PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE DE COURTES DISTANCES PAR ANALYSE DE MODULATION D'UNE ONDE.
La présente invention concerne un procédé et un dispositif de mesure de courtes distances par analyse de modulation d'une onde.
Elle a pour objet de mesurer des courtes distances en utilisant une onde porteuse modulée dans une bande de fréquence normalement allouée et utilisée pour un autre usage (exemple : radiocommunications). Ces bandes ont un spectre étroit qui doit être respecté.
En l'état actuel de la technique, la mesure de distances courtes 'par voie hertzienne n'est pas possible avec les procédés de type radar (bande passante requise importante et existence' d'une distance proche aveugle).
Des procédés ou dispositifs utilisent plusieurs sources de rayonnement en simultané.
Des procédés sont fondés sur des mesures d'énergie et sont sensibles aux perturbations.
Des procédés mettent en œuvre des rayonnements de fréquence très élevée (laser).
L'invention sera décrite ci-après, avec référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est le diagramme temporel représentant la modulation émise par le premier dispositif émetteur/récepteur, - la figure 2 est le diagramme temporel représentant la modulation reçue par le second dispositif émetteur/récepteur,
- la figure 3 est le diagramme temporel représentant la modulation retransmise par le second dispositif émetteur/récepteur,
- la figure 4 est le diagramme temporel représentant la modulation reçue en retour par le premier dispositif émetteur/récepteur en regard de la modulation initiale translatée temporellement,
- la figure 5 représente un schéma synoptique simplifié des premier et second dispositifs émetteur/récepteur.
Dans cet exemple, on considère un dispositif A et un dispositif B indépendants et distants.
Le dispositif A qui contient un émetteur modulable émet à partir d'un temps TO une onde modulée de durée TE (figure 1). Les formes caractéristiques de la modulation initiale sont connues.
La durée de rémission et les caractéristiques de la modulation déterminent un spectre à la sortie du dispositif A.
Après un temps de propagation Pa, l'onde atteint le dispositif B (figure 2).
Le dispositif B contient un récepteur, un système introduisant un retard fixe, un émetteur.
L'onde qui atteint le dispositif B est émise à nouveau par le dispositif B avec un retard R par rapport à la réception dans ce dispositif B (figure 3). Les
caractéristiques du dispositif B imposent à l'onde émise de rester dans le spectre déjà défini à la sortie du dispositif A. Après un temps de propagation Pr, l'onde revient vers le dispositif A (figure 4).
L'onde reçue dans le dispositif A est démodulée. Le dispositif A contient un moyen de mesure de la démodulation qui permet de caractériser la forme dans le temps du signal démodulé. Le moyen de mesure est activé après un temps d'attente correspondant au minimum à la durée TE (figure 4).
Le dispositif A contient un processeur qui réalise l'analyse temporelle en faisant la comparaison en un nombre de points suffisants entre la forme du signal démodulé et la forme de la modulation initiale à laquelle on fait subir une translation temporelle connue. Quand un nombre suffisant de rapports entre les amplitudes correspondantes aux mêmes instants respectivement des signaux émis et démodulé a/b, c/d (figure 4) sont semblables, le temps de retard TR correspondant à la translation est déterminé. -
En milieu libre, avec une propagation normale, la forme du signal démodulé est très voisine de la forme de la modulation initiale. L'erreur de positionnement temporel et du temps de retard correspondant TR est alors faible et inférieure à Pa ou Pr.
En milieu libre Pa = Pr.
Si ri est la somme des retards intrinsèques au dispositif A, on alors :
TR = Pa + R + Pr + rI
avec R et ri qui sont constants et connus.
La distance D entre le dispositif A et le dispositif B est
D = c ((TR - R - rI)/2),
c étant la vitesse de la lumière.
Les dispositifs A et B comprennent chacun un émetteur modulable et un récepteur associé à son démodulateur.
Les caractéristiques de la modulation et de la démodulation doivent permettre la conservation de la forme d'onde ; en conséquence, les modulateurs et les démodulateurs doivent être linéaires, sans hystérésis et sans aléas de temps de retard.
Compte tenu de l'encombrement spectral et des risques de brouillage, la transmission de l'onde modulée est effectuée dans une bande passante la plus réduite possible ; les modulations d'amplitude et de fréquence peuvent convenir à condition de respecter les critères énoncés ci-dessus.
Dans cet exemple, la modulation de fréquence est exploitée consistant établir une relation linéaire entre la fréquence instantanée de la porteuse et rinformation à transmettre ; ainsi le signal supportant l'information varie entre une valeur minimale et une valeur maximale, la fréquence instantanée de la porteuse varie simultanément sur une plage de fréquence.
La démodulation consiste à effectuer une dérivation de l'onde porteuse ; l'information qui apparaît alors sur son amplitude représente le signal recherché, et il suffit d'effectuer une' détection d'enveloppe pour l'obtenir.
Dans cet exemple, toute forme de modulation est possible avec ou sans valeur moyenne nulle ; les formes de modulation dont la valeur moyenne est nulle, facilitent la maîtrise desdites formes dans- les circuits d'émission et de réception.
Les formes de modulation peuvent ne pas être symétriques, telle une caractéristique en forme d'onde évanescente ; d'autre part, compte tenu de la présence d'éventuelles distorsions de la modulation, celles-ci peuvent présenter plusieurs périodes, permettant ainsi d'effectuer la comparaison homothétique sur la ême période.
La démodulation du signal généré par l'émetteur du dispositif A et reçu par le récepteur du dispositif B, de même la démodulation du signal en retour, généré par l'émetteur du dispositif B et reçu par le récepteur du dispositif A, sont effectuées par détection d' enveloppe.
Ainsi dans cet exemple, le temps de transit d'une modulation suivie d'une démodulation est de l'ordre de 10"5 s ; si la précision sur la distance mesurée doit être inférieure à 3 mètres soit 10" s, toute dérive pendant la durée d'acquisition des signaux par les dispositifs A, B doit être nettement inférieure à l0"8 s.
La comparaison homothétique entre les signaux émis et reçus au niveau du dispositif A nécessite que la forme de l'onde modulée à l'émission par le dispositif A soit parfaitement identifiée ; dans cet exemple, la modulation est générée à partir d'une conversion numérique/analogique, laquelle conversion est effectuée à fréquence élevée issue d'une base de temps pilotée par quartz. Par ailleurs le temps de retard RQ (dispositif B) est également généré à partir d'une base de temps pilotée par quartz. Ces différentes bases de temps doivent être parfaitement stables à court terme.
La figure 5 représente un schéma synoptique simplifié des premier et second dispositifs émetteur/récepteur.
Ainsi sont effectuées une première conversion numérique/analogique (bloc 2) d'un signal de référence délivré par un générateur (bloc 1) avant émission
(bloc 3) au niveau du dispositif A, puis, au niveau du dispositif B, après
réception (bloc 4) une double conversion analogique/numérique (bloc 5) puis numérique/analogique (bloc 7) avant émission (bloc 8), entre lesquelles est généré sous forme numérique (bloc 6) le retard RQ, puis enfin une conversion analogique/numérique (bloc 10) après réception (bloc 9) au niveau du dispositif A.
Ainsi le retard R, généré par le dispositif B, est la somme des retards de conversion, de réception, d'émission, et du retard RQ généré par le bloc 6, dudit dispositif B.
De même le retard ri, généré par le dispositif A, est la somme des retards de conversion, d'émission et de réception, dudit dispositif A.
La comparaison entre les signaux émis et démodulé et le calcul de la distance sont effectués sous forme de traitement numérique (bloc 11).
Ces quatre conversions caractérisent la quantification en amplitude des signaux émis et reçus ; compte tenu des affaiblissements de propagation aller et retour, le degré de quantification en amplitude détermine la précision sur la mesure des signaux détectés.
En comparant, au niveau du dispositif A, la forme du signal émis avec la forme du signal reçu, ces deux signaux étant placés correctement dans l'espace temps, les rapports d'amplitude en tout point, c'est-à-dire à chaque intervalle de temps d'échantillonnage, sont théoriquement égaux ; l'homothetie est respectée.
Afin de positionner correctement les deux signaux dans l'espace temps, une recherche de part et d'autre du positionnement idéal est effectuée, sachant que de part et d'autre dudit positionnement idéal, les rapports d'amplitude en tout point sont inégaux.
En effet selon le sens du décalage, les rapports d'amplitude deviennent tous plus petits d'un côté de l'onde et plus grands de l'autre côté de l'onde, et inversement lors d'un décalage inverse.
Ainsi l'écart entre les rapports d'amplitude d'un côté de l'onde et les rapports d'amplitude de l'autre côté de l'onde, passe par zéro, correspondant à l'égalité en tout point des rapports d'amplitude, lorsque le positionnement idéal est obtenu.
En réalité, le signal détecté comporte des distorsions d'amplitude et du bruit provoquant une dispersion des rapports d'amplitude ; cette dispersion passe par un minimum en fonction du décalage temporel entre les deux signaux ; le positionnement idéal correspond à ce minimum.
Par ailleurs, si on établit un rapport d'homothétie unique et le plus probable en analysant les deux signaux émis et reçu, on peut alors établir une somme des écarts entre les deux signaux ; cette somme des écarts passe théoriquement par zéro ; en fait, cette somme passe par un minimum lorsque les deux signaux sont positionnés correctement l'un par rapport à l'autre.
Ainsi la notion de rapports d'amplitude peut être substituée par une notion d'écarts.
En d'autres termes, on recherche un mimmiiπi d'écarts, après établissement d'un seul rapport, au lieu d'un minimum de dispersions des rapports d'amplitude.
L'analyse de ces écarts est bien évidemment effectuée sur les signaux numérisés ; la précision de cette analyse est déterminée par la fréquence d'échantillonnage et par la quantification en amplitude ; une interpolation,
fonction de la fréquence d'échantillonnage et de la quantification en amplitude, permet d'améliorer la précision d'analyse.
Avantageusement, l'analyse numérique des rapports ou des écarts permet de quantifier les distorsions affectant le signal détecté au niveau du dispositif A ; cette quantification autorise la détermination d'un seuil d'acceptabilité de la mesure en deçà duquel la mesure de la distance séparant les dispositifs A, B est considérée comme hors de la tolérance requise.
Ce procédé et dispositif fonctionnent dans les bandes allouées des plans de fréquences établis par les autorités pour la radiocommunication. Ils peuvent par exemple être intégrés dans un système de radiotéléphonie composé d'émetteurs/récepteurs fixes et de téléphones mobiles et permettre la localisation précise d'un mobile par rapport à une station fixe. En réalisant plusieurs mesures avec des stations fixes on peut déterminer la position du mobile dans une cellule de radiotéléphonie.