WO2009034039A1 - Rf frequency relative telemetry of high precision - Google Patents

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WO2009034039A1
WO2009034039A1 PCT/EP2008/061811 EP2008061811W WO2009034039A1 WO 2009034039 A1 WO2009034039 A1 WO 2009034039A1 EP 2008061811 W EP2008061811 W EP 2008061811W WO 2009034039 A1 WO2009034039 A1 WO 2009034039A1
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WO
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antenna
antennas
instants
pair
parameters
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/061811
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French (fr)
Inventor
Philippe Berisset
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • 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
    • G01S11/00—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation
    • G01S11/02—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation using radio waves
    • G01S11/023—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation using radio waves using impedance elements varying with distance

Definitions

  • the present invention relates to the field of microwave telemetry. It finds particular application in the field of monitoring alignments of an optical chain.
  • STATE OF THE PRIOR ART Distance measurement between two objects can be obtained in multiple ways.
  • One well known technique is to install a radar or lidar system on one of the objects and measure the distance to a reflector located on the other object.
  • the distance is generally obtained by the flight time of a pulse or the difference in frequency between the transmitted wave and the wave received in the case of a FMCW system.
  • an interferometric device is preferably used to evaluate the displacement of an object from the scrolling of the interference fringes between a reference wave and a wave reflected by this object.
  • a device called a "laser tracker" capable of emitting a laser beam in a large number of directions and measuring the respective displacements of a plurality of objects in the beam scanning field.
  • a description of a laser tracker can be found in the international application WO-A-0109642.
  • Such a device is however very expensive and poorly suited to industrial environments in the sense that it is particularly fragile and sensitive to dust, temperature variations, pressure, humidity and ambient light level.
  • a first object of the present invention is therefore to provide a relative rangefinder, that is to say a displacement measurement system with respect to a reference, which allows to obtain a very high accuracy while being particularly robust and low cost.
  • a subsidiary object of the present invention is to provide the possibility of measuring simultaneously the relative displacements of a plurality of objects.
  • the present invention is defined by a system for measuring the relative displacement of an object relative to another, each object being equipped with an antenna, in which each antenna is connected to a transmission / reception module, each antenna emitting in turn and the other receiving the transmitted signal, the signals transmitted and reflected by the transmitting antenna and the signal received by the receiving antenna being transmitted to a vector network analyzer, said analyzer being adapted to measure in at least two successive instants the parameters S of the quadrupole between the transmission / reception modules of the two antennas, the system further comprising calculation means adapted to calculate the relative displacement of an object with respect to the other between these two instants, according to complex ratios of the parameters S measured at these two instants.
  • said displacement is calculated from:
  • said displacement is calculated from:
  • said system comprises pretreatment means adapted to determine the impulse response of the transmission channel between said antennas, to deduce from said response a time window corresponding to the propagation path in direct line, and to effect a temporal division of the received signal to using the window before transmitting it to the vector network analyzer.
  • the invention is also defined by a system for measuring relative displacements of a plurality M of objects, each object being equipped with an antenna, in which each antenna is connected to a transmission / reception module, each antenna emitting turn and the other antennas receiving the signal transmitted, the signals transmitted and reflected by this antenna as well as the signals received by the receiving antennas being respectively transmitted to a vector network analyzer via a first and a second switch, said analyzer being adapted to measure in at least two successive instants the parameters Quadrupoles respectively between the transmitting / receiving modules of the transmitting antenna on the one hand and the transmission / reception modules of the receiving antennas on the other hand, the system further comprising calculation means adapted to calculate the relative displacement of each pair of objects between these two instants, as a function of the complex ratios of parameters S measured at these two instants for the pair of antennas associated with this pair of objects.
  • N ⁇ D m ⁇ B m 2 ⁇ ⁇ f n
  • ⁇ TM is the phase variation calculated by
  • the system comprises pretreatment means adapted to determine the impulse response of the transmission channel between each pair of antennas, to deduce from said response a temporal window corresponding to the propagation path in direct line, and to temporally cut the signal received using said window before transmitting it to the vector network analyzer.
  • the invention is further defined by a method for measuring the relative displacement of one object relative to another, each object being equipped with an antenna, in which each antenna is connected to a transmission / reception module and each antenna transmits in turn and the other receives the transmitted signal; the parameters S of the quadrupole between the transmission / reception modules of the two antennas are measured in at least two successive instants from the signals transmitted and reflected by the transmitting antenna and the signal received by the receiving antenna; the relative displacement between these two instants is calculated from complex ratios of the parameters S measured at these two instants.
  • the invention is finally defined by a method for measuring relative displacements of a plurality M of objects, each object being equipped with an antenna, in which each antenna is connected to a transmission / reception module and: each antenna transmits in turn and the other antennas then receive the transmitted signal; the parameters S of the quadrupoles respectively between the transmitting / receiving modules of the transmitting antenna on the one hand and the transmission / reception modules of the receiving antennas on the other hand, are measured in at least two successive instants from signals transmitted and reflected by the transmitting antenna as well as the signals received by the receiving antennas; the relative displacement of each pair of objects between these two instants is calculated as a function of the complex ratios of the parameters S measured at these two instants for the pair of antennas associated with this pair of objects.
  • Fig. 1 schematically illustrates a displacement measuring system according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 schematically illustrates a displacement measuring system according to a second embodiment of the invention
  • Fig. 3 represents measurement errors obtained with a measuring system according to a first variant embodiment of the invention, for first experimental conditions
  • Fig. 4 represents measurement errors obtained with a measurement system according to a second variant embodiment of the invention, for second experimental conditions
  • Fig. 5 represents measurement errors obtained with a measurement system according to a third variant embodiment of the invention, for third experimental conditions.
  • the idea underlying the invention is to use a microwave system comprising a first antenna installed on a first object and a second antenna installed on a second object, and to measure the relative displacement of the transmitting and receiving antennas using the parameters. S of said microwave system.
  • FIG. 1 represents a relative displacement measuring system according to one embodiment of the invention.
  • This system 100 comprises a first antenna 111, installed on a first object 101 and a second antenna 112, installed on a second object 102.
  • the antennas 111 and 112 are alternately transmitting and receiving. They are respectively connected to a first duplexer 131 and a second duplexer 132 by coaxial cables 121 and 122.
  • the first duplexer 131 is connected at the input / output to a first transmission / reception module 141.
  • the second duplexer 132 is of the same way connected in input / output to a second transmission / reception module 142.
  • the first and second Transmitting / receiving modules 141, 142 are further connected to a vector network analyzer 160, where appropriate through a preprocessing module 150 described later.
  • the vector network analyzer 160 determines the parameters S of the network and supplies them to the calculation means 170.
  • the system 100 comprises control means (not shown) controlling the transmission / reception modules, the optional preprocessing module, the network analyzer as well as the calculation means.
  • the assembly constituted by the duplexers 131 and 132, the coaxial cables 121 and 122, the antennas 111 and 112 and the air separating the two antennas can be seen as a quadrupole Q, represented in broken lines, of inputs e x and e 2 and outputs S 1 and S 2 . It is recalled that the parameters S of a quadrupole are defined by:
  • Ci 1 and Ci 2 are the complex amplitudes of the incoming waves at e x and e 2
  • b x and b 2 are the complex amplitudes of the outgoing waves at S 1 and S 2 .
  • the parameters S are equivalently the coefficients of the quadrupole dispersion matrix.
  • a signal is alternately injected at e x and e 2 and the amplitude and the phase of the outgoing waves at S 1 and S 2 are measured in each case.
  • the principle of measurement is based on the following observations:
  • the phases of the parameters S 12 and S 21 vary mainly according to the evolution of the distance between the two antennas 111 and 112 and the drift of the characteristics of the microwave components, namely cables 121 and 122, duplexers 131, 132 and transmit / receive modules 141, 142.
  • the phase variations of the parameters S 11 and S 22 depend only on the drifts of the characteristics of the microwave components and not on the evolution of the distance between the antennas. Indeed, these parameters represent the respective reflection coefficients of incoming waves on the two antennas and therefore do not depend on the propagation path that separates them.
  • the means 170 perform the following calculation. :
  • ⁇ D represents the axial displacement between the phase centers of the two antennas.
  • û is the vector joining the respective phase centers of the two antennas
  • ⁇ D is none other than
  • the displacement ⁇ D therefore gives the displacement between the two objects, projected on the axis connecting the phase centers of the two antennas.
  • the displacement measurement can be affected by noise, mainly due to thermal fluctuations and / or parasitic reflections on the surrounding objects.
  • ⁇ ⁇ is the phase variation calculated according to
  • the wave received by the antenna in the reception situation comprises a component corresponding to a direct line propagation or LOS (Line Of Sight) and one or a plurality of components corresponding to reflections on surrounding objects.
  • the optional preprocessing module 150 of the measurement system first determines the impulse response of the transmission channel between the transmitting antenna and the receiving antenna.
  • This impulse response can be determined, either directly by emitting a very broad band pulse and by sampling the received signal, or by emitting waves at frequencies equal to a spectral comb and by performing an inverse FFT of the complex amplitudes obtained after band demodulation. basic. In both cases, the impulse response of the channel in the time domain is obtained.
  • This impulse response generally has several peaks, the first corresponding to the direct line path and a plurality of multipath peaks.
  • the signals emitted by the transmission / reception modules are sinusoidal wave trains of shorter duration than the minimum spacing between peaks of the impulse response. It is thus possible to separate on reception the signal received in the direct path and the signals received after reflection.
  • the pretreatment means perform a windowing of the received signal through a triggered time window when the intensity of the latter crosses a predetermined threshold.
  • the width of the window is chosen substantially equal to or slightly less than the duration of the sinusoidal train and the value of the threshold is chosen higher than the noise level so as to avoid inadvertent tripping.
  • the signal and window is then transmitted to the measurement means of the parameters S and the displacement ⁇ D is obtained by the calculation means from expression (2) or (4) depending on whether a single-frequency or multi-frequency measurement is carried out.
  • Fig. 2 schematically shows a displacement measuring system according to a second embodiment of the invention.
  • This system makes it possible to measure a plurality of relative displacements of M> 2 objects 205.
  • Each of these objects is equipped with an antenna 210 connected to a duplexer 230 by a coaxial cable 220.
  • the duplexers 230 are respectively connected to the transmission modules 240.
  • the signals transmitted and received by the different antennas are transmitted to a network analyzer 260, through a received signal switch 245 and an emitted signals switch 246.
  • the measured parameters are processed by the calculation means 260, after the received signals have possibly undergone a pretreatment in the module 250.
  • the sequencing and the control of the measurements are provided by control means (not shown), controlling the transmit / receive modules 240, the switches 245 and 246 , the optional preprocessing module 150, the vector network analyzer 260, as well as the calculation means 270.
  • Each of the antennas 210 is alternately transmitting, the other antennas then being receivers.
  • the signal transmitted by this antenna is transmitted to the network analyzer 260 via the switch 245.
  • the signals received by the other antennas are transmitted in turn to the analyzer. network 260 via the switch 246. This measures the S TM parameters of - quadrupoles, each
  • phase variations ⁇ m , ⁇ TM relating to each quadrupole are obtained by the calculation means from the expression (3) respectively at the frequency of the signal emitted in the single-frequency case or the N frequencies of the signals transmitted in the multifrequency case.
  • a time windowing can be applied to the signals received prior to the measurement of the parameters S, by means of the preprocessing module 255.
  • the time slots used for the different signals are determined from the impulse responses. respective M (MI) propagation channels, as previously.
  • the relative displacement measurement system (s) can be used in the context of conventional telemetry.
  • the measurement system receives an estimate of the distance separating the two antennas / objects or, in general, the distances separating the M objects / antennas. This distance / these distances is (are) used (serve) value (s) of initialization and is (are) then updated (s) by means of relative displacements ⁇ D m . More precisely, in the latter case, if D m (t 0 ) is the value of the distance separating a couple m from antennas, supplied to the measuring system at time t 0 , the distance between these antennas at time t o + K ⁇ t will be obtained by:
  • Fig. 3 represents the measurement errors for a sequence of 20 displacement measurements carried out by means of a single-frequency measurement system according to the invention.
  • the chosen frequency was 10 GHz.
  • One of the two objects was mounted fixed on one frame, the other can be moved relative to the first through a translation plate.
  • the measurements were made for 20 successive positions of the plate with a pitch of 0.1mm.
  • the measurements were made under clear field conditions (non-echogenic environment) and stable temperature better than 1 ° C.
  • the maximum error was less than 35 ⁇ m.
  • Fig. 4 represents the measurement errors for a sequence of 20 displacement measurements carried out by means of a multifrequency measuring system according to the invention.
  • the frequency band used was 10-18 GHz with a step of 20MHz.
  • the measurement conditions were the same as above except for a room temperature fluctuating by a few 0 C.
  • the maximum error was less than 10 microns.
  • Fig. 5 represents the measurement errors for a sequence of 175 displacement measurements performed using a multifrequency measuring system according to the invention, equipped with cables of great length (25m).
  • the frequency band used was 10-18 GHz with a no 20MHz.
  • the antennas were both placed on a test bench made of aluminum profiles, the displacement being simply due to thermal expansion. An echogenic object was placed near the line of sight between the two antennas.
  • the 175 measurements were performed over several hours and compared with those obtained by a "laser-tracker". It will be noted in the figure that the measurement deviation is less than 50 ⁇ m, with an average value of approximately 10 ⁇ m, for a maximum elongation of the test bench of 350 ⁇ m.

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Abstract

The present invention relates to a system for measuring the relative displacement of one object with respect to another, each object (201, 202) being equipped with an antenna (211, 212), each antenna is linked to a transmit/receive module (241, 242). Each antenna transmits in turn, the other receiving the signal transmitted. The signals transmitted and reflected by the transmitting antenna and the signal received by the receiving antenna are sent to a vector array analyzer (260), adapted for measuring at at least two successive instants the parameters S of the quadripole comprised between the transmit/receive modules of the two antennas. Calculation means (270) are adapted for calculating the relative displacement of one object with respect to the other between these two instants, as a function of complex ratios of the parameters S measured at these two instants.

Description

TELEMETRE RELATIF HYPERFREQUENCE DE HAUTE PRECISION HIGH PERCENT HYPERFREQUENCY RELATIVE TELEMETRE
DESCRIPTIONDESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne le domaine de la télémétrie hyperfréquence . Elle trouve notamment application dans le domaine de la surveillance d'alignements d'une chaîne optique.TECHNICAL FIELD The present invention relates to the field of microwave telemetry. It finds particular application in the field of monitoring alignments of an optical chain.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La mesure de distance entre deux objets peut être obtenue de multiples façons. Une technique bien connue consiste à installer un système radar ou lidar sur l'un des objets et de mesurer la distance à un réflecteur situé sur l'autre objet. La distance est généralement obtenue par le temps de vol aller retour d'une impulsion ou la différence de fréquence entre l'onde émise et l'onde reçue dans le cas d'un système FMCW.STATE OF THE PRIOR ART Distance measurement between two objects can be obtained in multiple ways. One well known technique is to install a radar or lidar system on one of the objects and measure the distance to a reflector located on the other object. The distance is generally obtained by the flight time of a pulse or the difference in frequency between the transmitted wave and the wave received in the case of a FMCW system.
La mesure du déplacement d'un objet par rapport à un autre peut être bien entendu obtenue par différence entre mesures de distance consécutives. Lorsqu'une précision élevée est requise, on utilise de préférence un dispositif interférométrique évaluant le déplacement d'un objet à partir du défilement des franges d' interférence entre une onde de référence et une onde réfléchie par cet objet. Pour certaines applications industrielles, notamment pour des chaînes d'assemblage, il est nécessaire d'obtenir des informations de déplacement pour un grand nombre d'objets ou de points situés sur ces objets. Il est connu d'utiliser pour ce faire un dispositif dénommé « laser tracker » capable d'émettre un faisceau laser dans un grand nombre de directions et de mesurer les déplacements respectifs d'une pluralité d'objets situés dans le champ de balayage du faisceau. On trouvera par exemple une description d'un laser tracker dans la demande internationale WO-A-0109642. Un tel dispositif est cependant très coûteux et peu adapté aux environnements industriels au sens où il est particulièrement fragile et sensible à la poussière, aux variations de température, de pression, d'humidité et au niveau lumineux ambiant.Measuring the displacement of one object relative to another can of course be obtained by difference between consecutive distance measurements. When a high precision is required, an interferometric device is preferably used to evaluate the displacement of an object from the scrolling of the interference fringes between a reference wave and a wave reflected by this object. For some industrial applications, especially for assembly lines, it is necessary to obtain displacement information for a large number of objects or points located on these objects. It is known to use for this purpose a device called a "laser tracker" capable of emitting a laser beam in a large number of directions and measuring the respective displacements of a plurality of objects in the beam scanning field. For example, a description of a laser tracker can be found in the international application WO-A-0109642. Such a device is however very expensive and poorly suited to industrial environments in the sense that it is particularly fragile and sensitive to dust, temperature variations, pressure, humidity and ambient light level.
Un premier but de la présente invention est par conséquent de proposer un télémètre relatif, autrement dit un système de mesure de déplacement par rapport à une référence, qui permette d'obtenir une très haute précision tout en étant particulièrement robuste et de faible coût. Un but subsidiaire de la présente invention est de prévoir la possibilité de mesurer quasi-simultanément les déplacements relatifs d'une pluralité d'objets.A first object of the present invention is therefore to provide a relative rangefinder, that is to say a displacement measurement system with respect to a reference, which allows to obtain a very high accuracy while being particularly robust and low cost. A subsidiary object of the present invention is to provide the possibility of measuring simultaneously the relative displacements of a plurality of objects.
EXPOSÉ DE L'INVENTIONSTATEMENT OF THE INVENTION
La présente invention est définie par un système de mesure de déplacement relatif d'un objet par rapport à un autre, chaque objet étant équipé d'une antenne, dans lequel chaque antenne est reliée à un module d'émission/réception, chaque antenne émettant tour à tour et l'autre recevant le signal émis, les signaux émis et réfléchis par l'antenne émettrice et le signal reçu par l'antenne réceptrice étant transmis à un analyseur de réseau vectoriel, ledit analyseur étant adapté à mesurer en au moins deux instants successifs les paramètres S du quadripôle compris entre les modules d'émission/réception des deux antennes, le système comprenant en outre des moyens de calcul adaptés à calculer le déplacement relatif d'un objet par rapport à l'autre entre ces deux instants, en fonction de rapports complexes des paramètres S mesurés en ces deux instants.The present invention is defined by a system for measuring the relative displacement of an object relative to another, each object being equipped with an antenna, in which each antenna is connected to a transmission / reception module, each antenna emitting in turn and the other receiving the transmitted signal, the signals transmitted and reflected by the transmitting antenna and the signal received by the receiving antenna being transmitted to a vector network analyzer, said analyzer being adapted to measure in at least two successive instants the parameters S of the quadrupole between the transmission / reception modules of the two antennas, the system further comprising calculation means adapted to calculate the relative displacement of an object with respect to the other between these two instants, according to complex ratios of the parameters S measured at these two instants.
Pour une mesure monofréquence, ledit déplacement est calculé à partir de :For a single-frequency measurement, said displacement is calculated from:
δD = δφδD = δφ
2π/2π /
avecwith
Figure imgf000005_0001
Figure imgf000005_0001
où c est la célérité de la lumière dans l'air, / est la fréquence du signal émis, Sy(t) et Sy(t+δt) sont les valeurs respectives du paramètre Sy , i,j = 1,2, mesurés aux instants successifs t et ^+δ^ .where c is the celerity of the light in the air, / is the frequency of the emitted signal, S y (t) and S y (t + δt) are the respective values of the parameter S y , i, j = 1,2 , measured at successive instants t and ^ + δ ^.
Pour une pluralité de mesures à différentes fréquences, ledit déplacement est calculé à partir de :For a plurality of measurements at different frequencies, said displacement is calculated from:
W = où δφκ est la variation de phase calculée parW = where δφ κ is the phase variation calculated by
Figure imgf000006_0001
Figure imgf000006_0001
où c est la célérité de la lumière dans l'air, fn, n = \,..,N sont les fréquences du signal émis, Sy(t,fn) et Sy(t+δt,fn) sont les valeurs respectives du paramètre Sy , z, / = 1,2, mesurés pour la fréquence fn aux instants successifs t et ^+δ^ . Avantageusement, ledit système comprend des moyens de prétraitement adaptés à déterminer la réponse impulsionnelle du canal de transmission entre lesdites antennes, à déduire de ladite réponse une fenêtre temporelle correspondant au trajet de propagation en ligne directe, et à opérer un découpage temporel du signal reçu à l'aide de ladite fenêtre avant de le transmettre à l'analyseur de réseau vectoriel.where c is the celerity of light in the air, f n , n = \, .., N are the frequencies of the emitted signal, S y (t, f n ) and S y (t + δt, f n ) are the respective values of the parameter S y , z, / = 1.2, measured for the frequency f n at successive instants t and ^ + δ ^. Advantageously, said system comprises pretreatment means adapted to determine the impulse response of the transmission channel between said antennas, to deduce from said response a time window corresponding to the propagation path in direct line, and to effect a temporal division of the received signal to using the window before transmitting it to the vector network analyzer.
Ladite réponse impulsionnelle peut être obtenue en démodulant le signal reçu aux fréquences fn, n = \,..,N et en opérant une FFT inverse sur les amplitudes complexes des signaux ainsi démodulés.Said impulse response can be obtained by demodulating the received signal at the frequencies f n , n = 1,..., N and operating an inverse FFT on the complex amplitudes of the signals thus demodulated.
L' invention est également définie par un système de mesure de déplacements relatifs d'une pluralité M d'objets, chaque objet étant équipé d'une antenne, dans lequel chaque antenne est reliée à un module d'émission/réception, chaque antenne émettant tour à tour et les autres antennes recevant alors le signal émis, les signaux émis et réfléchis par cette antenne ainsi que les signaux reçus par les antennes réceptrices étant respectivement transmis à un analyseur de réseau vectoriel via un premier et un second commutateurs, ledit analyseur étant adapté à mesurer en au moins deux instants successifs les paramètres S des quadripôles respectivement compris entre le modules d'émission/réception de l'antenne émettrice d'une part et les modules d'émission/réception des antennes réceptrices d'autre part, le système comprenant en outre des moyens de calcul adaptés à calculer le déplacement relatif de chaque couple d'objets entre ces deux instants, en fonction de rapports complexes de paramètres S mesurés en ces deux instants pour le couple d'antennes associées à ce couple d'objets.The invention is also defined by a system for measuring relative displacements of a plurality M of objects, each object being equipped with an antenna, in which each antenna is connected to a transmission / reception module, each antenna emitting turn and the other antennas receiving the signal transmitted, the signals transmitted and reflected by this antenna as well as the signals received by the receiving antennas being respectively transmitted to a vector network analyzer via a first and a second switch, said analyzer being adapted to measure in at least two successive instants the parameters Quadrupoles respectively between the transmitting / receiving modules of the transmitting antenna on the one hand and the transmission / reception modules of the receiving antennas on the other hand, the system further comprising calculation means adapted to calculate the relative displacement of each pair of objects between these two instants, as a function of the complex ratios of parameters S measured at these two instants for the pair of antennas associated with this pair of objects.
Si la mesure est monofréquence, pour chaque couple m = 1,...,M(M -l)/2 d'objets, le déplacement relatif de ce couple sera déterminé par :If the measurement is monofrequency, for each pair m = 1, ..., M (M-1) / 2 of objects, the relative displacement of this pair will be determined by:
δDm=—δφm δD m = -δφ m
2π/2π /
avecwith
Figure imgf000007_0001
où c est la célérité de la lumière dans l'air, / est la fréquence du signal émis, S™(t) et S™(t+δt) sont les valeurs respectives du paramètre S™ , i,j = 1,2, relatif au couple m d'antennes, mesurés aux instants successifs t et t + δt .
Figure imgf000007_0001
where c is the celerity of the light in the air, / is the frequency of the transmitted signal, S ™ (t) and S ™ (t + δt) are the respective values of the parameter S ™, i, j = 1,2 , relative to the pair m of antennas, measured at successive instants t and t + δt.
Alternativement, si la mesure est multi- fréquence, pour chaque couple m = 1,...,M(M -i)/2 d'objets, le déplacement relatif de ce couple est déterminé par :Alternatively, if the measurement is multi-frequency, for each pair m = 1, ..., M (M -i) / 2 of objects, the relative displacement of this pair is determined by:
N δDm = δφB m 2πΛ^ fn N δD m = δφ B m 2πΛ ^ f n
où δφ™ est la variation de phase calculée parwhere δφ ™ is the phase variation calculated by
Figure imgf000008_0001
Figure imgf000008_0001
où c est la célérité de la lumière dans l'air, fn, n = l,..,N sont les fréquences du signal émis, S™(tJn) et S™(t +StJn) sont les valeurs respectives des paramètreswhere c is the celerity of the light in the air, f n , n = l, .., N are the frequencies of the transmitted signal, S ™ (tJ n ) and S ™ (t + StJ n ) are the respective values parameters
S™ , z, / = 1,2, relatifs au couple m d'antennes, mesurés aux instants successifs t et ^+δ^ .S ™, z, / = 1.2, relating to the pair m of antennas, measured at successive instants t and ^ + δ ^.
Avantageusement, le système comprend des moyens de prétraitement adaptés à déterminer la réponse impulsionnelle du canal de transmission entre chaque couple antennes, à déduire de ladite réponse une fenêtre temporelle correspondant au trajet de propagation en ligne directe, et à opérer un découpage temporel du signal reçu à l'aide de ladite fenêtre avant de le transmettre à l'analyseur de réseau vectoriel.Advantageously, the system comprises pretreatment means adapted to determine the impulse response of the transmission channel between each pair of antennas, to deduce from said response a temporal window corresponding to the propagation path in direct line, and to temporally cut the signal received using said window before transmitting it to the vector network analyzer.
Ladite réponse impulsionnelle peut être obtenue en démodulant le signal reçu aux fréquences fn, n = \,..,N et en opérant une FFT inverse sur les amplitudes complexes des signaux ainsi démodulés. L'invention est encore définie par une méthode de mesure de déplacement relatif d'un objet par rapport à un autre, chaque objet étant équipé d'une antenne, dans laquelle chaque antenne est reliée à un module d'émission/réception et : chaque antenne émet tour à tour et l'autre reçoit le signal émis ; les paramètres S du quadripôle compris entre les modules d'émission/réception des deux antennes sont mesurés en au moins deux instants successifs à partir des signaux émis et réfléchis par l'antenne émettrice et du signal reçu par l'antenne réceptrice ; le déplacement relatif entre ces deux instants est calculé à partir de rapports complexes des paramètres S mesurés en ces deux instants. L'invention est enfin définie par une méthode de mesure de déplacements relatifs d'une pluralité M d'objets, chaque objet étant équipé d'une antenne, dans laquelle chaque antenne est reliée à un module d'émission/réception et : chaque antenne émet tour à tour et les autres antennes reçoivent alors le signal émis ; les paramètres S des quadripôles respectivement compris entre le modules d'émission/réception de l'antenne émettrice d'une part et les modules d'émission/réception des antennes réceptrices d'autre part, sont mesurés en au moins deux instants successifs à partir des signaux émis et réfléchis par l'antenne émettrice ainsi que les signaux reçus par les antennes réceptrices ; le déplacement relatif de chaque couple d'objets entre ces deux instants est calculé en fonction de rapports complexes des paramètres S mesurés en ces deux instants pour le couple d'antennes associées à ce couple d'objets.Said impulse response can be obtained by demodulating the received signal at the frequencies f n , n = 1,..., N and operating an inverse FFT on the complex amplitudes of the signals thus demodulated. The invention is further defined by a method for measuring the relative displacement of one object relative to another, each object being equipped with an antenna, in which each antenna is connected to a transmission / reception module and each antenna transmits in turn and the other receives the transmitted signal; the parameters S of the quadrupole between the transmission / reception modules of the two antennas are measured in at least two successive instants from the signals transmitted and reflected by the transmitting antenna and the signal received by the receiving antenna; the relative displacement between these two instants is calculated from complex ratios of the parameters S measured at these two instants. The invention is finally defined by a method for measuring relative displacements of a plurality M of objects, each object being equipped with an antenna, in which each antenna is connected to a transmission / reception module and: each antenna transmits in turn and the other antennas then receive the transmitted signal; the parameters S of the quadrupoles respectively between the transmitting / receiving modules of the transmitting antenna on the one hand and the transmission / reception modules of the receiving antennas on the other hand, are measured in at least two successive instants from signals transmitted and reflected by the transmitting antenna as well as the signals received by the receiving antennas; the relative displacement of each pair of objects between these two instants is calculated as a function of the complex ratios of the parameters S measured at these two instants for the pair of antennas associated with this pair of objects.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, fait en référence aux figures jointes parmi lesquelles :Other features and advantages of the invention will appear on reading a preferred embodiment of the invention, with reference to the attached figures among which:
La Fig. 1 illustre schématiquement un système de mesure de déplacement selon un premier mode de réalisation de l'invention ;Fig. 1 schematically illustrates a displacement measuring system according to a first embodiment of the invention;
La Fig. 2 illustre schématiquement un système de mesure de déplacement selon un second mode de réalisation de l'invention ;Fig. 2 schematically illustrates a displacement measuring system according to a second embodiment of the invention;
La Fig. 3 représente des erreurs de mesure obtenues avec un système de mesure selon une première variante de réalisation de l'invention, pour des premières conditions expérimentales ; La Fig. 4 représente des erreurs de mesure obtenues avec un système de mesure selon une seconde variante de réalisation de l'invention, pour des secondes conditions expérimentales ; La Fig. 5 représente des erreurs de mesure obtenues avec un système de mesure selon une troisième variante de réalisation de l'invention, pour des troisièmes conditions expérimentales.Fig. 3 represents measurement errors obtained with a measuring system according to a first variant embodiment of the invention, for first experimental conditions; Fig. 4 represents measurement errors obtained with a measurement system according to a second variant embodiment of the invention, for second experimental conditions; Fig. 5 represents measurement errors obtained with a measurement system according to a third variant embodiment of the invention, for third experimental conditions.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERSDETAILED PRESENTATION OF PARTICULAR EMBODIMENTS
L'idée à la base de l'invention est d'utiliser un système hyperfréquence comprenant une première antenne installée sur un premier objet et une seconde antenne installée sur un second objet, et de mesurer le déplacement relatif des antennes émettrice et réceptrice grâce aux paramètres S dudit système hyperfréquence .The idea underlying the invention is to use a microwave system comprising a first antenna installed on a first object and a second antenna installed on a second object, and to measure the relative displacement of the transmitting and receiving antennas using the parameters. S of said microwave system.
Plus précisément, la Fig. 1 représente un système de mesure de déplacement relatif selon un mode de réalisation de l'invention.More specifically, FIG. 1 represents a relative displacement measuring system according to one embodiment of the invention.
Ce système 100 comprend une première antenne 111, installée sur un premier objet 101 et une seconde antenne 112, installée sur un second objet 102. Les antennes 111 et 112 sont alternativement émettrices et réceptrices. Elles sont respectivement reliées à un premier duplexeur 131 et un second duplexeur 132 par des câbles coaxiaux 121 et 122. Le premier duplexeur 131 est connecté en entrée/sortie à un premier module d'émission/réception 141. Le second duplexeur 132 est de la même façon connecté en entrée/sortie à un second module d'émission/réception 142. Les premier et second modules d'émission/réception 141, 142 sont en outre reliés à un analyseur de réseau vectoriel 160, le cas échéant à travers un module de prétraitement 150 décrit plus loin. L'analyseur de réseau vectoriel 160 détermine les paramètres S du réseau et les fournit aux moyens de calcul 170. Le système 100 comprend enfin des moyens de contrôle (non représentés) pilotant les modules d'émission/réception, le module de prétraitement optionnel, l'analyseur de réseau ainsi que les moyens de calcul.This system 100 comprises a first antenna 111, installed on a first object 101 and a second antenna 112, installed on a second object 102. The antennas 111 and 112 are alternately transmitting and receiving. They are respectively connected to a first duplexer 131 and a second duplexer 132 by coaxial cables 121 and 122. The first duplexer 131 is connected at the input / output to a first transmission / reception module 141. The second duplexer 132 is of the same way connected in input / output to a second transmission / reception module 142. The first and second Transmitting / receiving modules 141, 142 are further connected to a vector network analyzer 160, where appropriate through a preprocessing module 150 described later. The vector network analyzer 160 determines the parameters S of the network and supplies them to the calculation means 170. Finally, the system 100 comprises control means (not shown) controlling the transmission / reception modules, the optional preprocessing module, the network analyzer as well as the calculation means.
L'ensemble constitué par les duplexeurs 131 et 132, les câbles coaxiaux 121 et 122, les antennes 111 et 112 et l'air séparant les deux antennes peut être vu comme un quadripôle Q, représenté en trait discontinu, d'entrées ex et e2 et de sorties S1 et S2. On rappelle que les paramètres S d'un quadripôle, sont définis par :The assembly constituted by the duplexers 131 and 132, the coaxial cables 121 and 122, the antennas 111 and 112 and the air separating the two antennas can be seen as a quadrupole Q, represented in broken lines, of inputs e x and e 2 and outputs S 1 and S 2 . It is recalled that the parameters S of a quadrupole are defined by:
- h C _ ^2 C _ ^1 C _ ^2 r . S Λ 22I1 _~Λ r . °12 -- h r . ^ °2222 - aa,, αα00 Q1 :D- h C _ ^ 2 C _ ^ 1 C _ ^ 2 r. S Λ 2 2I1 _ ~ Λ r. ° 12 - hr. ^ ° 2222 - aa ,, αα 00 Q 1 : D
où Ci1 et Ci2 sont les amplitudes complexes des ondes entrantes en ex et e2 , bx et b2 sont les amplitudes complexes des ondes sortantes en S1 et S2. Les paramètres S sont de manière équivalente les coefficients de la matrice de dispersion du quadripôle.where Ci 1 and Ci 2 are the complex amplitudes of the incoming waves at e x and e 2 , b x and b 2 are the complex amplitudes of the outgoing waves at S 1 and S 2 . The parameters S are equivalently the coefficients of the quadrupole dispersion matrix.
Pour mesurer les paramètres S, on injecte alternativement un signal en ex et e2 et l'on mesure dans chacun des cas l'amplitude et la phase des ondes sortantes en S1 et S2. Le principe de la mesure repose sur les constations suivantes :To measure the parameters S, a signal is alternately injected at e x and e 2 and the amplitude and the phase of the outgoing waves at S 1 and S 2 are measured in each case. The principle of measurement is based on the following observations:
Les phases des paramètres S12 et S21 varient principalement en fonction de l'évolution de la distance entre les deux antennes 111 et 112 et de la dérive des caractéristiques des composants hyperfréquence, à savoir des câbles 121 et 122, des duplexeurs 131, 132 et des modules d'émission/ réception 141, 142. En revanche, les variations de phase des paramètres S11 et S22 ne sont fonction que des dérives des caractéristiques des composants hyperfréquence et non de l'évolution de la distance entre antennes. En effet, ces paramètres représentent les coefficients de réflexion respectifs des ondes entrantes sur les deux antennes et ne dépendent par conséquent pas du chemin de propagation qui les sépare.The phases of the parameters S 12 and S 21 vary mainly according to the evolution of the distance between the two antennas 111 and 112 and the drift of the characteristics of the microwave components, namely cables 121 and 122, duplexers 131, 132 and transmit / receive modules 141, 142. On the other hand, the phase variations of the parameters S 11 and S 22 depend only on the drifts of the characteristics of the microwave components and not on the evolution of the distance between the antennas. Indeed, these parameters represent the respective reflection coefficients of incoming waves on the two antennas and therefore do not depend on the propagation path that separates them.
Plus précisément, si l'on note D la distance entre les deux antennes et δD le déplacement relatif d'une antenne par rapport à l'autre entre un premier instant t et un second instant t+δt , les moyens 170 effectuent le calcul suivant:More precisely, if D is the distance between the two antennas and δD is the relative displacement of one antenna with respect to the other between a first instant t and a second instant t + δt, the means 170 perform the following calculation. :
δD=—δφ (2)δD = -δφ (2)
2π/2π /
avecwith
Figure imgf000013_0001
Figure imgf000013_0001
( 3 ) où c est la célérité de la lumière dans l'air, / est la fréquence des ondes émises, Sy(t) et Sy(t+δt) sont les valeurs respectives du paramètre Sy aux instants t et ^+δ^ . Les deux premiers termes de (3) représentent la variation de phase due au déplacement entre antennes et la dérive de phase due à l'instrumentation entre les deux instants considérés. Les deux derniers termes permettent d'éliminer l'influence de la dérive de phase due à l'instrumentation dans le calcul du déplacement.(3) where c is the celerity of the light in the air, / is the frequency of the transmitted waves, S y (t) and S y (t + δt) are the respective values of the parameter S y at times t and ^ + δ ^ . The first two terms of (3) represent the phase variation due to the displacement between antennas and the phase drift due to the instrumentation between the two instants considered. The last two terms make it possible to eliminate the influence of the phase drift due to the instrumentation in the calculation of the displacement.
De manière rigoureuse, δD représente le déplacement axial entre les centres de phase des deux antennes. Autrement dit, si û est le vecteur joignant les centres de phase respectif des deux antennes, δD n'est autre que |û(t+δt)||-||û(t)|| . Le déplacement δD donne par conséquent le déplacement entre les deux objets, projeté sur l'axe reliant les centres de phase des deux antennes .Rigidly, δD represents the axial displacement between the phase centers of the two antennas. In other words, if û is the vector joining the respective phase centers of the two antennas, δD is none other than | û (t + δt) || - || û (t) || . The displacement δD therefore gives the displacement between the two objects, projected on the axis connecting the phase centers of the two antennas.
En pratique, la mesure de déplacement peut être affectée par du bruit, principalement dû aux fluctuations thermiques et/ou aux réflexions parasites sur les objets environnants.In practice, the displacement measurement can be affected by noise, mainly due to thermal fluctuations and / or parasitic reflections on the surrounding objects.
Afin de s'affranchir du bruit de mesure dû aux fluctuations thermiques, on prévoit selon une première variante, d'effectuer des mesures à une pluralité N de fréquences fx,f2,...,fN distinctes et de moyenner les résultats de mesure ainsi obtenus. Plus précisément, les moyens de contrôle déclenchent à chaque instant de mesure une émission aux fréquences fn, n = \,..,N , soit simultanément, soit successivement mais à des intervalles de durée sensiblement inférieure à δ^ . Si l'émission aux différentes fréquences fn est simultanée, la séparation des signaux reçus pourra être réalisée en réception par une batterie de démodulateurs RF et de filtres, de manière connue de l'homme du métier. Si l'émission aux différentes fréquences est séquentielle, on pourra prévoir un démodulateur RF à saut de fréquence avant filtrage. Dans tous les cas, la mesure de déplacement est alors obtenue par :In order to overcome measurement noise due to thermal fluctuations, provision is made in a first variant to measure at a plurality N of distinct frequencies f x , f 2 ,..., F N and to average the results. of measurement thus obtained. More precisely, the control means trigger, at each instant of measurement, an emission at the frequencies f n , n = 1,..., N, either simultaneously or successively, but at intervals of time substantially less than δ ^. If the emission at different frequencies f n is simultaneous, the separation of the received signals can be performed on reception by a battery of RF demodulators and filters, in a manner known to those skilled in the art. If the emission at different frequencies is sequential, it will be possible to provide an RF demodulator with frequency hopping before filtering. In all cases, the displacement measurement is then obtained by:
8D=- A)8D = - A)
où δφκ est la variation de phase calculée selonwhere δφ κ is the phase variation calculated according to
J
Figure imgf000015_0001
J
Figure imgf000015_0001
_ ( _ Snu_Jvt + StJ JJnU)_) _ arg S22Jt + δt Jn)_ (_ S n + u_Jvt StJ JJ n U) _) _ ar g S + 22 Jt .delta.t J n)
Sn (SJn) S11(Ufn)S n ( SJ n ) S 11 (Uf n )
: 5 ): 5)
où Sy(tJn) et Sy(t+δtJn) sont les valeurs respectives du paramètre Sy , i,j = 1,2, mesurés pour la fréquence fn aux instants successifs t et ^+δ^ .where S y (tJ n ) and S y (t + δtJ n ) are the respective values of the parameter S y , i, j = 1,2, measured for the frequency f n at successive instants t and ^ + δ ^.
Lorsque l'environnement de mesure est échogène, l'onde reçue par l'antenne en situation de réception comprend une composante correspondant à une propagation en ligne directe ou LOS (Line Of Sight) et une ou une pluralité de composantes correspondant à des réflexions sur des objets environnants. Dans ce cas, le module de prétraitement optionnel 150 du système de mesure détermine d'abord la réponse impulsionnelle du canal de transmission entre l'antenne émettrice et l'antenne réceptrice. Cette réponse impulsionnelle peut être déterminée, soit directement en émettant une impulsion très large bande et en échantillonnant le signal reçu, soit en émettant des ondes à des fréquences équiréparties selon un peigne spectral et en effectuant une FFT inverse des amplitudes complexes obtenues après démodulation en bande de base. On obtient dans les deux cas la réponse impulsionnelle du canal dans le domaine temporel. Cette réponse impulsionnelle présente en général plusieurs pics, le premier correspondant au trajet en ligne directe et une pluralité de pics de multi-trajet .When the measurement environment is echogenic, the wave received by the antenna in the reception situation comprises a component corresponding to a direct line propagation or LOS (Line Of Sight) and one or a plurality of components corresponding to reflections on surrounding objects. In this case, the optional preprocessing module 150 of the measurement system first determines the impulse response of the transmission channel between the transmitting antenna and the receiving antenna. This impulse response can be determined, either directly by emitting a very broad band pulse and by sampling the received signal, or by emitting waves at frequencies equal to a spectral comb and by performing an inverse FFT of the complex amplitudes obtained after band demodulation. basic. In both cases, the impulse response of the channel in the time domain is obtained. This impulse response generally has several peaks, the first corresponding to the direct line path and a plurality of multipath peaks.
On supposera ici que les signaux émis par les modules d'émission/ réception sont des trains d'onde sinusoïdale de durée inférieure à l'espacement minimal entre pics de la réponse impulsionnelle. Il est ainsi possible de séparer à la réception le signal reçu en trajet direct et les signaux reçus après réflexion.It will be assumed here that the signals emitted by the transmission / reception modules are sinusoidal wave trains of shorter duration than the minimum spacing between peaks of the impulse response. It is thus possible to separate on reception the signal received in the direct path and the signals received after reflection.
Pour ce faire, les moyens de prétraitement effectuent un fenêtrage du signal reçu grâce à une fenêtre temporelle déclenchée lorsque l'intensité de ce dernier franchit un seuil prédéterminé. La largeur de la fenêtre est choisie sensiblement égale ou légèrement inférieure à la durée du train sinusoïdal et la valeur du seuil est choisie supérieure au niveau de bruit de manière à éviter des déclenchements intempestifs. Le signal ainsi fenêtre est ensuite transmis aux moyens de mesure des paramètres S et le déplacement δD est obtenu par les moyens de calcul à partir de l'expression (2) ou (4) selon que l'on effectue une mesure monofréquence ou multifréquence .To do this, the pretreatment means perform a windowing of the received signal through a triggered time window when the intensity of the latter crosses a predetermined threshold. The width of the window is chosen substantially equal to or slightly less than the duration of the sinusoidal train and the value of the threshold is chosen higher than the noise level so as to avoid inadvertent tripping. The signal and window is then transmitted to the measurement means of the parameters S and the displacement δD is obtained by the calculation means from expression (2) or (4) depending on whether a single-frequency or multi-frequency measurement is carried out.
La Fig. 2 représente schématiquement un système de mesure de déplacement selon un second mode de réalisation de l'invention.Fig. 2 schematically shows a displacement measuring system according to a second embodiment of the invention.
Ce système permet de mesurer une pluralité de déplacements relatifs de M>2 objets 205. Chacun de ces objets est équipé d'une antenne 210 reliée à un duplexeur 230 par un câble coaxial 220. Les duplexeurs 230 sont respectivement connectés aux modules d'émission/réception 240. Les signaux émis et reçus par les différentes antennes sont transmis à un analyseur de réseau 260, à travers un commutateur de signaux reçus 245 et un commutateur de signaux émis 246. Les paramètres mesurés sont traités par les moyens de calcul 260, après que les signaux reçus aient le cas échéant subi un prétraitement dans le module 250. Le séquencement et le pilotage des mesures sont assurés par des moyens de contrôle (non représentés) , commandant les modules d'émission réception 240, les commutateurs 245 et 246, le module de prétraitement optionnel 150, l'analyseur de réseau vectoriel 260, ainsi que les moyens de calcul 270.This system makes it possible to measure a plurality of relative displacements of M> 2 objects 205. Each of these objects is equipped with an antenna 210 connected to a duplexer 230 by a coaxial cable 220. The duplexers 230 are respectively connected to the transmission modules 240. The signals transmitted and received by the different antennas are transmitted to a network analyzer 260, through a received signal switch 245 and an emitted signals switch 246. The measured parameters are processed by the calculation means 260, after the received signals have possibly undergone a pretreatment in the module 250. The sequencing and the control of the measurements are provided by control means (not shown), controlling the transmit / receive modules 240, the switches 245 and 246 , the optional preprocessing module 150, the vector network analyzer 260, as well as the calculation means 270.
Chacune des antennes 210 est tour à tour émettrice, les autres antennes étant alors réceptrices. Lorsqu'une antenne 210 émet, le signal émis par cette antenne est transmis à l'analyseur de réseau 260 via le commutateur 245. Les signaux reçus par les autres antennes sont transmis tour à tour à l'analyseur de réseau 260 via le commutateur 246. On mesure ainsi, les paramètres S™ de — quadripôles, chaqueEach of the antennas 210 is alternately transmitting, the other antennas then being receivers. When an antenna 210 transmits, the signal transmitted by this antenna is transmitted to the network analyzer 260 via the switch 245. The signals received by the other antennas are transmitted in turn to the analyzer. network 260 via the switch 246. This measures the S ™ parameters of - quadrupoles, each
quadripôle Q1n , m = 1,..,M(M -1)/2 étant relatif à un couple d' antennes parmi M . De la même façon que précédemment, les variations de phase δφm , δφ™ relatives à chaque quadripôle sont obtenues par les moyens de calcul à partir de l'expression (3) respectivement à la fréquence du signal émis dans le cas monofréquence ou les N fréquences des signaux émis dans le cas multifréquence . Les — déplacements entre antennes, et donc entre objets, sont ensuite obtenus par (2) ou (3), c'est-à-dire δDm = δφm dansquadrupole Q 1n , m = 1, .., M (M -1) / 2 being relative to a pair of antennas among M. In the same way as above, the phase variations δφ m , δφ ™ relating to each quadrupole are obtained by the calculation means from the expression (3) respectively at the frequency of the signal emitted in the single-frequency case or the N frequencies of the signals transmitted in the multifrequency case. The - displacements between antennas, and thus between objects, are then obtained by (2) or (3), that is to say δD m = δφ m in
2τtf2τtf
le cas monofréquence et dans le cas
Figure imgf000018_0001
multifréquence, avec dans le premier cas :the single frequency case and in the case
Figure imgf000018_0001
multifrequency, with in the first case:
Figure imgf000018_0002
Figure imgf000018_0002
: 6 ): 6)
où S™(t) et S™(t+δt) sont les valeurs respectives du paramètre S™ , i,j = 1,2, relatif au couple m d'antennes, mesurés aux instants successifs t et ^+δ^ , et dans le second cas :
Figure imgf000019_0001
where S ™ (t) and S ™ (t + δt) are the respective values of the parameter S ™, i, j = 1.2, relative to the pair m of antennas, measured at the successive instants t and ^ + δ ^, and in the second case:
Figure imgf000019_0001
'J)'J)
où
Figure imgf000019_0002
et Sζ(t +δt,fn) sont les valeurs respectives des paramètres Sζ , i,j = 1,2 , relatifs au couple m d'antennes, mesurés aux instants successifs t et ^+δ^ .or
Figure imgf000019_0002
and Sζ (t + δt, f n ) are the respective values of the parameters Sζ, i, j = 1.2, relating to the pair m of antennas, measured at the successive instants t and ^ + δ ^.
De manière optionnelle, en cas d'environnement échogène un fenêtrage temporel pourra être appliqué aux signaux reçus préalablement à la mesure des paramètres S , au moyen du module de prétraitement 255. Les fenêtres temporelles utilisées pour les différents signaux sont déterminées à partir des réponses impulsionnelles respectives des M(M-I) canaux de propagation, de même manière que précédemment.Optionally, in the case of an echoic environment, a time windowing can be applied to the signals received prior to the measurement of the parameters S, by means of the preprocessing module 255. The time slots used for the different signals are determined from the impulse responses. respective M (MI) propagation channels, as previously.
Le système de mesure de déplacement (s) relatif (s) peut être utilisé dans le cadre d'une télémétrie classique. Dans cette application, le système de mesure reçoit une estimation de la distance séparant les deux antennes/objets ou de manière générale des distances séparant les M objets/antennes. Cette distance/ces distances est (sont) sert (servent) de valeur (s) d'initialisation et est (sont) ensuite mise (s) à jour au moyen des déplacements relatifs δDm . Plus précisément, dans ce dernier cas, si Dm(t0) est la valeur de la distance séparant un couple m d'antennes, fournie au système de mesure au temps t0 , la distance entre ces antennes au temps to+Kδt sera obtenue par :The relative displacement measurement system (s) can be used in the context of conventional telemetry. In this application, the measurement system receives an estimate of the distance separating the two antennas / objects or, in general, the distances separating the M objects / antennas. This distance / these distances is (are) used (serve) value (s) of initialization and is (are) then updated (s) by means of relative displacements δD m . More precisely, in the latter case, if D m (t 0 ) is the value of the distance separating a couple m from antennas, supplied to the measuring system at time t 0 , the distance between these antennas at time t o + Kδt will be obtained by:
Dm {t0 + Kδt) = Dm {to)+ ∑δZT {t0 + tôt) ( 8 ) k=\D m {t 0 + Kδt) = D m {t o ) + ΣδZT {t 0 + early) (8) k = \
La Fig. 3 représente les erreurs de mesure pour une séquence de 20 mesures de déplacement effectuées au moyen d'un système de mesure monofréquence selon l'invention. La fréquence choisie était de 10 GHz. Un des deux objets était monté fixe sur un châssis, l'autre pouvant être déplacé par rapport au premier grâce à une platine de translation. Les mesures ont été réalisées pour 20 positions successives de la platine avec un pas de 0.1mm. Les mesures ont été effectuées dans des conditions de champ dégagé (environnement non échogène) et de température stable à mieux que 1°C. L'erreur maximale était inférieure à 35 μm.Fig. 3 represents the measurement errors for a sequence of 20 displacement measurements carried out by means of a single-frequency measurement system according to the invention. The chosen frequency was 10 GHz. One of the two objects was mounted fixed on one frame, the other can be moved relative to the first through a translation plate. The measurements were made for 20 successive positions of the plate with a pitch of 0.1mm. The measurements were made under clear field conditions (non-echogenic environment) and stable temperature better than 1 ° C. The maximum error was less than 35 μm.
La Fig. 4 représente les erreurs de mesure pour une séquence de 20 mesures de déplacement effectuées au moyen d'un système de mesure multifréquence selon l'invention. La bande de fréquence utilisée était 10-18 GHz avec un pas de 20MHz. Les conditions de mesures étaient les mêmes que précédemment à l'exception d'une température ambiante fluctuant de quelques 0C. L'erreur maximale était inférieure à 10 μm.Fig. 4 represents the measurement errors for a sequence of 20 displacement measurements carried out by means of a multifrequency measuring system according to the invention. The frequency band used was 10-18 GHz with a step of 20MHz. The measurement conditions were the same as above except for a room temperature fluctuating by a few 0 C. The maximum error was less than 10 microns.
La Fig. 5 représente les erreurs de mesure pour une séquence de 175 mesures de déplacement effectuées au moyen d'un système de mesure multifréquence selon l'invention, équipé de câbles de grande longueur (25m) . La bande de fréquence utilisée était 10-18 GHz avec un pas de 20MHz. Les antennes étaient toutes deux placées sur un banc de test, constitué de profilés en aluminium, le déplacement étant simplement seulement dû à la dilatation thermique. Un objet échogène était placé à proximité de la ligne de visée entre les deux antennes .Fig. 5 represents the measurement errors for a sequence of 175 displacement measurements performed using a multifrequency measuring system according to the invention, equipped with cables of great length (25m). The frequency band used was 10-18 GHz with a no 20MHz. The antennas were both placed on a test bench made of aluminum profiles, the displacement being simply due to thermal expansion. An echogenic object was placed near the line of sight between the two antennas.
Les 175 mesures ont été réalisées sur plusieurs heures et comparées avec celles obtenues par un « laser-tracker ». On remarquera sur la figure que l'écart de mesure est inférieur à 50 μ m, avec une valeur moyenne de 10 μm environ, ce pour un allongement maximal du banc de test de 350 μm. The 175 measurements were performed over several hours and compared with those obtained by a "laser-tracker". It will be noted in the figure that the measurement deviation is less than 50 μm, with an average value of approximately 10 μm, for a maximum elongation of the test bench of 350 μm.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de mesure de déplacement relatif d'un objet par rapport à un autre, chaque objet (101, 102) étant équipé d'une antenne (111, 112), caractérisé en ce que chaque antenne est reliée à un module d'émission/réception (141, 142), chaque antenne émettant tour à tour et l'autre recevant le signal émis, les signaux émis et réfléchis par l'antenne émettrice et le signal reçu par l'antenne réceptrice étant transmis à un analyseur de réseau vectoriel1. A system for measuring the relative displacement of one object relative to another, each object (101, 102) being equipped with an antenna (111, 112), characterized in that each antenna is connected to a module of transmission / reception (141, 142), each antenna transmitting in turn and the other receiving the transmitted signal, the signals transmitted and reflected by the transmitting antenna and the signal received by the receiving antenna being transmitted to a network analyzer vector
(160), ledit analyseur étant adapté à mesurer en au moins deux instants successifs les paramètres S du quadripôle compris entre les modules d'émission/ réception des deux antennes, le système comprenant en outre des moyens de calcul (170) adaptés à calculer le déplacement relatif d'un objet par rapport à l'autre entre ces deux instants, en fonction de rapports complexes des paramètres S mesurés en ces deux instants .(160), said analyzer being adapted to measure in at least two successive instants the parameters S of the quadrupole between the transmission / reception modules of the two antennas, the system further comprising calculation means (170) adapted to calculate the relative displacement of one object with respect to the other between these two instants, according to complex reports of the parameters S measured at these two instants.
2. Système de mesure de déplacement relatif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit déplacement est calculé à partir de :2. Relative displacement measuring system according to claim 1, characterized in that said displacement is calculated from:
δD = δφδD = δφ
2π/ avec2π / with
Figure imgf000023_0001
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où c est la célérité de la lumière dans l'air, / est la fréquence du signal émis, Sy(t) et Sy(t+δt) sont les valeurs respectives du paramètre Sy , i,j = 1,2 , mesurés aux instants successifs t et ^+δ^ .where c is the celerity of the light in the air, / is the frequency of the emitted signal, S y (t) and S y (t + δt) are the respective values of the parameter S y , i, j = 1,2 , measured at successive instants t and ^ + δ ^.
3. Système de mesure de déplacement relatif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit déplacement est calculé à partir de :3. Relative displacement measuring system according to claim 1, characterized in that said displacement is calculated from:
N δD = δφB N δD = δφ B
où δφκ est la variation de phase calculée parwhere δφ κ is the phase variation calculated by
Figure imgf000023_0002
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où c est la célérité de la lumière dans l'air, fn, n = l,..,N sont les fréquences du signal émis, Sy(t,fn) et Sy(t+δt,fn) sont les valeurs respectives du paramètre Sy , /,7 = 1,2, mesurés pour la fréquence fn aux instants successifs / et /+δ/ .where c is the celerity of light in the air, f n , n = l, .., N are the frequencies of the emitted signal, S y (t, f n ) and S y (t + δt, f n ) are the respective values of the parameter S y , /, 7 = 1.2, measured for the frequency f n at successive instants / and / + δ /.
4. Système de mesure de déplacement relatif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de prétraitement (150) adaptés à déterminer la réponse impulsionnelle du canal de transmission entre lesdites antennes, à déduire de ladite réponse une fenêtre temporelle correspondant au trajet de propagation en ligne directe, et à opérer un découpage temporel du signal reçu à l'aide de ladite fenêtre avant de le transmettre à l'analyseur de réseau vectoriel .4. Relative displacement measuring system according to claim 2 or 3, characterized in that it comprises pretreatment means (150) adapted to determine the impulse response of the transmission channel between said antennas, to deduce from said response a window time corresponding to the direct line propagation path, and to temporally cut the signal received using said window before transmitting it to the vector network analyzer.
5. Système de mesure de déplacement selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que ladite réponse impulsionnelle est obtenue en démodulant le signal reçu aux fréquences fn, n = \,..,N et en opérant une FFT inverse sur les amplitudes complexes des signaux ainsi démodulés.5. A displacement measuring system according to claims 3 and 4, characterized in that said impulse response is obtained by demodulating the received signal at the frequencies f n , n = 1,..., N and operating an inverse FFT on the amplitudes. complex signals thus demodulated.
6. Système de mesure de déplacements relatifs d'une pluralité M d'objets, chaque objet (205) étant équipé d'une antenne (210), caractérisé en ce que chaque antenne est reliée à un module d'émission/réception (240), chaque antenne émettant tour à tour et les autres antennes recevant alors le signal émis, les signaux émis et réfléchi par cette antenne ainsi que les signaux reçus par les antennes réceptrice étant respectivement transmis à un analyseur de réseau vectoriel (260) via un premier et un second commutateurs (245, 246), ledit analyseur étant adapté à mesurer en au moins deux instants successifs les paramètres S des quadripôles respectivement compris entre le modules d'émission/réception de l'antenne émettrice d'une part et les modules d'émission/ réception des antennes réceptrices d'autre part, le système comprenant en outre des moyens de calcul (270) adaptés à calculer le déplacement relatif de chaque couple d'objets entre ces deux instants, en fonction de rapports complexes de paramètres S mesurés en ces deux instants pour le couple d'antennes associées à ce couple d'objets.6. A system for measuring relative displacements of a plurality M of objects, each object (205) being equipped with an antenna (210), characterized in that each antenna is connected to a transmission / reception module (240). ), each antenna transmitting in turn and the other antennas then receiving the transmitted signal, the signals transmitted and reflected by this antenna as well as the signals received by the receiving antennas being respectively transmitted to a vector network analyzer (260) via a first and a second switches (245, 246), said analyzer being adapted to measure, in at least two successive instants, the parameters S of the quadrupoles respectively between the transmitting / receiving modules of the transmitting antenna on the one hand and the transmission / transmission modules reception of the receiving antennas on the other hand, the system further comprising calculating means (270) adapted to calculate the relative displacement of each pair of objects between these two instants, as a function of complex ratios of parameters S measured in these two moments for the pair of antennas associated with this pair of objects.
7. Système de mesure de déplacements relatifs selon la revendication 6, caractérisé en ce que, pour chaque couple m = 1,...,M(M -l)/2 d'objets, le déplacement relatif de ce couple est déterminé par :7. Relative displacement measurement system according to claim 6, characterized in that, for each pair m = 1, ..., M (M-1) / 2 of objects, the relative displacement of this pair is determined by :
δDm = — δφ'δD m = - δφ '
2π/2π /
avecwith
δφm
Figure imgf000025_0001
δφ m
Figure imgf000025_0001
où c est la célérité de la lumière dans l'air, / est la fréquence du signal émis, S™(t) et S™(t+δt) sont les valeurs respectives du paramètre Sζ , i,j = \,2, relatif au couple m d'antennes, mesurés aux instants successifs t et t + δt .where c is the celerity of the light in the air, / is the frequency of the transmitted signal, S ™ (t) and S ™ (t + δt) are the respective values of the parameter Sζ, i, j = \, 2, relating to couple m of antennas, measured at successive instants t and t + δt.
8. Système de mesure de déplacements relatifs selon la revendication 6, caractérisé en ce que, pour chaque couple m = 1,...,M(M -l)/2 d'objets, le déplacement relatif de ce couple est déterminé par :8. A system for measuring relative displacements according to claim 6, characterized in that, for each pair m = 1, ..., M (M-1) / 2 of objects, the relative displacement of this pair is determined by :
Figure imgf000026_0001
Figure imgf000026_0001
où δφ™ est la variation de phase calculée parwhere δφ ™ is the phase variation calculated by
Figure imgf000026_0002
Figure imgf000026_0002
où c est la célérité de la lumière dans l'air, fn, n = \,..,N sont les fréquences du signal émis, S™(tJn) et S™(t +δtJn) sont les valeurs respectives des paramètreswhere c is the celerity of the light in the air, f n , n = \, .., N are the frequencies of the transmitted signal, S ™ (tJ n ) and S ™ (t + δtJ n ) are the respective values parameters
Sζ , z, / = 1,2, relatifs au couple m d'antennes, mesurés aux instants successifs t et ^+δ^ .Sζ, z, / = 1,2, relating to the pair m of antennas, measured at successive instants t and ^ + δ ^.
9. Système de mesure de déplacements relatifs selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de prétraitement (250) adaptés à déterminer la réponse impulsionnelle du canal de transmission entre chaque couple antennes, à déduire de ladite réponse une fenêtre temporelle correspondant au trajet de propagation en ligne directe, et à opérer un découpage temporel du signal reçu à l'aide de ladite fenêtre avant de le transmettre à l'analyseur de réseau vectoriel.9. System for measuring relative displacements according to claim 7 or 8, characterized in that it comprises pretreatment means (250) adapted to determine the impulse response of the transmission channel between each pair of antennas, to be deduced from said response a time window corresponding to the direct line propagation path, and to temporally cut the received signal using said window before transmitting it to the vector network analyzer.
10. Système de mesure de déplacements relatifs selon la revendication 8 et 9, caractérisé en ce que ladite réponse impulsionnelle est obtenue en démodulant le signal reçu aux fréquences fn, n = \,..,N et en opérant une FFT inverse sur les amplitudes complexes des signaux ainsi démodulés.10. System for measuring relative displacements according to claim 8 and 9, characterized in that said impulse response is obtained by demodulating the received signal at the frequencies f n , n = 1,..., N and operating an inverse FFT on the complex amplitudes of the signals thus demodulated.
11. Méthode de mesure de déplacement relatif d'un objet par rapport à un autre, chaque objet étant équipé d'une antenne, caractérisée en ce que, chaque antenne étant reliée à un module d'émission/réception, chaque antenne émet tour à tour et l'autre reçoit le signal émis ; les paramètres S du quadripôle compris entre les modules d'émission/réception des deux antennes sont mesurés en au moins deux instants successifs à partir des signaux émis et réfléchis par l'antenne émettrice et du signal reçu par l'antenne réceptrice ; le déplacement relatif entre ces deux instants est calculé à partir de rapports complexes des paramètres S mesurés en ces deux instants.11. A method of measuring the relative displacement of an object relative to another, each object being equipped with an antenna, characterized in that, each antenna being connected to a transmission / reception module, each antenna transmits a turn. turn and the other receives the emitted signal; the parameters S of the quadrupole between the transmission / reception modules of the two antennas are measured in at least two successive instants from the signals transmitted and reflected by the transmitting antenna and the signal received by the receiving antenna; the relative displacement between these two instants is calculated from complex ratios of the parameters S measured at these two instants.
12. Méthode de mesure de déplacements relatifs d'une pluralité M d'objets, chaque objet étant équipé d'une antenne, caractérisée en ce que, chaque antenne étant reliée à un module d'émission/réception, chaque antenne émet tour à tour et les autres antennes reçoivent alors le signal émis ; les paramètres S des quadripôles respectivement compris entre le modules d'émission/ réception de l'antenne émettrice d'une part et les modules d'émission/réception des antennes réceptrices d'autre part, sont mesurés en au moins deux instants successifs à partir des signaux émis et réfléchis par l'antenne émettrice ainsi que les signaux reçus par les antennes réceptrices ; le déplacement relatif de chaque couple d'objets entre ces deux instants est calculé en fonction de rapports complexes des paramètres S mesurés en ces deux instants pour le couple d'antennes associées à ce couple d'objets. 12. Method for measuring relative displacements of a plurality M of objects, each object being equipped an antenna, characterized in that, each antenna being connected to a transmission / reception module, each antenna transmits in turn and the other antennas then receive the transmitted signal; the parameters S of the quadrupoles respectively between the transmitting / receiving modules of the transmitting antenna on the one hand and the transmission / reception modules of the receiving antennas on the other hand, are measured in at least two successive instants from signals transmitted and reflected by the transmitting antenna as well as the signals received by the receiving antennas; the relative displacement of each pair of objects between these two instants is calculated as a function of the complex ratios of the parameters S measured at these two instants for the pair of antennas associated with this pair of objects.
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