FR2809187A1 - Procede et dispositif pour mesurer la vitesse d'un mobile - Google Patents
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Abstract
Pour mesurer la vitesse d'un mobile 100 par rapport au sol 33 au moyen d'un radar Doppler 1 à large faisceau fixé au mobile, on émet successivement à des instants rapprochés deux ondes radar incidentes vers le sol et on collecte les ondes réfléchies correspondantes, au moins la deuxième onde incidente ayant une fréquence variable au cours du temps, on multiplie les signaux représentatifs des premières ondes incidentes et réfléchies, on détermine le contenu fréquentiel de la composante basse fréquence du produit de ces signaux, on effectue les mêmes opérations pour les deuxièmes ondes incidentes et réfléchies, puis on repère dans chacun des contenus fréquentiels deux fréquences caractéristiques, et on détermine la vitesse du mobile en fonction de ces fréquences caractéristiques et en fonction de la hauteur du radar par rapport au sol.
Description
L'invention est relative aux procédés pour mesurer la vitesse absolue mobile par rapport au sol et aux dispositifs pour mettre en oeuvre ces procédés et est applicable par exemple automobiles ou aux trains.
Les systèmes d'aide à la conduite et à la sécurité requièrent en effet la connaissance 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, est 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, 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 sol.
Divers procédés ont été proposés afin de résoudre le problème ainsi posé et permettre mesure de la vitesse absolue du véhicule, indépendamment de la vitesse de rotation des roues. Ces dispositifs utilisent 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 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 a défini comme l'angle entre la direction de l'onde au niveau de l'obstacle réfléchissant sol selon la relation
où fo est la fréquence d'émission, v la vitesse de déplacement du mobile et c la vitesse de l'onde, ce qui conduit à
La précision sur la vitesse étant directement dépendante de la précision l'angle a, les radar à effet Doppler utilisent des antennes très directives ayant un petit angle d'ouverture du faisceau radar de telle sorte que l'essentiel du rayonnement émis reçu par l'antenne le soit pour une direction P avec le sol, les angles (3 et a étant alors confondus.
où fo est la fréquence d'émission, v la vitesse de déplacement du mobile et c la vitesse de l'onde, ce qui conduit à
La précision sur la vitesse étant directement dépendante de la précision l'angle a, les radar à effet Doppler utilisent des antennes très directives ayant un petit angle d'ouverture du faisceau radar de telle sorte que l'essentiel du rayonnement émis reçu par l'antenne le soit pour une direction P avec le sol, les angles (3 et a étant alors confondus.
Un premier inconvénient de cette solution résulte des variations accidentelles d'angle (3 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, par exemple dans le brevet américain 4 107 680, d'utiliser au moins deux antennes, l'une dirigée dans la direction du mouvement et l'autre dans la direction inverse afin de compenser la variation inclinaison.
Un second inconvénient, grave, de cet art antérieur provient du fait qu'en utilisant faisceau radar à angle d'ouverture étroit, 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 la surface du sol lisse comme c'est le cas en présence de verglas.
Afin de remédier à cet inconvénient, il a été proposé dans le brevet français 2 301 d'utiliser 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 a 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 successivement deux ondes, l'une à fréquence fixe et l'autre à fréquence variable. Dans le cas où la loi de variation de la fréquence en fonction du temps est une loi linéaire de pente f, la mesure de la vitesse résulte de la reconnaissance dans le contenu fréquentiel de chacun des signaux obtenus après mélange de l'onde émise et de l'onde 'fléchie, pour chacune des émissions ci dessus, de fréquences caractéristiques F1 et F2 provoquées par la réflexion sur un même obstacle réfléchissant, les fréquences caractéristiques FI et F2 repérées respectivement lors de l'émission l'onde à fréquence fixe et de celle à fréquence variable ayant alors pour expressions
ou v est la vitesse de déplacement du mobile par rapport au , c la vitesse de propagation de l'onde, f, la fréquence fixe d'émission et f2 la fréquence d'émission dépendante du temps.
ou v est la vitesse de déplacement du mobile par rapport au , c la vitesse de propagation de l'onde, f, la fréquence fixe d'émission et f2 la fréquence d'émission dépendante du temps.
A partir de ces deux expressions, lorsque les fréquences d'émission fixe et variable sont proches et si les fréquences caractéristiques ont été provoquées par la réflexion de chacune des ondes sur le même obstacle réfléchissant vu sous le même angle il est possible de mesurer la vitesse et l'angle a.
Compte tenu du déplacement du mobile entre les deux instants considérés, le même obstacle réfléchissant du sol peut être vu sous des angles très légèrement différents lors des émissions à fréquence fixe et à fréquence variable, ce qui peut se traduire par une erreur sur la mesure de la vitesse.
La présente invention permet de bénéficier des avantages liés à l'utilisation d'antennes ayant un grand angle d'ouverture tout en permettant remédier à ces inconvénients.
L'invention concerne un procédé pour mesurer la vitesse d'un mobile, notamment automobile ou un train, en déplacement selon une direction parallèle au sol, cette mesure étant effectuée au moyen d'un radar Doppler présentant des antennes d'émission et réception, ayant un grand angle d'ouverture, fixées au mobile à certaine hauteur h au-dessus du sol et prévues 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 - à un premier instant t,, fournir à l'antenne d'émission du radar un premier signal électrique de commande présentant une première fréquence f,, pour faire émettre par l'antenne d'émission et de réception une première onde radar incidente de même fréquence f,, - capter par l'antenne de réception du radar une première onde radar réfléchie, générée par la réflexion de la première onde radar incidente sur le sol et générer à partir cette première onde radar réfléchie un premier signal électrique capté, - multiplier entre eux le premier signal électrique de commande et le premier signal électrique capté, en générant ainsi un premier signal électrique multiplié qui présente une composante haute fréquence et une composante basse fréquence, - filtrer le premier signal électrique multiplié pour générer un premier signal filtré proportionnel à la composante basse fréquence du premier signal multiplié, - déterminer, pendant un premier temps de mesure At, à partir du premier instant t,, contenu fréquentiel S, du premier signal filtré, - à un deuxième instant t2 très voisin du premier instant t,, fournir à l'antenne d'émission du radar un deuxième signal électrique de commande présentant deuxième fréquence f2, pour faire émettre par l'antenne d'émission et de réception une deuxième onde radar incidente de même fréquence f2, - capter par l'antenne de réception du radar, une deuxième onde radar réfléchie générée par la réflexion de la deuxième onde radar incidente sur le sol et générer a partir de cette deuxième onde radar réfléchie un deuxième signal électrique capté, - multiplier entre eux le deuxième signal électrique de commande et le deuxième signal électrique capté, en générant ainsi un deuxième signal électrique multiplié qui présente une composante haute fréquence et une composante basse fréquence, - filtrer le deuxième signal électrique multiplié pour générer un deuxième signal filtré proportionnel à la composante basse fréquence du deuxième signal multiplié, - déterminer, pendant un deuxième temps de mesure At2 à partir du deuxième instant t2, le contenu fréquentiel S2 du deuxième signal filtré.
Selon l'invention, un procédé du genre en question est essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes suivantes - rechercher dans le premier contenu fréquentiel S, une première fréquence caractéristique F, et dans le deuxième contenu fréquentiel S2 une deuxième fréquence caractéristique F2 associées à un même obstacle réfléchissant du sol vu sous des positions différentes, - calculer l'évolution de la position d'un obstacle réfléchissant du sol entre deux instants successifs en fonction de la vitesse du mobile, de la position de l'obstacle réfléchissant à l'instant t, et de la hauteur des antennes d'émission et de réception au- dessus du sol et établir un système de deux équations à deux inconnues, les inconnues étant la vitesse du mobile et la position de l'obstacle réfléchissant ' l'instant t,, - résoudre le système de deux équations à deux inconnues ci-dessus et en déduire la vitesse.
Dans des modes de réalisation préférés du procédé selon l'invention, on a recours, en outre, à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes - la deuxième fréquence f2 est une fonction linéaire du temps, moins pendant le deuxième temps de mesure, - la même antenne ayant un grand angle d'ouverture est utilisée en émission et en réception - lorsque la même antenne est utilisée en émission et en réception, système de deux équations à deux inconnues (v, x) est le suivant
où v est la vitesse du mobile, x la position de l'obstacle réfléchissant à l'instant t,, h la hauteur l'antenne d'émission et de réception au-dessus du sol, c la vitesse de l'onde émise, f, la fréquence fixe d'émission,
la valeur de la fréquence variable d'émission à l'instant (t2+
), f est la pente de la rampe de fréquences de la fréquence variable lorsque celle ci varie linéairement au cours du temps, F, est la fréquence caractéristique repérée dans le contenu fréquentiel S,, F2 est la fréquence caractéristique repérée dans le contenu fréquentiel S2 et At = t2-t,, à savoir l'intervalle temps séparant deux mesures consécutives l'une à fréquence fixe et l'autre à fréquence variable, - la recherche des fréquences caractéristiques F, et F2 comporte les étapes d'identification, dans les signaux Doppler obtenus lors des émissions à fréquence fixe et à fréquence variable, des différentes fréquences relatives à chacun des obstacles réfléchissants présents dans le faisceau radar, ces fréquences étant appelées fréquences identifiées, - lorsque la détermination du contenu fréquentiel met en oeuvre 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 détermination du contenu fréquentiel met oeuvre une méthode de transformée de Fourier pour la détermination des spectres correspondants, dits spectres Doppler, on décompose spectre Doppler en une somme de spectres élémentaires d'obstacles réfléchissants, - lorsque la détermination du contenu fréquentiel met en oeuvre 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 relatives à des obstacles réfléchissants, - lorsque la détermination du contenu fréquentiel utilise la détermination des passages à zéro du signal Doppler dans le domaine temporel, on identifie les fréquences relatives à des obstacles réfléchissants dans le faisceau radar par comparaison avec celles mesurées à des instants précédents, - lorsque la détermination du contenu fréquentiel 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, d'association, parmi les ftéquences identifiées lors de chacune des émissions, des couples de fréquences identifiées (F,, F2) provoquées par la réflexion sur le même obstacle réfléchissant lors des émissions à fréquence fixe à fréquence variable, ces fréquences F, et F2 étant appelées fréquences caractéristiques, - recherche des fréquences caractéristiques FI et F2 comporte étapes suivantes - on calcule les fonctions de corrélation reliant les contenus fréquentiels <B>Si</B> et S2, obtenus pour deux émissions consécutives, - recherche les couples de fréquences caractéristiques (FI, F2) donnant des maxima des fonctions de corrélation, maxima qui correspondent à la réflexion sur même obstacle réfléchissant lors des émissions à fréquence fixe et à fréquence variable en question, - on détermine la vitesse recherchée par résolution du système de deux équations à deux inconnues en utilisant des moyens de résolution numérique d'équations, - l'onde émise est une onde électromagnétique, - la fréquence de l'onde électromagnétique émise est dans la gamme 8 GHz - 80 GHz et 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 - kHz et de préférence dans la gamme 30 kHz - 200 kHz.
où v est la vitesse du mobile, x la position de l'obstacle réfléchissant à l'instant t,, h la hauteur l'antenne d'émission et de réception au-dessus du sol, c la vitesse de l'onde émise, f, la fréquence fixe d'émission,
la valeur de la fréquence variable d'émission à l'instant (t2+
), f est la pente de la rampe de fréquences de la fréquence variable lorsque celle ci varie linéairement au cours du temps, F, est la fréquence caractéristique repérée dans le contenu fréquentiel S,, F2 est la fréquence caractéristique repérée dans le contenu fréquentiel S2 et At = t2-t,, à savoir l'intervalle temps séparant deux mesures consécutives l'une à fréquence fixe et l'autre à fréquence variable, - la recherche des fréquences caractéristiques F, et F2 comporte les étapes d'identification, dans les signaux Doppler obtenus lors des émissions à fréquence fixe et à fréquence variable, des différentes fréquences relatives à chacun des obstacles réfléchissants présents dans le faisceau radar, ces fréquences étant appelées fréquences identifiées, - lorsque la détermination du contenu fréquentiel met en oeuvre 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 détermination du contenu fréquentiel met oeuvre une méthode de transformée de Fourier pour la détermination des spectres correspondants, dits spectres Doppler, on décompose spectre Doppler en une somme de spectres élémentaires d'obstacles réfléchissants, - lorsque la détermination du contenu fréquentiel met en oeuvre 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 relatives à des obstacles réfléchissants, - lorsque la détermination du contenu fréquentiel utilise la détermination des passages à zéro du signal Doppler dans le domaine temporel, on identifie les fréquences relatives à des obstacles réfléchissants dans le faisceau radar par comparaison avec celles mesurées à des instants précédents, - lorsque la détermination du contenu fréquentiel 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, d'association, parmi les ftéquences identifiées lors de chacune des émissions, des couples de fréquences identifiées (F,, F2) provoquées par la réflexion sur le même obstacle réfléchissant lors des émissions à fréquence fixe à fréquence variable, ces fréquences F, et F2 étant appelées fréquences caractéristiques, - recherche des fréquences caractéristiques FI et F2 comporte étapes suivantes - on calcule les fonctions de corrélation reliant les contenus fréquentiels <B>Si</B> et S2, obtenus pour deux émissions consécutives, - recherche les couples de fréquences caractéristiques (FI, F2) donnant des maxima des fonctions de corrélation, maxima qui correspondent à la réflexion sur même obstacle réfléchissant lors des émissions à fréquence fixe et à fréquence variable en question, - on détermine la vitesse recherchée par résolution du système de deux équations à deux inconnues en utilisant des moyens de résolution numérique d'équations, - l'onde émise est une onde électromagnétique, - la fréquence de l'onde électromagnétique émise est dans la gamme 8 GHz - 80 GHz et 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 - kHz et de préférence dans la gamme 30 kHz - 200 kHz.
L'invention a également pour objet un dispositif pour mettre en oeuvre procédé tel que défini ci-dessus, ce dispositif comportant - antennes d'émission et de réception d'ondes radar à grand angle ouverture, l'antenne d'émission comportant une entrée pour recevoir un signal électrique de commande présentant une certaine fréquence<B>fi,</B> f2, de façon à générer une onde radar incidente de même fréquence selon un faisceau radar dirigé vers le sol, vers l'avant ou vers l'arrière par rapport à la direction de déplacement, l'antenne de réception comportant en outre une sortie pour générer un signal électrique capté à partir d'une onde radar réfléchie reçue par l'antenne de réception, - oscillateur comportant une sortie connectée à l'entrée de l'antenne d'émission et prévue pour générer le signal électrique de commande présentant certaine fréquence fl, f2, - un circuit mélangeur, présentant deux entrées et une sortie, les deux entrées circuit mélangeur étant connectées respectivement à la sortie de l'antenne de réception et à l'oscillateur, pour recevoir respectivement le signal électrique de commande et le signal électrique capté, le circuit mélangeur générant à sa sortie un signal 'lectrique dit multiplié, correspondant au produit du signal électrique capté et du signal électrique de commande, ce signal électrique multiplié présentant composante de haute fréquence et une composante de basse fréquence, - un filtre passe-bas comportant une entrée et une sortie, l'entrée filtre passe-bas etant reliée à la sortie du circuit mélangeur pour recevoir le signal électrique multiplié, et le filtre passe-bas étant prévu pour générer à sa sortie signal électrique filtré représentatif de la composante basse fréquence du signal électrique multiplié, - unité centrale comportant une première entrée reliée à la sortie filtre passe-bas pour recevoir le signal électrique filtré, cette unité centrale étant conçue pour calculer vitesse v du mobile à partir du signal filtré, l'oscillateur comportant en outre une entrée de commande pour recevoir une tension de commande, l'oscillateur étant conçu pour que la fréquence du signal électrique de commande soit fonction de la tension de commande, l'entrée de commande de l'oscillateur etant reliée à un générateur de tension lui-même piloté par l'unité centrale, l'unité centrale comportant en outre des moyens pour déterminer une hauteur h des antennes émission et de réception au-dessus du sol, et l'unité centrale étant conçue pour faire générer successivement au générateur de tension une première tension de commande et une deuxième tension de commande, de façon ' faire générer successivement par l'oscillateur des premier et deuxième signaux électriques de commande ayant respectivement des première et deuxième fréquence f,, f2 respectivement proportionnelles aux première et deuxième tension de commande, au moins la deuxième tension de commande étant variable au cours du temps, de façon qu'au moins la deuxième fréquence f2 soit variable au cours du temps, pendant un premier temps de mesure Ati à partir du premier instant tl, déterminer le contenu fréquentiel SI du premier signal filtré pendant que oscillateur génère le premier signal électrique de commande, et pendant un deuxième temps de mesure At2 à partir du deuxième instant t2, déterminer le contenu fréquentiel S2 du deuxième signal filtré pendant que l'oscillateur génère deuxième signal électrique de commande, ce dispositif étant caractérisé en ce que l'unité centrale est conçue pour - rechercher dans le premier contenu fréquentiel S, une première fréquence caractéristique F, et dans le deuxième contenu fréquentiel une deuxième fréquence caractéristique F2 associées à un même obstacle réfléchissant du sol vu sous des positions différentes, - calculer l'évolution de la position d'un obstacle réfléchissant du sol entre deux instants en fonction de la vitesse du mobile, de la position de l'obstacle réfléchissant à l'instant t, et de la hauteur des antennes d'émission et de réception au-dessus du sol et établir un système de deux équations à deux inconnues, les inconnues étant la vitesse du mobile et la position de l'obstacle 'fléchissant à l'instant t,, - résoudre le système ci-dessus de deux équations à deux inconnues déterminer ainsi la vitesse du mobile à partir de la hauteur h des antennes d'émission et de réception au-dessus du sol et des fréquences caractéristiques F, et F2.
Dans des modes de réalisation préférés du dispositif de l'invention, on a recours, en outre, à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes - la même antenne ayant un grand angle d'ouverture est utilisée en émission et en réception, - la deuxième fréquence f2 est une fonction linéaire du temps, au moins pendant le deuxième temps de mesure, - lorsque la même antenne est utilisée en émission et en réception, on calcule le système de deux équations à deux inconnues (v, x) suivant
où v est la vitesse du mobile, x la position de l'obstacle réfléchissant à l'instant t,, h la hauteur de l'antenne d'émission et de réception au-dessus du sol, la vitesse de l'onde émise, f, la fréquence fixe d'émission,
la valeur la fréquence variable d'émission à l'instant
f est la pente de la rampe de fréquences de la fréquence variable lorsque celle ci varie linéairement au cours du temps, F, est la fréquence caractéristique repérée dans le contenu fréquentiel S,, F2 est la fréquence caractéristique repérée dans le contenu fréquentiel S2 et At = t2-t,, à savoir l'intervalle de temps séparant deux mesures consécutives l'une à fréquence fixe et l'autre à fréquence variable, - les moyens de recherche des fréquences caractéristiques F, et F2 comportent - des moyens d'identification, dans les signaux Doppler obtenus lors des émissions à fréquence fixe à fréquence variable, des différentes fréquences relatives à chacun des obstacles réfléchissants présents dans le faisceau radar, ces fréquences étant appelées fréquences identifiées, - lorsque la détermination du contenu fréquentiel met en oeuvre 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 spectres, - lorsque la détermination du contenu fréquentiel met en oeuvre une méthode de transformée de Fourier pour la détermination des spectres correspondants, dits spectres Doppler, les moyens d'identification décomposent spectre Doppler en une somme de spectres élémentaires d'obstacles réfléchissants, - lorsque la détermination du contenu fréquentiel met en oeuvre une méthode de transformée de Fourier pour la détermination des spectres correspondants, dits spectres Doppler, les moyens d'identification effectuent déconvolution des spectres Doppler obtenus, afin d'identifier les fréquences relatives à des obstacles réfléchissants, - lorsque la détermination du contenu fréquentiel utilise la détermination des passages à zéro du signal Doppler dans le domaine temporel, les moyens d'identification identifient les fréquences relatives à des obstacles réfléchissants dans le faisceau radar par comparaison avec celles mesurées à des instants précédents, - lorsque la détermination du contenu fréquentiel 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, - des moyens d'association qui associent, parmi les fréquences identifiées lors de chacune des émissions, des couples de fréquences identifiées (F,, F2) provoquées par la réflexion sur le même obstacle réfléchissant lors des émissions à fréquence fixe et ' fréquence variable, ces fréquences F, et F2 étant appelées fréquences caractéristiques, - les moyens recherche des fréquences caractéristiques F1 F2 comportent - des moyens de calcul qui calculent les fonctions de corrélation reliant les contenus fréquentiels S, et S2, obtenus pour deux émissions consecutives, - des moyens de recherche qui recherchent les couples de fréquences caractéristiques (F1, F2) donnant des maxima des fonctions de corrélation, maxima qui correspondent à la réflexion sur le même obstacle réfléchissant lors des émissions à fréquence fixe et à fréquence variable en question, - des moyens de résolution qui résolvent le système de deux équations à deux inconnues en utilisant des moyens de résolution numérique d'équations afin de déterminer vitesse v du mobile par rapport au sol à partir de la hauteur h des antennes d'émission et de réception et des fréquences caractéristiques FI et F2, - l'unité centrale comporte une deuxième entrée reliée à un capteur de hauteur pour recevoir signal représentatif de la hauteur h des antennes d'émission et de réception au-dessus du sol, cette deuxième entrée constituant les moyens susmentionnés de l'unité centrale pour déterminer la hauteur h des antennes d'émission et de réception au-dessus du sol, - l'unité centrale comporte des moyens de numérisation du signal filtré qu'elle reçoit à sa première entrée avant de déterminer le contenu fréquentiel de ce signal filtré, - 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. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description détaillée suivante d'une de ses formes de réalisation, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des schémas joints.
où v est la vitesse du mobile, x la position de l'obstacle réfléchissant à l'instant t,, h la hauteur de l'antenne d'émission et de réception au-dessus du sol, la vitesse de l'onde émise, f, la fréquence fixe d'émission,
la valeur la fréquence variable d'émission à l'instant
f est la pente de la rampe de fréquences de la fréquence variable lorsque celle ci varie linéairement au cours du temps, F, est la fréquence caractéristique repérée dans le contenu fréquentiel S,, F2 est la fréquence caractéristique repérée dans le contenu fréquentiel S2 et At = t2-t,, à savoir l'intervalle de temps séparant deux mesures consécutives l'une à fréquence fixe et l'autre à fréquence variable, - les moyens de recherche des fréquences caractéristiques F, et F2 comportent - des moyens d'identification, dans les signaux Doppler obtenus lors des émissions à fréquence fixe à fréquence variable, des différentes fréquences relatives à chacun des obstacles réfléchissants présents dans le faisceau radar, ces fréquences étant appelées fréquences identifiées, - lorsque la détermination du contenu fréquentiel met en oeuvre 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 spectres, - lorsque la détermination du contenu fréquentiel met en oeuvre une méthode de transformée de Fourier pour la détermination des spectres correspondants, dits spectres Doppler, les moyens d'identification décomposent spectre Doppler en une somme de spectres élémentaires d'obstacles réfléchissants, - lorsque la détermination du contenu fréquentiel met en oeuvre une méthode de transformée de Fourier pour la détermination des spectres correspondants, dits spectres Doppler, les moyens d'identification effectuent déconvolution des spectres Doppler obtenus, afin d'identifier les fréquences relatives à des obstacles réfléchissants, - lorsque la détermination du contenu fréquentiel utilise la détermination des passages à zéro du signal Doppler dans le domaine temporel, les moyens d'identification identifient les fréquences relatives à des obstacles réfléchissants dans le faisceau radar par comparaison avec celles mesurées à des instants précédents, - lorsque la détermination du contenu fréquentiel 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, - des moyens d'association qui associent, parmi les fréquences identifiées lors de chacune des émissions, des couples de fréquences identifiées (F,, F2) provoquées par la réflexion sur le même obstacle réfléchissant lors des émissions à fréquence fixe et ' fréquence variable, ces fréquences F, et F2 étant appelées fréquences caractéristiques, - les moyens recherche des fréquences caractéristiques F1 F2 comportent - des moyens de calcul qui calculent les fonctions de corrélation reliant les contenus fréquentiels S, et S2, obtenus pour deux émissions consecutives, - des moyens de recherche qui recherchent les couples de fréquences caractéristiques (F1, F2) donnant des maxima des fonctions de corrélation, maxima qui correspondent à la réflexion sur le même obstacle réfléchissant lors des émissions à fréquence fixe et à fréquence variable en question, - des moyens de résolution qui résolvent le système de deux équations à deux inconnues en utilisant des moyens de résolution numérique d'équations afin de déterminer vitesse v du mobile par rapport au sol à partir de la hauteur h des antennes d'émission et de réception et des fréquences caractéristiques FI et F2, - l'unité centrale comporte une deuxième entrée reliée à un capteur de hauteur pour recevoir signal représentatif de la hauteur h des antennes d'émission et de réception au-dessus du sol, cette deuxième entrée constituant les moyens susmentionnés de l'unité centrale pour déterminer la hauteur h des antennes d'émission et de réception au-dessus du sol, - l'unité centrale comporte des moyens de numérisation du signal filtré qu'elle reçoit à sa première entrée avant de déterminer le contenu fréquentiel de ce signal filtré, - 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. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description détaillée suivante d'une de ses formes de réalisation, 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 dessus du sol 33, le mobile<B>100</B> se déplaçant à une vitesse v dont la direction sens sont représentés par une flèche, un obstacle réfléchissant 31 se trouvant dans la direction du maximum de rayonnement, repérée par l'angle produisant signal réfléchi vers l'antenne de réception - la figure -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 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 P, ni dans la zone 32 du sol éclairée par le faisceau radar, la mesure de la vitesse de déplacement du véhicule ne peut être faite, - la figure 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 1 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 a pouvant être différent l'angle pour lequel le rayonnement de l'antenne est maximum, désigné ci-dessus par [3, l'obstacle réfléchissant 31 ayant une forte probabilité de se trouver dans la zone du sol éclairée par le faisceau radar, - la figure 2 un schéma de principe du capteur de vitesse selon l'invention, dans lequel peut etre prévu un capteur de mesure de la hauteur par rapport au sol, - la figure 3 une vue schématique qui illustre la variation de position relative de l'obstacle réfléchissant 31 du sol 33 par rapport à la verticale du capteur de vitesse entre les instants t, et t2, l'angle sous lequel est vu l'obstacle réfléchissant de la route, lors de la première des deux émissions, est représenté sur la figure par l'angle ai, l'angle sous lequel est vu l'obstacle réfléchissant de la route, lors de la seconde des deux émissions, est représenté sur la figure par l'angle a2, la position du mobile 100 étant représentée en pointillés à l'instant t, et en trait continu à l'instant t2, - la figure 4 est un diagramme montrant en fonction du temps la fréquence de l'onde émise par le radar de la figure 2, et la figure 5 représente deux spectres en fréquence d'un signal en sortie du filtre passe- bas 17 de la figure 2, déterminés aux instants t, et t2.
Comme représenté schématiquement sur la figure 2, l'invention a pour but de déterminer la vitesse v d'un mobile 100, notamment une automobile ou un train, en déplacement sur un sol 33, 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 1 peut être transmise à un dispositif d'affichage sur le tableau de bord du mobile, ou bien à tout autre organe, par exemple un système de freinage antiblocage de roues.
Comme représenté schématiquement sur la figure 2, le capteur de vitesse 1 peut comprendre, de manière non limitative - une antenne d'émission 21 et une antenne de réception 22 d'onde radar, l'antenne d'émission comportant une entrée 21a pour recevoir un signal électrique de commande, de façon à générer une onde radar incidente de même fréquence que ce signal selon un faisceau radar 34 incident, l'antenne de réception comportant en outre une sortie 22a pour générer un signal électrique capté à la réception d'une onde radar réfléchie par le sol à partir de l'onde incidente, - un oscillateur 11 contrôlé en tension, qui comporte une sortie 11a connectée à l'entrée 21a de l'antenne d'émission et une entrée 11b prévue pour recevoir tension de commande avec une fréquence f,, f2 dépendant de la tension de commande, un générateur de tension 10, présentant une sortie 10a pour générer ladite tension de commande, et une entrée logique 10b pour piloter la tension de commande un circuit mélangeur 15, présentant deux entrées 15a, 15b et une sortie 1 l'entrée 15a du circuit mélangeur étant connectée à la sortie 22a de l'antenne de réception et l'entrée 15b du circuit mélangeur étant connectée à la sortie 1 l a de l'oscillateur ou éventuellement à une sortie supplémentaire 11 c de cet oscillateur à laquelle est généré un signal électrique proportionnel au signal électrique de commande, mais de puissance moindre, le circuit mélangeur 15 étant conçu pour générer à sa sortie 15c un signal 'lectrique dit multiplié présentant une composante de haute fréquence et une composante de basse fréquence, - un filtre passe-bas 17 présentant une entrée 17a qui est connectée à la sortie 15c du circuit mélangeur et une sortie 17b à laquelle est généré un signal électrique filtré représentatif de la composante basse fréquence du signal électrique multiplié, - une unité centrale 4 comportant une première entrée 4a reliée à la sortie 17b du filtre passe-bas pour recevoir le signal électrique filtré, une deuxième entrée 4b reliée à un capteur de hauteur 5, par exemple un capteur à ultrasons ou autre pour recevoir un signal représentatif de la hauteur h des antennes d'émission et de réception par rapport au 33, cette hauteur étant mesurée perpendiculairement au sol, et l'unité centrale comportant en outre une première sortie 4c reliée à l'entrée logique 10b du générateur de tension 10, pour piloter ce générateur de tension, et deuxième sortie 4d reliée à un affichage ou autre<B>l</B>a.
L'unité centrale 4 est programmée pour - faire générer successivement au générateur de tension 10 une première tension de commande fixe ou variable et une deuxième tension de commande variable au cours du temps, de façon à faire générer successivement par l'oscillateur les premier et deuxième signaux électriques de commande ayant respectivement les première et deuxième fréquences fi, f2 qui sont proportionnelles respectivement aux première et deuxième tension de commande (par exemple, fi peut consister en fréquence fixe fo, et f2 peut consister en une portion de rampe croissant, linéairement à partir d'une fréquence fixe fo puis retombant à fo, comme représenté sur la figure 4) - numériser le signal filtré reçu à sa première entrée, - déterminer, pendant un premier temps de mesure Ati à partir du premier instant ti, le contenu fréquentiel Si du premier signal filtré, - déterminer, pendant un deuxième temps de mesure At2 à partir du deuxième instant t2, le contenu fréquentiel S2 du deuxième signal filtré, - rechercher dans le premier contenu fréquentiel S i une première fréquence caractéristique FI et dans le deuxième contenu fréquentiel S2 une deuxième fréquence caractéristique F2 associées à un même obstacle réfléchissant du sol vu sous des positions différentes, cette recherche pouvant comporter les étapes - d'identification, dans les signaux Doppler obtenus lors des émissions à fréquence fixe et à fréquence variable, des différentes fréquences relatives à chacun des obstacles réfléchissants présents dans le faisceau radar, ces fréquences étant appelées fréquences identifiées, - lorsque la détermination du contenu fréquentiel met en oeuvre une méthode de transformée de Fourier pour la détermination des spectres correspondants, dits spectres Doppler, l'unité centrale recherche dans ces spectres Doppler, les fréquences correspondantes aux maxima de ces spectres, - lorsque la détermination contenu fréquentiel met en oeuvre une méthode de transformée de Fourier pour la détermination des spectres correspondants, dits spectres Doppler, l'unité centrale décompose chaque spectre Doppler en somme de spectres élémentaires d'obstacles réfléchissants, - lorsque la détermination contenu fréquentiel met en oeuvre une méthode de transformée de Fourier pour la détermination des spectres correspondants, dits spectres Doppler, l'unité centrale effectue une déconvolution des spectres Doppler obtenus, afin d'identifier les fréquences relatives à des obstacles réfléchissants, - lorsque la détermination du contenu fréquentiel utilise la détermination des passages à zéro du signal Doppler dans le domaine temporel, l'unité centrale identifie les fréquences relatives à des obstacles réfléchissants dans le faisceau radar comparaison avec celles mesurées à des instants précédents, - lorsque la détermination contenu fréquentiel utilise une décomposition du signal Doppler en une somme de réponses élémentaires temporelles d'obstacles réfléchissants, l'unité centrale recherche parmi ces réponses élémentaires celles dont l'amplitude est supérieure au niveau de bruit, - d'association, parmi les fréquences identifiées lors de chacune des émissions, des couples de fréquences identifiées (FI, F2) provoquées par la réflexion sur même obstacle réfléchissant lors des émissions à fréquence fixe et à fréquence variable, fréquences FI et F2 étant appelées fréquences caractéristiques, ' titre d'exemple de méthode d'association possible, on prend en compte les vitesses mesurées lors de précédentes mesures, aussi, on choisit une fréquence identifiée repérée sur le premier spectre Doppler calculé, on détermine ensuite, connaissant l'accélération et la décélération maximales du mobile ainsi que la vitesse mesurée lors de la précédente mesure et la loi de variation de la fréquence variable, un intervalle de fréquences dans lequel la fréquence identifiée correspondante, repérée sur le second spectre Doppler, a une grande probabilité de se trouver et on cherche la fréquence identifiée repérée dans le second spectre et dont la fréquence contenue dans l'intervalle de fréquences précédemment défini ; il ainsi possible de déterminer un ou plusieurs couples de fréquences Doppler identifiées associées à un même obstacle réfléchissant.
- rechercher les fréquences caractéristiques F, et F2 en effectuant une corrélation entre les contenus fréquentiels S, et S2, calculés dans le domaine fréquentiel, des signaux obtenus lors des émissions à fréquence fixe et à fréquences variable et déterminer ainsi les couples de fréquences caractéristiques (F1, F2) provoquées par la réflexion sur le même obstacle réfléchissant lors des émissions à fréquence fixe et à fréquence variable, - résoudre le système de deux équations à deux inconnues en utilisant des moyens de résolution analytique ou tout moyen connu de résolution numérique afin de déterminer la vitesse v du mobile par rapport au sol à partir de la hauteur h des antennes d'émission et de réception et des fréquences caractéristiques FI et - recevoir un signal représentatif de la hauteur h des antennes d'émission et de réception au-dessus du sol, cette deuxième entrée constituant moyens susmentionnés de l'unité centrale pour déterminer la hauteur h des antennes d'émission et de réception au-dessus du sol.
L'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation particulière qui vient d'être décrite ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes, et notamment celles dans lesquelles on détermine la vitesse v non pas uniquement à partir d'une paire de fréquences caractéristiques (FI, F2), mais à partir de plusieurs paires de fréquences (F,, F2), la valeur calculée pour la vitesse v pouvant être alors par exemple la moyenne des différentes valeurs de la vitesse v calculées à partir de chaque paire de fréquence (F,, F2), ; dans ce cas, il est également possible de déterminer la hauteur h en même temps que la vitesse v ` partir des différentes paires de fréquences (F,, F2) en résolvant le système d'équations correspondant aux différentes équations (1) et (11) relatives aux différentes fréquences et F2: autrement dit, on peut calculer une expression de la vitesse indépendante de la hauteur h.
Pour limiter l'encombrement spectral, la modulation de fréquence en dent scie représentée la figure 4, peut avantageusement comporter des dents scie sensiblement symétriques, c'est-à-dire avec une pente montante et une pente descendante non verticales.
Pour faciliter la modulation de la fréquence radar, cette modulation peut être sinusoïdale, mesures des contenus fréquentiels étant effectuées dans les parties sensiblement linéaires des courbes sinusoïdales de variation de fréquence (c'est ' dire au voisinage des points d'inflexion de ces courbes sinusoïdales).
Claims (4)
1. Procédé de mesure de la vitesse v d'un mobile 100, notamment une automobile train, 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 réception (22), ayant un grand angle d'ouverture,fixées au mobile à une certaine hauteur au-dessus du sol et prévues 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 à un premier instant t1, fournir à l'antenne d'émission du radar un premier signal électrique de commande présentant une première fréquence f1, pour faire émettre par l'antenne d'émission et de réception une première onde radar incidente de même fréquence f1, - capter par l'antenne de réception du radar une première onde radar réfléchie, générée par la réflexion de la première onde radar incidente sur le sol et générer à partir cette première onde radar réfléchie un premier signal électrique capté, - multiplier entre eux le premier signal électrique de commande et le premier signal électrique capté, en générant ainsi un premier signal électrique multiplié qui présente une composante haute fréquence et une composante basse fréquence, - filtrer le premier signal électrique multiplié pour générer un premier signal filtré proportionnel à la composante basse fréquence du premier signal multiplié, - déterminer, pendant un premier temps de mesure Atl à partir du premier instant t,, contenu fréquentiel <B>Si</B> du premier signal filtré, - à un deuxième instant t2 très voisin du premier instant t1, fournir à l'antenne d'émission du radar un deuxième signal électrique de commande présentant deuxième fréquence f2, pour faire émettre par l'antenne d'émission et de réception une deuxième onde radar incidente de même fréquence f2, - capter par l'antenne de réception du radar, une deuxième onde radar réfléchie générée par la réflexion de la deuxième onde radar incidente sur le sol et générer a partir de cette deuxième onde radar réfléchie un deuxième signal électrique capté, - multiplier entre eux le deuxième signal électrique de commande et le deuxième signal électrique capté, en générant ainsi un deuxième signal électrique multiplié qui présente une composante haute fréquence et une composante basse fréquence, - filtrer le deuxième signal électrique multiplié pour générer deuxième signal filtré proportionnel à la composante basse fréquence du deuxième signal multiplié, déterminer, pendant un deuxième temps de mesure At2 à partir du deuxième instant t2, le contenu fréquentiel S2 du deuxième signal filtré, procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes suivantes - rechercher dans le premier contenu fréquentiel S, première fréquence caractéristique FI et dans le deuxième contenu fréquentiel S2 deuxième fréquence caractéristique F2 associées à un même obstacle réfléchissant du sol vu sous des positions différentes, - calculer l'évolution de la position d'un obstacle réfléchissant du sol entre deux instants successifs en fonction de la vitesse du mobile, de position de l'obstacle réfléchissant à l'instant t, et de la hauteur des antennes d'émission et de réception au- dessus du sol et établir un système de deux équations à deux inconnues, les inconnues étant la vitesse du mobile et la position de l'obstacle réfléchissant à l'instant t,, - résoudre le système de deux équations à deux inconnues ci-dessus et en déduire la vitesse.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel, la deuxième fréquence f2 est une fonction linéaire du temps, au moins pendant le deuxième temps de mesure.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel, la même antenne ayant un grand angle d'ouverture est utilisée en émission et en réception.
4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel, lorsque la même antenne est utilisée en émission et en réception, on utilise le système de deux équations à deux inconnues (v, x) suivant
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| FR2722301A1 (fr) * | 1994-07-06 | 1996-01-12 | Lewiner Jacques | Procede et dispositif pour mesurer la vitesse d'un mobile |
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-
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