Projet Radar à ultra-sons

[Koranten]

Bonjour à tous,

Je suis étudiant ingénieur, actuellement à l'étranger (Suède) et je travaille dans un petit labo de R&D. Ma mission est de mettre au point un radar, ou plutôt un scanner de forme, à ultra-sons. Plusieurs applications sont possibles, la principale étant de vérifier des profils et états de surface de pneus neige. Je vais donc commencer par essayer de faire des scans en 1D de profils assez grossiers. On affinera tout doucement.

Je suis à bac+4 issu d'une école d'ingénierie généraliste. Je me suis spécialisé en mécanique numérique via mes stages et projets mais ce nouveau projet R&D, bien que très différent, me botte énormément.
Je n'ai presque jamais fait de traitement du signal et je suis loin d'être une foudre avec les oscilloscopes, mais le projet me passionne et je vais m'investir.

Mon matos: des émetteurs-récepteurs qui travaillent en sinus à 40 Hz, 20V d'amplitude. Je peux leur envoyer des dirac de 60 à 100V, apparemment.

J'ai un bon gros oscilloscope bien cher avec PC intégré (marque LECROY). Je peux envoyer les signaux via les logiciels Scope Explorer et Active DSO à mon PC portable où je peux traiter le signal avec Matlab/Simulink.

Voilà voilà, si vous le voulez bien, j'aurai sûrement plein de questions à vous poser cet été

Pour l'instant j'ai un couple émetteur-récepteur tout proches qui balance une salve de sinus devant un profil. Je visualise émission et réception, puis calcul du temps de parcours, tout ça. On commence simple ^^

Je rappelle que j'ai jamais vraiment fait de traitement du signal.

Je me lance avec du simple: mes signaux sont assez crades, et je voudrai déjà commencer par filtrer le 50 Hz. Je suppose que je peux utiliser un filtre rejecteur de bande, aussi appelé coupe-bande je crois. C'est un truc qui se fait, je veux dire: c'est un classique? Ca se fait matériellement ou avec un logiciel (ce sera Matlab/Simulink ici)?

Merci de votre lecture!!
-----

[Chimimic]

des émetteurs-récepteurs qui travaillent en sinus à 40 Hz, 20V d'amplitude

40 KHz, peut-être ?
Ou alors trains d'impulsions 40 KHz à la fréquence de 40 Hz ?

[Koranten]

Oui 4O KILO Hertz, en effet, désolé pour la coquille ^^
Je balance des rafales de 1 à 30 sinus, ces sinus étant à 40 kHz
Alors? Concernant le filtrage?

[invite1b38f1ee]

Bonjour,

Souvent les transducteurs US ont une bande passante suffisament étroite pour ne pas avoir à se préocuper du filtrage.

En pièce jointe le schémas d'un radar US fait l'an passé et qui fonctionne.
On emmet une quinzaine de carrés à 40KHz (sans filtrage) et à la récéption juste une amplification sans filtrage non plus.

Une image au format GIF aurait été de même qualité et bien plus facile à consulter. Pour les images, utilisez un format image !
JPL, modérateur

[A voir en vidéo sur Futura]

[m'enfin]

Voilà voilà, si vous le voulez bien, j'aurai sûrement plein de questions à vous poser cet été

C'est avec plaisir qu'on y répondra (si on peut !)

Je me lance avec du simple: mes signaux sont assez crades, et je voudrai déjà commencer par filtrer le 50 Hz. Je suppose que je peux utiliser un filtre rejecteur de bande, aussi appelé coupe-bande je crois. C'est un truc qui se fait, je veux dire: c'est un classique? Ca se fait matériellement ou avec un logiciel (ce sera Matlab/Simulink ici)?

Merci de votre lecture!!

Tout d'abord, il est toujours préférable de veiller à la qualité du signal à la source plutôt que d'en filtrer les défauts. Pour cela, la réalisation doit être très soignée: blindage, alimentation, réjection de mode commun, etc... pour essayer d'avoir le signal le plus pur possible. C'est un peu comme les fondations d'une maison, si cette partie est négligée, c'est tout l'édifice qui sera branlant quoi qu'on fasse.
Pour le filtrage, tu peux avoir recours à un réjecteur, mais cette solution est à mon avis insuffisante: le secteur présente de nombreuses harmoniques qu'il faut filtrer aussi. ton signal utile est à 40kHz, peut-être vaut-il mieux utiliser un passe bande à cette fréquence, tout le reste sera éliminé.
Pour la suite du traitement, je te conseillerais de numériser le plus tôt possible et de faire un traitement numérique via un DSP.

A+

[Koranten]

Merci pour ces réponses, je vais donc m'orienter vers un passe-bande pour ne laisser passer que 40 kHz.

"Réjection de mode commun" ?

Et puis avoir un signal bien pur, ça s'annonce chaud. J'ai des câbles blindés (je crois) mais mon prof/boss m'a dit que pour faire les raccords la "procédure" était la suivante: pince coupante et vieux fer à souder

Mais bon, avant tout, je dois récupérer le driver qui me manque pour communiquer avec l'oscillo. J'ai le logiciel, le câble, tout... mais mon boss a paumé le CD avec le driver ><

Quant à numériser... à partir du moment où je communique avec le PC, le signal a forcément DEJA été numérisé, non? Et puis Matlab, c'est du numérique pur (ou presque, y a quand même une 'symbolic tool boox' ^^)

DSP? Ce sont des processeurs ultra spécialisés, c'est ça? Multiplication & Addition à mach 12 pour les calculs de corrélation/convolution c'est bien ça?

[polo974]

Question bête, en gros, tu veux réaliser un système que s'apparente plus de l'échographe (genre maternité) que du détecteur d'obstacle à l'arrière de la voiture, si j'ai bien compris.

La longueur d'onde dans l'air (340m/s) à 40kHz est de 8.5mm, ce qui est beaucoup à mon avis.

La fréquence utilisée en échographie est de l'ordre du MHz de mémoire (voir plus maintenant, je n'ai plus fréquenté ces lieux depuis longtemps)...

Sans monter si haut, il va falloir réfléchir à la fréquence.

Par ailleurs, la directivité est impérative pour faire des mesures dans une direction précise (Lapalisse n'aurait pas mieux dit...), et comme c'est au final une image qui est attendue, il va falloir un balayage du faisceau (gestion des phases de plusieurs transducteurs par ex)...

Bref, les transducteurs sont la clé du système, ensuite, un bon DSP ou 2 et sa roule. (la fin, c'est une boutade...)

En fouillant un peu le web,

L’une des techniques de ce 2nd type d’échographie est le balayage électronique linéaire. Dans ce type d’échographie, la sonde est constituée par un grand nombre de capteurs ultrasonores de petites dimensions placés côte à côte (barrette linéaire). Un dispositif électronique permet d’activer les transducteurs à tour de rôle ce qui permet d’obtenir une image en environ 1 / 100 de seconde.

[Koranten]

Oui, on peut voir ça comme de l'échographie et, oui, je sais bien que ça fait un peu long comme longueur d'onde... A méditer.

L'idée est de déplacer un capteur/récepteur pour balayer la surface. Je pense détecter la distance à l'obstacle en continu, et comme le truc va se déplacer latéralement, ça devrait me révéler le profil.

Donc, oui, ça va "balayer". Mais que veux-tu dire par "gestion des phases"?

Je vais déjà voir ce que ça donne ainsi, et on sophistiquera le système au fur et à mesure.

Merci!

[m'enfin]

"Réjection de mode commun" ?

Ne t'inquiète pas pour ça (du moins pour le moment), je n'ai fait que nommer quelques possibilités d'amélioration d'un signal sans présager de l'application dans ton cas.

Et puis avoir un signal bien pur, ça s'annonce chaud. J'ai des câbles blindés (je crois) mais mon prof/boss m'a dit que pour faire les raccords la "procédure" était la suivante: pince coupante et vieux fer à souder

il vaut mieux être sûr que le câble est blindé, c'est indispensable car le rapport signal/bruit est très important sur les premiers étages. Ensuite quel cable blindé, 1 ou 2 conducteurs + masse? Le mieux, 2 conducteurs+masse et entrée sur ampli différentiel (ici retour du mode commun!).
Pour la pince et le fer, c'est une très bonne méthode si c'est bien fait.

Par contre, réfléchis bien au problème soulevé par polo974, il a raison et tu risques de partir dans une voie sans issue avec tes transducteurs. Le contrôle de profil de pneus nécessite, je suppose, une résolution du millimètre.

Quant à numériser... à partir du moment où je communique avec le PC, le signal a forcément DEJA été numérisé, non? Et puis Matlab, c'est du numérique pur (ou presque, y a quand même une 'symbolic tool boox' ^^)

DSP? Ce sont des processeurs ultra spécialisés, c'est ça? Multiplication & Addition à mach 12 pour les calculs de corrélation/convolution c'est bien ça?

C'est l'oscillo qui a numérisé, mais s'il ne fait pas partie intégrante du système final, il faudra numériser à un moment ou un autre.
Pour le DSP (Digital Signal Processor) c'est bien ça.

A+

[Koranten]

Merci M'enfin. Mais comment numériser? Si je traite mon signal avec Matlab, lui, il ne voit le signal que comme un vecteur, un tableau de points, donc discret. Ca suffit pas ? Matlab, c'EST du traitement numérique! Je suis justement en train de faire l'algorithme de filtre passe-bande...

[Koranten]

Je suis en train d'essayer de faire le filtre passe-bande avec Matlab. Je galère pas mal. J'utilise la fonction cheby1, mais c'est pas très évident. Avec la fonction fdesign.bandpass, j'arrive à faire le filtre, mais pas à l'utiliser... L'aide de Matlab est des plus nébuleuses... Il semble y avoir 1000 façons de faire! Alors si quelqu'un sait comment faire un passe-bande simplement et pourrait me dire quelle fonction utiliser? Merci!

[polo974]

J'ai parlé gestion de phase au cas où tu utiliserais une ligne de plusieurs transducteurs. En gérant la phase d'émission, tu peux cibler la direction d'émission (dit très vite, avec de grosses zones non développées).
Mais comme il semble que tu vas gérer le balayage de façon mécanique, un seul émetteur/récepteur suffit.
Ton but est donc de faire une suite de revelés de distances pour retrouver un profil.
Il te faut donc un moyen de focaliser ton (ultra)son afin d'avoir une bonne définition.
Il faut aussi que l'objet que tu mesure te renvoie un echo direct, ce qui peut poser problème: exemple pneu de tracteur, les sculptures ne sont pas verticales ou horizontales, il y a des pans inclinés, qui vont réfléchir ton onde dans une direction où tu ne les attendras pas et risquent même de revenir par un chemin détourné. Bref mesure impossible (ou pire erronée).

Maintenant, si ce sont des pneus de voitures classiques, le problème viendra plus de la résolution nécessaire pour "voir" les fines sculptures que des pentes pouvant dévier l'onde.

En gros, imagine ton pneu peint en "imitation chrome" bien brillant, une photo (très) floue de ça et tu verras ce que pourrait "voir" ton système...

Je crois qu'il est important de se visualiser la chose afin d'en appréhender la difficulté qui à mon avis ne se trouve pas du coté électronique, mais plutôt entre le transducteur et le pneu.

[Koranten]

Oui Polo je me rends bien compte que ça risque d'être balèze et que le scanner risque de pas voir grand chose. Genre perdu dans la nuit et le brouillard ^^

Comment focaliser le faisceau ultrason? Parce que c'est clair que, contrairement à un laser, ce n'est pas franchement unididirectionnel... et ça pose problème.

Bon, j'ai réussi à faire mon filtre passe-bande. Mais quand j'essaie de dépolluer un signal caché dans un bruit aléatoire, c'est quand même pas grandiose. Si je faisais une corrélation plutôt?

En tous les cas, il faut d'abord que j'arrive à communiquer avec mon oscillo ><

[F4DXU]

Bonjour à tous et la liste,

Post #6 :

"Réjection de mode commun" ?

Vu le schéma il n'y aura pas de réjection du mode commun sur les entrées car le câblage des capteurs sur les entrées des AOP n'est pas en mode différentiel. La seule réjection du mode commun se fera sur l'ondulation des alimentations qui elles sont symétriques. La réjection du mode commun permet d'éliminer les parasites qui eux se propagent en mode commun.

Post #7 :

La longueur d'onde dans l'air (340m/s) à 40kHz est de 8.5mm, ce qui est beaucoup à mon avis.

Cela signifie que que la résolution de l'objet sera limité à 8.5mm.

[F4DXU]

L'idéal serait de pouvoir diminuer fortement le diamètre du faisceau et de le rendre parallèle. Cela ce fait dans une matière appropriée taillée de manière appropriée (optique pour les ultrasons), les capteurs dont tu disposent ne seront, eux, pas appropriés. Il y a peut être une piste, l'interférométrie qui te permettra d'augmenter considérablement la résolution mais c'est complexe à mettre en oeuvre.
Pour faire simple, il faut éclairer l'objet avec une source et le regarder avec 2 yeux.

[polo974]

Bon, pour régler tes problèmes de directivité, je propose une solution originale:
utiliser un jet d'eau qui fera guide d'onde entre le transducteur et le pneu (qui ne devrait pas trop craindre l'eau...).
De plus le son se déplace à 1400m/s dans l'eau (environ et de mémoire...), soit 4 fois plus vite que dans l'air. D'où un gain en résolution.

Sinon, pour focaliser:
ellipsoïde (d'un foyer à l'autre) (proto ou moule en plâtre)
2 "miroirs" cylindro-elliptiques (surfaces développables (tôle)) à suivre (un focalise en x, l'autre en y)

Par contre, au risque de dire des c...eries, si on utilise le signal échantillonné à disons 10 fois la fréquence, on peut obtenir une résolution 10 fois meilleure à condition de traiter le train d'onde 40kHz (et pas n'importe lequel...) et non seulement son enveloppe.

Peux-tu préciser ta résolution souhaitée dans les 3 axes (distance, sens de déplacement, latéral) et sur quelle profondeur de mesure.

Pour réduire le bruit, sommer (de façon synchrone of course) une série de n mesures.

[Koranten]

Merci pour ces détails et votre implication. En fait, je suis dans une petite entreprise de R&D en acoustique. On me demande de concevoir un radar ultra sons. Le cahier des charges n'est pas hyper précis puisque c'est justement de la recherche. A moi de trouver des applications et d'adapter le système dans ce sens. Le scan de pneu n'est qu'une application possible parmi d'autres. Je vais bien devoir me spécialiser à un moment ou à un autre et je pense bien que ce sera sur le scan de pneu mais, dans l'absolu et pour l'instant, le scan est encore généraliste, donc je ne sais pas encore trop. Le guide d'onde à eau est par exemple une belle idée, mais je n'en suis pas encore là! Je voudrai d'abord me familiariser avec le tout. La partie mécanique (balayage transversal) s'annonce un peu galère. Et j'aimerai vraiment focaliser mon faisceau. Je me demande s'il existe des émetteurs déjà spécialement focalisés?
Merci encore!

[F4DXU]

Par contre, au risque de dire des c...eries, si on utilise le signal échantillonné à disons 10 fois la fréquence, on peut obtenir une résolution 10 fois meilleure à condition de traiter le train d'onde 40kHz (et pas n'importe lequel...) et non seulement son enveloppe.

Bonjour polo974,
Le sur-échantillonnage évite le repliement de spectre, augmente la précision de la valeur mesurée issue du capteur, mais c'est le capteur qui bride la résolution par sa propre résolution fréquentielle et par son angle d'ouverture.

[m'enfin]

Merci pour ces détails et votre implication. En fait, je suis dans une petite entreprise de R&D en acoustique. On me demande de concevoir un radar ultra sons. Le cahier des charges n'est pas hyper précis puisque c'est justement de la recherche. A moi de trouver des applications et d'adapter le système dans ce sens. Le scan de pneu n'est qu'une application possible parmi d'autres. Je vais bien devoir me spécialiser à un moment ou à un autre et je pense bien que ce sera sur le scan de pneu mais, dans l'absolu et pour l'instant, le scan est encore généraliste, donc je ne sais pas encore trop. Le guide d'onde à eau est par exemple une belle idée, mais je n'en suis pas encore là! Je voudrai d'abord me familiariser avec le tout. La partie mécanique (balayage transversal) s'annonce un peu galère. Et j'aimerai vraiment focaliser mon faisceau. Je me demande s'il existe des émetteurs déjà spécialement focalisés?
Merci encore!

Puisque tu es en R&D et que le cahier des charges est assez flou, tu disposes donc d'un certain degré de liberté, cherche le transducteur le plus performant pour ce type d'application et vois quelles sont les limites qu'il impose. N'ayant jamais bossé dans les US, je ne peux guère t'orienter (par contre, si tu pousses les US jusqu'au GHz).

[Koranten]

Rebonjour,

Désolé pour la longue pause mais on a eu des problèmes de matos au labo, et c'est pas fini

Bon, sinon, j'ai réussi à faire un filtre passe bande en logiciel via Matlab, mais on me demande d'en faire un MATERIEL. On m'a filé un tas de résistance et de condensateurs... Je me souviens plus trop comment on fait.

Un passe haut combiné à un passe bas pour faire un passe bande, mais les calculs... Je me souviens plus trop de la procédure. C'est bien les études d'ingé généraliste, on a tout vu ou presque, mais on se souvient de rien car on est jamais allé dans les détails...

Une résistance en parallèle d'un condo pour chaque filtre, si je me souviens bien...

Ah oui, sinon on est passé en 200 kHz, avec des capteurs beaucoup plus directionnels. C'est cool. Mais en réception, ça marche trèèèèès mal

Merci à tous!

[obi76]

Bah dis, à bac +4 c'est quand même un minimum (généraliste ou pas) de savoir faire un passe bande avec des condos et des résistances...

va voir sur google ^^

[obi76]

(ha oui precision, mais au pire si on t'en a pas donné tu peux en faire une vite fait, il te faut une bobine ça sera plus simple )

sinon si tu n'a vraiment QUE des résistances et condo, au lieu de faire un rlc regarde là : http://www.univ-lemans.fr/enseigneme...ec/filtres.pdf

Ya une résistance et un condo de plus

[Koranten]

Merci. J'ai déjà bricolé un RC passe haut. Je regarde ce que ça donne.

[Koranten]

Impossible de faire communiquer mon PC avec l'oscillo (un Lecroy). Quelqu'un sait utiliser la "Instrument Control Toolbox" de Simulink?

[obi76]

sous windaube ?

[Koranten]

Oui, et pas n'importe lequel: Windaube Tourista.
Mais bon, j'ai un 2nd PC sous XP, si il faut

[obi76]

Sous nux j'aurai pu t'aider, dsl. M'étonne que dans un labo ils utilisent encore cet OS, en général ils prennent linux quand même, ça a l'avantage de pas avoir ce genre d'inconvénients

[Koranten]

Ok merci quand même.

Si je mets en série un passe-bas et un passe-haut, j'obtiens bien un passe-bande (ou un coupe-bande, c'est selon)?

L'ordre a une importance?

[Koranten]

Et puis je n'ai que des résistances ou condensateurs. J'utilise des filtres très simples, donc pas très sélectifs.

Si je veux juste laisser passer 200 kHz avec un passe-haut et un passe-bas (RC), quelles fréquences me conseilleriez-vous?

[annjy]

Bonsoir,

Juste un lien qui me parait intéressant sur le filtrage analogique...
http://sylvain.larribe.free.fr/CNAM/...5_Filtrage.pdf

Bon courage

JY