dans chaque signal Doppler obtenu à des instants successifs proches les fréquences Doppler associées à des obstacles réfléchissants du sol situés dans le domaine balayé par l'onde émise par l'antenne d'émission, dites fréquences Doppler identifiées
- calculer la fonction théorique d'évolution représentative de l'évolution en fonction du temps de la fréquence Doppler associée à un obstacle réfléchissant, pour une vitesse, une hauteur des antennes d'émission et de réception au-dessus de la route et pour une position de l'obstacle réfléchissant données, - sélectionner parmi les fréquences Doppler identifiées celles correspondant à un même obstacle réfléchissant à différents instants successifs et on en déduit la vitesse recherchée.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, lorsque la recherche des différentes fréquences Doppler met en œuvre une méthode de transformée de Fourier pour la détermination des spectres correspondants, dits spectres Doppler, on recherche dans ces spectres Doppler, les fréquences correspondantes aux maxima de ces spectres.
3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, lorsque la recherche des différentes fréquences Doppler met en œuvre une méthode de transformée de Fourier pour la détermination des spectres correspondants, dits spectres Doppler, on décompose le spectre Doppler en une somme de spectres élémentaires d'obstacles réfléchissants.
4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, lorsque la recherche des différentes fréquences Doppler met en œuvre une méthode de transformée de Fourier pour la détermination des spectres correspondants, dits spectres Doppler, on effectue une déconvolution des spectres Doppler obtenus, afin d'identifier les fréquences Doppler relatives à des obstacles réfléchissants.
5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel lorsque la recherche des différentes fréquences Doppler utilise la détermination des passages à zéro du signal Doppler dans le domaine temporel, on identifie les fréquences Doppler relatives à des obstacles réfléchissants dans le faisceau radar par comparaison avec celles mesurées à des instants précédents.
6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, lorsque la recherche des différentes fréquences Doppler utilise une décomposition du signal Doppler en une somme de réponses élémentaires temporelles d'obstacles réfléchissants, on recherche parmi ces réponses élémentaires celles dont l'amplitude est supérieure au niveau de bruit.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, on sélectionne parmi les fréquences Doppler identifiées celles correspondant à un même obstacle en :
• associant, parmi les fréquences Doppler identifiées, les suites de celles qui, à des instants successifs, sont représentatives des mêmes obstacles réfléchissants vus à leurs nouvelles positions à ces instants,
• ajustant, par variation des paramètres vitesse et position des obstacles réfléchissants à un instant donné, la fonction théorique d'évolution à l'évolution en fonction du temps de chacune des suites de points définies précédemment correspondant à chacun des obstacles présents dans le faisceau radar, la vitesse finale retenue étant celle correspondant au meilleur ajustement.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, on sélectionne parmi les fréquences Doppler identifiées celles correspondant à un même obstacle en effectuant une corrélation entre les fréquences Doppler identifiées à différents instants successifs et des familles de fonctions théoriques d'évolution dont on fait varier les paramètres vitesse et position de l'obstacle à un instant donné, les paramètres pour lesquels on a un maximum de corrélation étant considérés comme résultat de la mesure.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, on utilise la même antenne à l'émission et à la réception.
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel, lorsque l'antenne d'émission est également l'antenne de réception, on détermine la fonction théorique d'évolution en fonction du temps de la fréquence Doppler associée à un obstacle par application de la relation suivante :
Figure imgf000025_0001
où fo est la fréquence d'émission, v la vitesse relative du véhicule par rapport à l'obstacle comptée positive lorsque celui ci se rapproche, c la vitesse de propagation de l'onde, x la position de l'obstacle réfléchissant à un instant donné mesurée à partir de la projection sur le sol de la position du capteur, l'angle α et x étant reliés par la relation tan(α) = - h x
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, on mesure la hauteur h de l'antenne au-dessus de la route par tout capteur (5) connu.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel, on mesure la hauteur h en :
• associant, parmi les fréquences Doppler identifiées, les suites de celles qui, à des instants successifs, sont représentatives des mêmes obstacles réfléchissants vus à leurs nouvelles positions à ces instants, • ajustant, par variation des paramètres vitesse, position des obstacles réfléchissants à un instant donné et hauteur de l'antenne au-dessus du sol, la fonction théorique d'évolution à l'évolution en fonction du temps de chacune des suites de points définies précédemment correspondant à chacun des obstacles présents dans le faisceau radar, la hauteur finale retenue étant celle correspondant au meilleur ajustement.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel, on mesure la hauteur h en effectuant une corrélation entre les fréquences Doppler identifiées à différents instants successifs et des familles de courbes théoriques d'évolution dont on fait varier les paramètres vitesse, position de l'obstacle à un instant donné et hauteur de l'antenne au-dessus du sol, les paramètres pour lesquels on a un maximum de corrélation étant considérés comme résultat de la mesure.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, l'onde émise est une onde électromagnétique.
15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel, la fréquence de l'onde électromagnétique émise est dans la gamme 8 GHz - 80 GHz et de préférence dans la gamme 20 GHz -80 GHz.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel, l'onde émise est une onde acoustique.
17. Procédé selon la revendication 16, dans lequel, la fréquence de l'onde acoustique émise est dans la gamme 20 kHz - 500 kHz et de préférence dans la gamme 30 kHz - 200 kHz.
18. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, lorsque le contenu fréquentiel du signal Doppler calculé indique la présence d'un grand nombre d'obstacles réfléchissants dans le faisceau radar, on sélectionne parmi les fréquences Doppler celle correspondant à la direction de rayonnement maximal de l'antenne d'émission et la vitesse est déterminée par application de la formule :
.. = ..... ct αi_
2 cos( ?)f0 où β est l'angle entre la direction de rayonnement maximal de l'antenne d'émission et le sol.
19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, dans lequel, lorsque le contenu fréquentiel du signal Doppler calculé indique la présence d'un grand nombre d'obstacles réfléchissants dans le faisceau radar, on réduit l'angle d'ouverture de l'antenne.
20. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, on calcule la moyenne des vitesses obtenues lors de différentes mesures successives.
21. Dispositif pour mettre en œuvre un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, ce dispositif comportant :
- un oscillateur qui fournit un signal électrique à une certaine fréquence - une antenne d'émission émettant, à partir de ce signal et éventuellement après amplification, une onde incidente vers le sol et ayant un grand angle d'ouverture dans un plan vertical
- une antenne de réception ayant un grand angle d'ouverture dans un plan vertical, recevant une onde réfléchie, générée par la réflexion de l'onde incidente sur un obstacle réfléchissant du sol,
- un mélangeur qui prélève une partie du signal électrique fourni par l'oscillateur et le mélange au signal capté issu de l'antenne de réception, éventuellement après amplification, et qui fabrique ainsi deux signaux, l'un dont la fréquence est la somme et l'autre dont la fréquence est la différence des deux fréquences des signaux entrant dans le mélangeur,
- un filtre passe bas qui filtre le signal issu du mélangeur pour générer un signal filtré proportionnel au signal à la fréquence différence,
- un amplificateur basse fréquence qui amplifie le signal filtré à la fréquence différence et fournit ainsi un signal dit signal Doppler, des moyens pour rechercher les différentes fréquences Doppler contenues dans le signal Doppler à des instants successifs proches, - des moyens d'identification qui identifient dans chaque signal Doppler obtenu à des instants successifs proches les fréquences Doppler associées à des obstacles réfléchissants du sol situés dans le domaine balayé par l'onde émise par l'antenne d'émission, dites fréquences Doppler identifiées des moyens de mesure de la hauteur des antennes d'émission et de réception au- dessus de la route, des moyens de calcul qui calculent la fonction théorique d'évolution représentative de l'évolution en fonction du temps de la fréquence Doppler associée à un obstacle, pour une vitesse, une hauteur des antennes d'émission et de réception au-dessus de la route et pour une position de l'obstacle données - des moyens de sélection qui sélectionnent parmi les fréquences Doppler identifiées celles correspondant à un même obstacle à différents instants successifs et en déduisent la vitesse recherchée.
22. Dispositif selon la revendication 21, dans lequel, la même antenne ayant un grand angle d'ouverture est utilisée à l'émission et à la réception.
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