DEVICE FOR DETECTING OBJECTS SUCH AS MINES

DISPOSITIF POUR DETECTER DES OBJETS TELS QUE DES MINES

Abrégé français

Ce dispositif est prévu, plus particulièrement, pour détecter des mines posées dans une zone susceptible d'être minée (5). Il est placé sur un véhicule (1) se déplaçant à une vitesse V. Il comporte un panneau (25) sur lequel est disposé un ensemble de rayonnement (18) et un circuit de traitement (50) pour signaler sur un écran (80) la présence de mines. L'ensemble de rayonnement (18) est formé par un alignement d'antennes (20) disposé transversalement à la vitesse V de déplacement dudit véhicule (1). Ses dimensions sont telles qu'il permet d'obtenir une bonne résolution. Celle-ci est renforcée par un traitement pour fonctionner en antenne synthétique.

Abrégé anglais

This device is provided, more particularly, for detecting mines laid in a zone liable to be mined (5). It is placed on a vehicle (1) moving at a speed V. It comprises a panel (25) on which is disposed a radiation assembly (18) and a processing circuit (50) for signalling on a screen (80) the presence of mines. The radiation assembly (18) is formed by an alignment of antennas (20) disposed transversely to the speed V of movement of said vehicle (1). Its dimensions are such that it makes it possible to obtain good resolution. The latter is enhanced by a processing so as to operate as a synthetic antenna.

Revendications

7
REVENDICATIONS
1. Dispositif pour détecter des objets posés dans une zone à explorer, ledit
dispositif étant
place sur un véhicule se déplaçant à une vitesse V et, étant formé, d'un
panneau orienté
transversalement à la vitesse V, sur lequel est disposé un ensemble de
rayonnement pour émettre
des signaux a une fréquence d'illumination et pour recevoir des signaux
réfléchis depuis ladite zone
et, d'un circuit de traitement pour fournir des indications sur la présence
desdits objets après
traitement des signaux réfléchis, selon lequel l'ensemble de rayonnement
comporte une pluralité
d'antennes disposé transversalement à la vitesse V de déplacement dudit
véhicule, l'organe de
traitement étant prévu pour qu'à partir d'un signal reçu s'écrivant sous la
forme :
<IMG>
équation dans laquelle:
¨ j appartient en un ensemble J de points définissant des points de la zone
à analyser
¨ ü(t) donne la place de l'antenne dans l'alignement 20 à l'instant t
¨ est la longueur d'onde du rayonnement de l'onde
¨ i étant tel que i2=-1
il élabore, après un filtrage adapté, un signal Ai représentatif de la
réflexion d'un point j tel que :
<IMG>
dans cette dernière formule:
- .theta. représente l'angle sous lequel le point au sol est perçu et qui
correspond à l'angle
d'incidence de l'onde au niveau du point considéré
- r j étant le vecteur réflexion du point considéré défini aussi par
l'altitude H de l'aéronef
survolant la zone
<IMG>
où:

8
e est l'épaisseur du milieu dans lequel est enfouie l'objet à détecter
c est le constant diélectrique de ce milieu
2. Dispositif pour détecter des objets selon la revendication 1 selon lequel
il est prévu des
moyens de duplexage pour que l'ensemble de rayonnement soit utilisé tant pour
l'émission des
signaux à fréquence d'illumination qu'en réception pour recueillir lesdits
signaux réfléchis.
3. Dispositif pour détecter des objets selon la revendication 1 ou 2, selon
lequel le véhicule
est à une distance de la zone à explorer telle que lesdites antennes
fonctionnent en zone proche.
4. Dispositif pour détecter des objets selon la revendication 2, selon lequel
les moyens de
duplexage sont constitués par au moins un circulateur.
5. Dispositif pour détecter des objets selon l'une quelconque des
revendications 1 à 4, selon
lequel lesdites antennes sont constituées à partir d'antennes de type Vivaldi.
6. Dispositif pour détecter des objets selon l'une quelconque des
revendications 1 à 5,
ractérisé en ce qu'il est prévu un système de commutation pour mettre en
oeuvre chacune desdites
tenues, le système de commutation étant disposé sur ledit panneau.
7. Dispositif pour détecter des objets selon la revendication 4, selon lequel
les moyens de
duplexage sont disposés sur ledit panneau.
8. Dispositif pour détecter des objets selon la revendication 6, selon lequel
le système de
commutation coopère avec un organe de traitement pour réaliser une antenne
synthétique.
9. Dispositif pour détecter des objets selon l'une quelconque des
revendications 1 à 8, selon
lequel ledit véhicule survole ladite zone à une altitude de l'ordre de 10 m,
la dimension transversale de
l'alignement étant de l'ordre de 7m tandis que la fréquence d'illumination
s'étendant de 2 à 4 GHz.
10. Dispositif pour détecter des objets posés dans une zone à explorer, ledit
dispositif étant
place sur un véhicule se déplaçant à une vitesse V et, étant formé, d'un
panneau sur lequel est disposé

9
un ensemble de rayonnement pour émettre des signaux a une fréquence
d'illumination et pour recevoir
des signaux réfléchis depuis ladite zone et, d'un circuit de traitement pour
fournir des indications sur
la présence desdits objets après traitement des signaux réfléchis, selon
lequel l'ensemble de
rayonnement comporte une pluralité d'antennes disposé transversalement à la
vitesse V de
déplacement dudit véhicule, le dispositif comprenant un système de commutation
qui coopère avec un
organe de traitement pour réaliser une antenne synthétique, ledit circuit de
traitement étant prévu pour
qu'à partir d'un signal reçu s'écrivant sous la forme :
<IMG>
équation dans laquelle:
¨ j appartient en un ensemble J de points définissant des points de la zone
à analyser
¨ ü(t) donne la place de l'antenne dans l'alignement 20 à l'instant t
¨ .lambda. est la longueur d'onde du rayonnement de l'onde
¨ i étant tel que i2=-1
il élabore, après un filtrage adapté, un signal A j représentatif de la
réflexion d'un point j tel que :
<IMG>
dans cette dernière formule:
- .theta. représente l'angle sous lequel le point au sol est perçu et qui
correspond à l'angle
d'incidence de l'onde au niveau du point considéré
- r j étant le vecteur réflexion du point considéré défini aussi par
l'altitude H de l'aéronef
survolant la zone
<IMG>
où:
- e est l'épaisseur du milieu dans lequel est enfouie l'objet à détecter
- .epsilon. est le constant diélectrique de ce milieu

10
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé
en ce que les objets
sont des mines.

Description

CA 02840848 2013-12-31
WO 2013/004924 PCT/FR2012/000268
1
Dispositif pour détecter des objets tels que des mines
La présente invention concerne un dispositif pour détecter des objets, tels
que des
mines, posés dans une zone à explorer, ledit dispositif étant placé sur un
véhicule se
déplaçant à une vitesse V et étant formé d'un panneau sur lequel est disposé
un ensemble de
rayonnement et d'un circuit de traitement pour fournir des indications sur la
présence de tels
objets.
Un tel dispositif est décrit dans le document de brevet EP 0 812 005 et vise
différentes applications. Ce dispositif connu n'est pas approprié pour la
détection d'objet de
faibles dimensions et qui sont conçus pour être difficilement détectables. En
outre, il est
considéré comme désavantageux, lorsque le panneau est de grandes dimensions,
par le fait
que la déformation de celui-ci entraîne une incohérence entre les ondes émises
et réfléchies
qui est difficilement contournable même en effectuant par des circuits
appropriés des
mesures de ces déformations.
L'invention propose un dispositif du genre mentionné dans le préambule qui
présente
de bonnes performances. Ainsi, il devient possible de détecter des mines
enfouies dans le
sable. Ces mines sont bien souvent conçues pour être indétectables et
présentent de ce fait
une constante diélectrique assez proche de celle du sable dans lequel elles
peuvent être
enfouies. Il en découle que leur coefficient de réflexion est proche de celui
du sable qui les
entoure et donc, elles sont difficiles à être détectées par rayonnement
électromagnétique.
La présente invention propose différentes mesures pour détecter des objets
difficilement détectables et qui permettent, donc, une détection de mines de
tailles diverses :
mines anti-personnelles ou mines anti-char, ces mines pouvant être dans des
sols qui ne
favorisent pas cette détection.
Selon un aspect de l'invention, l'ensemble de rayonnement comporte un
alignement
d'antennes disposé transversalement à la vitesse V de déplacement dudit
véhicule. La
grandeur de l'ensemble de cet alignement est en dépendance de la taille des
objets à
détecter.

WO 2013/004924
PCT/FR2012/000268
2
Un autre aspect de l'invention prévoit des moyens de duplexage pour que
l'ensemble de
rayonnement soit utilisé tant en émission pour illuminer ladite zone à
explorer qu'en réception pour
recueillir les ondes réfléchies depuis cette zone. On obtient un premier
avantage que le nombre
d'antenne est réduit de moitié et qu'une plus grande cohérence dans le
traitement des ondes émises et
des ondes reçues est obtenue apportant ainsi de meilleures performances. Un
deuxième avantage par
rapport au dispositif connu est que l'on s'affranchit des déformations du
panneau lors du survol des
zones à explorer.
Selon un troisième aspect de l'invention, ledit véhicule survole ladite zone à
explorer à une
altitude de l'ordre de 10 m, la dimension transversale de l'alignement étant
de l'ordre de 7 m tandis que
la fréquence d'illumination s'étend de 2 à 4 GHz. Ces différents paramètres
sont importants.
Notamment le choix de la fréquence d'émission ou d'illumination est favorable
à une meilleure
pénétration de l'onde dans des sols sablonneux et de ce fait permet une
meilleure détection des mines
qui y sont enfouies.
Selon un autre aspect de l'invention, un dispositif pour détecter des objets
posés dans une zone
à explorer, ledit dispositif étant place sur un véhicule se déplaçant à une
vitesse V et, étant formé, d'un
panneau orienté transversalement à la vitesse V, sur lequel est disposé un
ensemble de rayonnement
pour émettre des signaux a une fréquence d'illumination et pour recevoir des
signaux réfléchis depuis
ladite zone et, d'un circuit de traitement pour fournir des indications sur la
présence desdits objets
après traitement des signaux réfléchis, selon lequel l'ensemble de rayonnement
comporte une pluralité
d'antennes disposé transversalement à la vitesse V de déplacement dudit
véhicule, l'organe de
traitement étant prévu pour qu'à partir d'un signal reçu s'écrivant sous la
forme :
S(t) = - ________
équation dans laquelle:
¨ j appartient en un ensemble J de points définissant des points de la zone
à analyser
¨ i(t) donne la place de l'antenne dans l'alignement 20 à l'instant t.
¨ est la longueur d'onde du rayonnement de l'onde.
¨ i étant tel que i2=-1
il élabore, après un filtrage adapté, un signal A1 représentatif de la
réflexion d'un point j tel que:
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2a
A = r + f (e, e , (t)
dans cette dernière formule:
0 représente l'angle sous lequel le point au sol est perçu et qui correspond à
l'angle
d'incidence de l'onde au niveau du point considéré
- ri étant le vecteur réflexion du point considéré défini aussi par
l'altitude H de l'aéronef
survolant la zone
f(e, E, (2) =) e = ,,(= 1 +(o(t) j)2
2 = e
où:
e est l'épaisseur du milieu dans lequel est enfouie l'objet à détecter.
- e est le constant diélectrique de ce milieu.
Selon un autre aspect de l'invention, un dispositif pour détecter des objets
posés dans une zone
à explorer, ledit dispositif étant place sur un véhicule se déplaçant à une
vitesse V et, étant formé,
d'un panneau sur lequel est disposé un ensemble de rayonnement pour émettre
des signaux a une
fréquence d'illumination et pour recevoir des signaux réfléchis depuis ladite
zone et, d'un circuit de
traitement pour fournir des indications sur la présence desdits objets après
traitement des signaux
réfléchis, selon lequel l'ensemble de rayonnement comporte une pluralité
d'antennes disposé
transversalement à la vitesse V de déplacement dudit véhicule, le dispositif
comprenant un système
de commutation qui coopère avec un organe de traitement pour réaliser une
antenne synthétique,
ledit circuit de traitement étant prévu pour qu'à partir d'un signal reçu
s'écrivant sous la forme :
S(t)
exp (1.2)(i (t) ¨
_____________ A __
équation dans laquelle:
¨ j appartient en un ensemble J de points définissant des points de la
zone à analyser
¨ i(t) donne la place de l'antenne dans l'alignement 20 à l'instant t.
¨ .1 est la longueur d'onde du rayonnement de l'onde.
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2b
¨ i étant tel que i2=-1
il élabore, après un filtrage adapté, un signal Ai représentatif de la
réflexion d'un point j tel que:
A E, s(t).exp[--iI-.t)-r + f(e,e,0(t),)J
dans cette dernière formule:
- 0 représente l'angle sous lequel le point au sol est perçu et qui
correspond à l'angle
d'incidence de l'onde au niveau du point considéré
r; étant le vecteur réflexion du point considéré défini aussi par l'altitude H
de l'aéronef
survolant la zone
f (e,e,0(t) =) = e = 1 +(8(t);) 2
2. E
où:
e est l'épaisseur du milieu dans lequel est enfouie l'objet à détecter.
e est le constant diélectrique de ce milieu.
La description suivante accompagnée des dessins ci-annexés, le tout donné à
titre d'exemple
non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée.
Dans les dessins :
¨ la figure 1 montre un dispositif pour détecter des objets, embarqué sur un
aéronef, un
hélicoptère notamment,
¨ la figure 2 montre un schéma d'un dispositif de l'invention,
¨ la figure 3 explicite le balayage d'une zone à explorer et la formation
d'une antenne
synthétique,
¨ les figures 4 et 5 sont destinées à expliciter les paramètres impliqués dans
le traitement du
signal.
Les éléments communs dans toutes les figures portent les mêmes références.
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2e
A la figure 1, la référence 1 indique un hélicoptère se déplaçant à une
vitesse V dans lequel est
embarqué le dispositif de l'invention. Par ce dispositif, on se propose
d'explorer le sol d'une zone 5 à
explorer, considérée dans le cadre de l'exemple décrit, comme une zone minée.
Dans cette zone (5),
des mines 11, 12, 13, ...sont disséminées et peuvent être enfouies. La grande
difficulté pour détecter
ces mines survient lorsque celles-ci sont enfouies dans le sable sec. En
effet, les mines sont conçues
pour être le moins détectable
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possible et sont faites en un matériau dont la constante diélectrique est
proche de celle du
sable qui les entoure. Ces constantes diélectriques ont des valeurs
respectives
approximatives de 2,7 et 3,1 à 3,4. Les coefficients de réflexion qui en
découlent sont liés
directement à ces constantes et sont donc assez proches l'un de l'autre. Ceci
entraîne que le
traitement doit être fait de manière judicieuse.
Pour surmonter cette difficulté, on a prévu un ensemble de rayonnement 18
formé d'un
alignement d'antennes 20 disposées sur un panneau 25 fixé à la queue de
l'hélicoptère 1. De
préférence, ces antennes sont du type Vivaldi. Cet hélicoptère survole la zone
minée 5 à une
vitesse V compatible au traitement de détection à effectuer et à une hauteur
telle que les
antennes peuvent être considérées en zone proche. On rappelle que dans la zone
de champ
proche (zone de Fresnel), le champ électrique et le champ magnétique ne sont
pas dans un
rapport constant et leur répartition dans l'espace varie avec la distance par
rapport à
l'antenne. Sur la figure 1, on a montré une flèche 27 qui illustre le fait
qu'une onde
d'illumination est dirigée vers la zone et est réfléchie sur celle-ci.
La figure 2 montre le schéma du dispositif de détection d'objets, conforme à
1 ' invention.
Chaque antenne 20 est reliée à un système de commutation 28 formé par des
commutateurs haute fréquence de type SP32T ou autre que l'on trouve dans le
commerce.
Sur la figure on a montré quatre de ces commutateurs 31, 32, 33 et 34 qui
gèrent, chacun, sur
des accès dits accès amont, trente-deux accès de sorte que le nombre
d'antennes s'élève à
128. A ces quatre accès amont de ces commutateurs, correspond un seul accès
aval. Les
accès aval de ces commutateurs 31 à 34 sont reliés à des accès amont d'un
cinquième
commutateur 40.
Tous ces commutateurs 31-34, 40 sont sur la dépendance d'un circuit de
traitement 50
et plus précisément d'un organe de traitement 52 qui gère tous les processus
de
fonctionnement du dispositif de l'invention.
Comme les antennes 20 travaillent tant en émission qu'en réception, on a prévu
des
moyens de duplexage 55 faisant partie du circuit de traitement 50 et
constitués par au moins
un circulateur, ce qui permet de séparer les ondes à émettre et les ondes
reçues. Un accès de
ce circulateur est relié à l'accès aval du commutateur 40.

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D'une manière préférentielle, le système de commutation 28, et le circulateur
55 sont
placés sur le panneau 25 proche donc des antennes 20.
Les ondes à émettre sont élaborées à partir d'un oscillateur à commande de
fréquences
par tension (VCO) portant la référence 60. Avant d'être appliquée au
circulateur 55, l'onde
de sortie de l'oscillateur 60 transite par un amplificateur 62 qui donne la
puissance
nécessaire à l'onde qui va être finalement émise par les antennes 20 et par un
coupleur
directif 64 qui va prélever une petite partie de l'onde à la sortie de
l'amplificateur 62.
Un autre accès du circulateur 55 recueille l'onde reçue qui est tout d'abord
amplifiée
par un amplificateur 66 avant d'être appliquée à un détecteur en quadrature 70
formé de
deux mélangeurs 71 et 72 à deux entrées dont une reçoit le signal de sortie de
l'amplificateur 66 et l'autre une réplique du signal de l'oscillateur 60 via
le coupleur 64. Les
répliques appliquées aux entrées des deux mélangeurs sont déphasées de 90
respectivement.
Ceci est obtenu par un coupleur 3dB 75 branché adéquatement. Les signaux de
sortie I et Q
du détecteur 70 sont ensuite traités par l'organe 52.
Cet organe de traitement 52 fournit, par exemple sur un écran 80 une carte de
la zone
explorée sur laquelle apparaissent, en surbrillance, les mines détectées.
L'organe de traitement 52 élabore cette carte sur la base d'une ouverture
synthétique
de l'antenne comme cela est montré à la figure 3. Cette figure illustre la
zone à explorer 5 et
la trace 85 de l'antenne synthétique découlant du traitement effectué par
l'organe de
traitement 52. Cette trace 85 se déplace sur la zone à la vitesse V qui est
celle de
l'hélicoptère et T représente la cadence du balayage obtenu par la commutation
séquentielle
des différentes antennes 20 en agissant sur les commutateurs 31-34 et 40.
Cette antenne
synthétique donne les résolutions nécessaires, de l'ordre de 7cm correspondant
à des mines.
L'altitude est alors de 10m et la fréquence d'illumination variant entre 2 et
3 GHz.
Selon un mode de réalisation, la fréquence de l'oscillateur peut changer
toutes les 2 ou
3 microsecondes de sorte que la perception des points brillants change. Si une
mine ne
donne pas de point brillant pour une fréquence, elle pourra en donner un pour
une autre
fréquence différente du fait de l'effet Doppler induit par la commutation des
éléments du
réseau d'antennes. Pour cela la fréquence de l'oscillateur 60 peut changer
selon une des
fréquences fi, f2 ou 13 sous la commande de l'organe de traitement 52.

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Le dispositif de l'invention fonctionne de la manière suivante.
La figure 4 montre d'une manière simplifiée les éléments essentiels pour
l'explication
du traitement du signal. On considère, à la figure 4 la zone 5 qui est la zone
à analyser et la
trace 85 de l'antenne synthétisée. La trace de l'antenne 85 s'étend sur une
largeur W et sur
5 une longueur L définie à partir de la vitesse V de l'aéronef Cette
zone est décomposée
en un ensemble de points J disposés selon deux dimensions x et y
respectivement: dans le
sens de la largeur et dans le sens du déplacement de l'aéronef Chacun de ces
points réfléchit
l'onde émise depuis l'aéronef et la renvoie vers l'ensemble de rayonnement 18
comportant
l'alignement d'antennes 20... On appelle ri l'onde réfléchie en un point j. Au
niveau d'une
antenne 20, dont l'emplacement est défini par un point de référence M de
l'alignement 20, le
signal S(t) reçu peut s'écrire :
exp(i. 27r )(i2(t) - )
S(t)= E 2,
(1)
équation dans laquelle :
- J donne l'emplacement du point de ladite zone 5,
- i(t) donne la place de l'antenne A dans l'alignement 20 et aussi en fonction
du
temps t définissant la commutation de celle-ci.
- k est la longueur d'onde du rayonnement de l'onde.
- i étant tel que i2 = -1
Ce signal comporte la contribution des ondes reçues par les différentes
antennes du
réseau 20.
Pour déterminer la réflexion en un point donné du sol: Aj, on utilise la
formule
suivante :
A = Es(t).exp[ i 27r .(ii(t)- r01 + f , 6, 0(0 i
(2)

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Cette formule (2) représente l'opération inverse de la précédente mais a subi
un filtrage
adaptatif c'est-à-dire qu'on a supprimé la contribution des autres ondes
réfléchies hors du
point considéré en j .
Dans cette dernière formule : exp[¨ i2f-.(rOi)]correspond donc au filtrage
adapté et
00
f (e, s, =) = e = -µ17: 1+ (.) 2
)
2 E (3)
Dans la formule (3) les paramètres impliqués sont explicités à l'aide de la
figure 5:
- 0 représente l'angle sous lequel le point au sol est perçu et qui
correspond à l'angle
d'incidence de l'onde au niveau du point considéré.
- e est l'épaisseur du sable dans lequel est enfouie la mine.
- g est la constante diélectrique de ce sable.
Il est à noter que la hauteur H à laquelle survole l'aéronef détermine la
valeur du
module de r.
C'est la valeur de A qui donnera pratiquement l'indication, par des variations
de
luminance sur l'écran 80, de la présence de mines.
Bien qu'on ait décrit un détecteur de mines apte à détecter les mines dans des
conditions non favorables, l'invention s'applique encore mieux pour la
détection d'objets
dans des circonstances plus favorables que celles décrites ci-dessus.
Il est à noter que le processus sera, d'une manière préférentielle, répété
pour trois
fréquences différentes suffisamment espacées. Les images obtenues présentent
des
surbrillances ou des extinctions dues aux différentes combinaisons des
coefficients de
réflexion des interfaces du sol et de la mine.

Dessin représentatif