Brevet FR2472192A1 — publié le 19810626

La présente invention se rapporte aux dispositifs de goniométrie acoustique utilisant des mesures de dé- phasage entre des signaux reçus par des capteurs d'une antenne acoustique, les signaux provenant de sources so- nores à localiser en direction. Chaque sourqe émet un signal sensiblement sinusoïdal à une certaine fréquence et le dispositif de goniométrie doit permettre de loca- liser des sources à des fréquences comprises dans une large bande de fréquence. Il est connu,notamment par le brevet français n0 1.605.544, de disposer des capteurs aux quatre coins d'un carré formant une base pour les mesures de loca- lisation dans une bande de fréquence. Les déphasages entre capteurs situés sur une même diagonale sont mesu- rés et les signaux de ces déphasages sont appliqués sur les plaques horizontales et verticales d'un oscillogra- phe fournissant la direction de localisation cherchée dans le plan formé par les capteurs. Compte tenu du bruit, pour une base de dimension donnée les fréquences auxquelles il est possible de travailler sont comprises entre deux fréquences fmin et fmax et l'on a généralement fmax /fminr 3. Si donc on veut localiser des sources pour des spectres plus larges il est nécessaire de multiplier le nombre de bases. La présente invention a l'avantage d'augmenter notablement la bande passante d'une base par rapport à l'art antérieur augmentant ainsi le domaine spectral de surveillance. Brièvement c'est un goniomètre acoustique,pour la détermination de la direction de sources sonores émettant des signaux sensiblement sinusoïdaux, compor- tant une antenne acoustique ayant au mioins une base, chacune des bases étant composée de capteurs disposés aux coins d'un carré,la détermination de la direction des sources étant obtenue par une chalne de traitement à partir de mesures des déphasages entre les capteurs caractérisé par le fait, que la chaîne de traitement reçoit les valeurs des déphasages obtenues par au moins deux phasemètres qui fournissent les déphasages entre les signaux de deux capteurs placés sur deux côtés ad- jacents d'un carré. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre illustrée par les figures qui représentent: - la figure 1, une base de goniomètre; - - la figure 2, le schéma d'un goniomètre suivant l'art antérieur; - la figure 3, le schéma d'un déphaseur apériodique avec les signaux correspondants; - la figure 4, le schéma d'un goniomètresuivant l'in- vention - les figures 5 et 6, les schémas d'un goniomètre,suivant des variantes de l'invention - la figure 7, le schéma d'un goniomètre avec micropro- cesseur suivant une autre variante de l'invention; - la figure 8, un schéma de disposition des capteurs pour deux bases,suivant l'invention. Le principe de fonctionnement d'un goniomètre, suivant l'art antérieur, est montré par la figure l.Une base est formée par les quatre capteurs A, B,C et D placés aux coins d'un carré. On considère une onde acous- tique incidente de direction de propagation A, de vecteur unitaire u et de fréquence f. De façon générale si l'on considère deux capteurs placés en des points P et Q (non représentés sur la figure), le déphasage cpp entre les signaux captés en P et en Q est donné par 27 f p (1) - YPQ - C o C est la vitesse des ondes. L'application de la relation (1) à des capteurs opposés sur les diagonales donne: 2AC f.d cosE AC -=C' et (2) BD =C2f d sine YBD =C' o d est la longueur des diagonales du carré ABCD et 0 est l'angle de la droite O avec l'axe Ox parallèle à At. L'angle O' est trouvé à partir des relations (2) par: tgO = YBD/'AC (2') Ces déphasages sont mesurés à partir des deux si- gnaux provenant des deux capteurs et la valeur d'angle fournie est nécessairement comprise entre -180 et +180 . Ces déphasages en valeurs absolues doivent donc être inférieurs à 1800 pour obtenir une mesure de la di- rection O sans ambiguité; en fait,en présence de bruit, pour ne pas dépasser 180 , il faut que ces déphasages en valeurs absolues soient inférieurs à une valeur max ' qui dépend du rapport signal sur bruit. Pour une distance d donnée, la fréquence maximum fmax admissible sur un max tel goniomètre est donnée d'après les relations (2) par: f= C max max'2fd Un tel goniomètre est également limité vers les basses fréquences par une fréquence minimum fmin* La valeur de f min dépend de la précision à obtenir pour l'angle O de la direction A,pour tout l'horizon et du rapport signal sur bruit qui limite la précision de la mesure du déphasage. On trouve- généralement que fmax /fMin est de l'ordre de 3. Un goniomètre suivant l'art antérieur, est montré schématiquement par la figure 2. Une antenne comprend deux bases composées chacune de quatre capteurs disposés aux coins d'un carré. La première base comprend les cap- teurs T1, T2, T3 et T4, la longueur de la diagonale du carré étant dl. La seconde base comprend lés capteurs T5, T6, T7 et T8 et la longueur de la diagonale du carré est d2. La première base fonctionne pour les fréquences situées entre f(l? et f(l) et la seconde base entre (2 e (2) min max (2) f1) f Min et -fmax. On prend généralement f Max =fOmin et dans ce cas on a d f(2) f(l) c2 max-= max 3 dl f(2) f(l) min min Si l'on prend d2/d1=3,deux bases permettent de sur- veiller dans une bande de fréquence, pour laquelle les fréquences extrêmes sont dans un rapport de 9. A chaque base sont associés des phasemètres fonc- tionnant dans la bande de fréquence de la base corres- pondante. C'est ainsi que les déphasages entre les si- gnaux reçus par les capteurs T1 et T3 sont mesurés par le phasemètre P et ceux des signaux reçus par les capteurs T2 et T4 par le phasemètre P24. Les signaux de ces déphasages sont obtenus sur les connexions 13 et 24. Sur toutes les figures de cette description on a numéroté les connexions et les déphaseurs par les numé- ros correspondants à ceux des capteurs. Un circuit diviseur D1 reçoit à ses entrées les signaux de déphasage 13 et 24 fournissant ainsi la valeur tgO1, e1 étant l'angle de la direction d'une onde incidente située dans la bande de fréquence de la première base. On a représenté symboliquement un cir- cuit 101 fournissant l'angle 01 à partir de la valeur tgO(1. Le circuit 101 reçoit également les valeurs des déphasages 13 et 24 pour lever les ambiguïtés sur 012 à partir des signes respectifs de sinO1 et cose1. De même pour la seconde base les déphaseurs P57 et P68 fournissent des signaux de déphasage, qu'i sont ap- - pliqués à un autre circuit de division D2 fournissant la valeur tgb 2 02 étant l'angle de la direction d'une onde incidente qui est située dans la bande passante de la seconde base. Un circuit 102 fournit cette valeur de 2. La figure 3a donne un exemple de réalisation d'un phasemètre apériodique Pi. Les signaux sinusoidaux à comparer l.i et 2.i sont appliqués respectivement à des circuits écrêteurs 7.i et 8.i, de sorties 3.i et 4.i. Ces signaux écrêtés sont appliqués à une bascule Fi et les impulsions produites en 5.i sont appliquées à un circuit intégrateur Ii qui fournit à sa sortie un signal Oi proportionnel à la différence de phase des signaux l.i et 2.i. Les signaux temporels et 3.i, 4.i, 5.i et i sont montrés par les figures 3a, 3b, 3c, 3d et 3e. Le signe de la phase ei est déterminé en plus par des circuits logiques à partir des signaux 3.i et 4.i par exemple (non représentés). Le goniomètre suivant l'invention utilise pour la détermination de la direction des ondes sonores, des bases comprenant également 4 capteurs disposés suivant un carré mais utilisant les déphasages de capteurs ad- jacents du carré. Ce dispositif permet d'élargir la bande de fréquence d'une base par rapport à l'art antérieur. La figure 4 donne un exemple de réalisation sui- vant l'invention. Une première base comprend les capteurs T21, T22, T23 et T24, la longueur de la diagonale étant d3. Une deuxième base comprend les capteurs T25, T26,T27 et T28 la longueur de la diagonale étant égale à d4. Avec les mêmes conventions de notation que précédemment. les phasemètr.es portent les numéros correspondants aux signaux et aux transducteurs. Les phasemètres P2123 et P2022 mesurent les dépha- sages entre les signaux reçus par les capteurs opposés îO par la diagonale de la première base. Les phasemètres P2021 et P2320 mesurent les déphasages entre les signaux reçus par les capteurs adjacents sur le carré,respecti- vement T20, T21 et T23, T20. A partir des signaux en 2021 et 2320 fournis par les phasemètres P2021 et P2320, il est possible de cal- culer l'angle d'inclinaison O de la droite A. En effet en se reportant à la figure 1 et à la relation (l) on trouve: 2 jr f A ?ILf d cos(o-.f) YAB =C - C 4 et AB u = (5) 20. YBC = C C J sin(-) on en déduit: e = + arc tg( BC) (5') 4 YAB Pour les mêmes raisons que précédemment les déphasages doivent être inférieurs à une valeur omax, si l'on utilise les déphasages entre capteurs adjacents, la fréquence maximum admissible f(c) est donnée par: max f(c)6) max 2d max - 2(6) alors que la fréquence maximum pour les déphasages entre capteurs en diagonale est donné par; f(d) =C max iïd max (7) Les relations (6) et (7) montrent que, en utili- sant la mesure de déphasages entre capteurs adjacents, la fréquence maximum est multipliée par r2, pour une même base. Pour garder aux fréquences basses de la bande la même précision de mesure sur la direction 0, les dépha- sages obtenus entre capteurs en diagonale sont utilisés, tant que ces déphasages peuvent être mesurés,c'est-à- dire tant qu'il restent inférieurs à la valeur emax* A la fréquence f(d>, les déphasages SAC et çBD max A B en valeurs absolues sont maximums et égaux à i max pour O= 0 et G=n/2 à w près. Pour ces directions les dépha- sages en valeur absolue entre les capteurs de deux côtés adjacents sont égaux à Max/2. Par conséquent les dépha- sages PAC et pBD ne dépasseront pas max, quelque soit la direction 9 et la fréquence f de l'onde incidente. lorsque les déphasages qui correspondent b deux côtés adjacents ne dépassent pas la valeur Max/2. En se reportant à la figure 4, le fonctionnement de la première base est le suivant: le circuit C31 compare en valeur absolue les déphasages 2021 et 2320 avec la va- leur V=Dmax/2 et fournit un signal de commutation en 9.4 à un circuit de commutation 8.4. Ce circuit de commuta- tion 8.4 reçoit les signaux 2021, 2123, 2022 et 2320. Si les deux déphasages 2021 et 2320 sont inférieurs à V, les déphasages 2123 et 2022 sont transmis au circuit de calcul de 10.4 qui fournit la valeur f93 de f suivant la relation (2'); en revanche si l'un des deux déphasages 2021 et 2320 est supérieur à V, les signaux en 2021 et 2320 sont transmis au circuit de calcul 10.4 qui four- nit la valeur 0 3 de E suivant la relation (5'). Le circuit 10.4 reçoit également le signal de commutation en 9.4. Là deuxième base fonctionne de façon analogue à la première par les phasemètres P2526, P2527 et P2426' Le circuit de comparaison C30 reçoit les valeurs des deux déphasages 2526 et 2627 et commande un circuit de com- mutation 8.5 en 9.5. Le circuit 8.5 reçoit les dépha- sages des capteurs en diagonale et des capteurs adja- cents comme pour la première base. Le circuit de calcul 10.5 analogue an circuit 10.4 fournit la-valeur 04 de O. La première base fonctionne entre des fréquences f(3) et f(3) et la deuxième base entre les fréquences min max (4) (4)- f() et f(4 et l'on prend généralement: min max f(4) - f(3) max min Avec le même rapport signal sur bruit que précé- demment on aura: f(3) /f(4) -: 2= 18 max min et d4/d3 = 3 x /v ce qui montre qu'avec deux bases le rapport des fré- quences extrêmes de la bande a doublé par rapport à l'art antérieur. Suivant une variante de l'invention seuls les déphasages entre capteurs adjacents sont mesurés. Avec les notations de la figure 1 et d'après la rela- tion (1) on a: 'AB +YBC ='AC et (8) AB -BC =DB Ces relations montrent que les déphasages entre capteurs en diagonale peuvent être.calculés directe- ment,à partir des deux déphasages entre capteurs adja- cents. Pour cette varianteles valeurs de déphasages cal- culées pour la diagonale d'après la relation (8) peu- vent dépasser 0max' les valeurs absolues de AB et BC restant inférieures à emax' Une réalisation est montrée par la figure 5 compre- nant les deux bases constituées par les capteurs T61, T62, T63, T64 et T65, T66, T67, T68. Les traitements des signaux pour les deux bases sont identiques. Pour la première base, on utilise les phasemètres P6162,P6263, P6364 et P6461 et pour la deuxième les phasemètres P6566, P6667' P6768 et P6865- En fait comme le montre la relation (8), les me- sures peuvent se faire pour une base avec un couple de phasemètres choisi parmi les 4 couples possibles. Sui- vant cette réalisation, cette redondance est utilisée en cas de panne d'un capteur. Les quatre paires de signaux qui correspondent, pour chaque base, aux quatre couples possibles de dé- phasages de deux côtés adjacents sont envoyés sur un ensemble 50 de quatre circuits de traitement 51. La figure 6 représente un exemple de réalisation d'un circuit de traitement 51 de deux signaux comme par exemple 6162-6263. Les signaux 6162 et 6263 sont appliqués à un cir- cuit d'addition 100 et à un circuit de soustraction 101. A la sortie du circuit 100 est obtenu le déphasage (1 entre les capteurs T61 et T63, et à la sortie du cir- cuit 101 le déphasage Y2 entre les capteurs T62 et T64. Les circuits 110, 111, 112 et 113 connectés à l'addi- tionneur 100 et au soustracteur 101 fournissent en sortie respectivement la valeur absolue et le signe de Y1 et Y2. Le signe est fourni sous forme d'un signal binaire égal à 0 ou 1. Les valeurs absolues lpll etl 21 sont envoyées d'une part à un comparateur 120 qui donne en sortie un signal binaire égal à 0 ou 1 suivant le résultat de la comparaison, et d'autre part à un cir- cuit 130 qui reçoit le signal binaire issu du compara- teur. Le circuit 130 calcule un angle a tel que o=arc tgR avec R:l11/2 si I(p11 l'opération G=pa+q o p= l et q est un nombre entier. les valeurs de p et q sont envoyées au circuit 150 par l'intermédiaire d'une mémoire adressable 140 qui reçoit les trois signaux binaires représentatifs des deux signes et du résultat de la comparaison entre I ip et 1 P21. Notons que, pour trois signaux binaires identiques,-les valeurs de p et de q chois'ies différent d'un circuit 51 à un autre. Si aucun capteur n.'est en panne, on obtient en sortie des circuits 51 quatre valeurs 05 et 06 de l'an- gle 0, qui correspondent respectivement aux deux direc- tions d'une onde incidente reçue dans la bande de fré- quences de la première base et de la deuxième base. Si un capteur d'une base est en panne, la valeur de la di- rection, 05 ou 06, est obtenue en sortie du circuit 51 qui reçoit les signaux des phasemètres mesurant les dé- phasages entre les trois capteurs de la base restant en fonction. La figure 7 montre une variante de l'invention du traitement des signaux pour une base composée des cap- teurs T71, T72, T73 et T74. Les signaux de déphasage entre les capteurs adjacents sont obtenus par les phase- mètres P7172 ' P7273' P7374 et P7471 en 7172, 7273, 7374 et 7471. Ces signaux sont appliqués à un microprocesseur qui fournit sur sa sortie 80 l'angle 0 de l'onde incidente. Le microprocesseur exécute les différentes opéra- tions qui étaient effectuées précédemment par chaque circuit 51 pour obtenir un angle O à partir de deux va- leurs de déphasages. Pour cela le microprocesseur com- porte une mémoire programmée contenant le programme de calcul de O avec les étapes de calcul qui correspondent aux différentes fonctions du circuit 51. De plus, suivant l'invention, les signaux 71, 72, 73 et 74 provenant des capteurs de la base sont envoyés dans un ensemble de circuits 90 qui fournit au micro-. processeur six signaux binaires Q1, Q22 Q3, Q4, Q5 et Q6 formant un numéro. Ce numéro est testé pour aboutir au choix du couple de valeurs de déphasages correspon- dant aux trois capteurs dont les signaux sont relati- vement les moins différents en amplitude; en particu- lier ces signaux binaires permettent de déterminer si un capteur est en panne ou inutilisable par suite de sa trop faible amplitude. Dans l'ensemble 90 les signaux en 71, 72, 73 et 74 des quatre capteurs sont appliqués à des circuits de détection et d'intégration 61, 62, 63 et 64 qui four- nissent à leurs sorties des signaux respectivement égaux à a,b,c et d. Un circuit de calcul 60 fournit les signaux ab, ac, bc, bd et cd égaux aux valeurs absolues de log(a/b), log(a/c), log(a/d), log(b/c), log(b/d) et log(c/d). Les comparateurs C1, C2, C3, C4, C5 et C6 fournis- sent les signaux binaires Q1, Q21 Q3, Q4, Q5 et Q6. Ces signaux binaires sont égaux à 1 si le signal appli- qué aux comparateurs C1, C2, C3, C4, C5 et C6 dépasse une valeur de seuil prédéterminée. Les signaux binaires Q1, Q2, Q3' Q4, Q5 et Q6 sont appliqués au microprocesseur 70. Ces signaux forment une adresse qui commande le choix du couple de valeurs de déphasages, s'il n'y a pas au moins deux capteurs inutilisables. Avec l'exemple de la figure 7 si l'on a Q = l'-Q2 = 1, Q3 = 1, Q4 = J, Q5= 0, Q6 = 0 ' le capteur T71 est en panne, et l'adresse 111000 com- mandera l'utilisation des signaux 7273 et 7374. Si deux capteurs sont en panne au moins, quatre des signaux binaires seront nuls et le signal 81 sera gé- néré indiquant l'impossibilité de la mesure de 0. Un autre moyen de détection d'un capteur ou d'un phasemètre en panne est utilisé, qui consiste à ajou- ter algébriquement les déphasages en 7172, 7273, 7374, et 7471. Cette somme étant nulle dans le cas o aucun capteur n'est en panne, elle est comparée à une valeur prédéterminée voisine de.zéro.-Si la somme obtenue est inférieure à cette valeur un signal 82 est généré indi- quant qu'il y a un défaut au niveau des capteurs ou des phasemètres. Suivant une variante de réalisation les signaux 71, 72, 73 et 74 provenant des capteurs sont envoyés sur le microprocesseur qui met en oeuvre un programme de calcul préalablement enregistré dans une mémoire programmable, ce programme effectuant les opérations mises en oeuvre par les circuits de l'ensemble 90. La figure 8 montre une variante de l'invention-pour laquelle l'antenne est formée de deux bases qui ont en commun un capteur. La première base se compose des capteurs T81, T82, T83 et T84 et la seconde base des capteurs T85, T82, T86 et T87. Le capteur T82 est donc commun aux deux bases. Le fonctionnement du goniomètre est analogue à celui des figures 4 et 5 sauf qu'un capteur est commun aux deux bases. REVENDICATIONS 1 - Goniomètre acoustique,pour la détermination de la direction de sources sonores émettant des signaux sensiblement sinusoïdaux, comportant une antenne acous- tique ayant au moins une., base, chacune des bases étant composée de capteurs disposés aux coins d'un carré,la détermination de la direction des sources étant obtenue par une chaîne de traitement à partir de mesures des déphasages entre les capteurs,caractérisé par le fait, que la chaîne de traitement reçoit les valeurs des déphasages obtenues par au moins deux phasemètres qui fournissent les déphasages entre les signaux de deux capteurs placés sur deux côtés adjacents d'un carré. 2 - Goniomètre acoustique-suivant la revendication 1, caractérisé par le fait,qu'il comporte en outre pour chaque base deux phasemètres fournissant les déphasages entre les signaux reçus par les capteurs situés sur les deux diagonales du carré de cette base et que le dispo- sitif comporte également un circuit de comparaison rece- vant les valeurs de deux déphasages entre trois cap- teurs adjacents et la.valeur cmax/2,o Pmax est la va- leur maximum de déphasage admissible, compte tenu du rapport signal sur bruit et que le circuit de comparai- son délivre un signal de commande à un circuit de com- mutation,qui reçoit les deux signaux de déphasage entre capteurs adjacents et les deux signaux de déphasage entre capteurs opposés sur la diagonale et qu'un circuit de calcul de l'angle d'une onde incidente détectée O, reçoit deux signaux du circuit de commutation, ces deux signaux correspondant aux déphasages entre capteurs opposés par la diagonale,si Y entre capteurs adjacents si Y>ïPmax/2. 3 - Goniomètre suivant la revendication 1, caracté- risé par le fait que les deux signaux de déphasages entre capteurs adjacents sont additionnés et soustraits dans des circuits d'addition et de soustraction et que l'angle e est calculé par un circuit de calcul recevant les signaux des circuits d'addition et de soustraction. 4 - Goniomètre suivant la revendication 3, caracté- risé par le fait que la base ne comporte que 3 capteurs et que l'angle 0 est calculé à partir des déphasages entre capteurs adjacents. - Goniomètre suivant la revendication 3, caracté- risé par le fait que quatre phasemètres sont utilisés et que l'angle e est calculé par quatre circuits de traitement et qu'en cas de panne un seul est utilisé. 6 - Goniomètre suivant la revendication 3, caracté- risé par le fait que les signaux de déphasages obtenus pour les signaux de deux couples de capteurs ajacents sont appliqués à des circuits d'addition (100) et de soustraction (101) fournissant les valeurs absolues y1 et p2 et leurs signes sous forme binaire, que les va- leurs absolues Iq1l et Im2l sont comparées dans un com- parateur (120), qu'un circuit de calcul recevant le signal binaire et les valeurs de Ic1l et [c21 calcule un angle a tel que a=arc tg R avec R=[I1l/!y21 si IP1l l>21 et l'angle e est fourni par un circuit de calcule réalisant l'opération: =pa +q2 ou p= l+1 et q un nombre entier, les valeurs de p et de q étant fournis par une mémoire adressable (150) qui reçoit les signaux binaires des signes de y1 et de- Y2 ainsi que le signal de comparaison entre lcPl1 et 1P21 7 - Goniomètre suivant la revendication 3, carac- térisé par le fait que les signaux des capteurs sont appliqués d'une part à quatre phasemètres fournissant les déphasages entre capteurs adjacents et d'autre part à des circuits de détection et d'intégration fournis- sant des signaux a, b, c et d, qu'un circuit de calcul recevant les signaux a., b, c, et d calcule les quantités ae Ila|og c e 1g a log c 1, 1log bd et log d| et que toutes ces quantités sont comparées dans un circuit de comparaison à une valeur de seuil fournissant des signaux binaires Q1l Q21 Q3, Q4, Q5 et Q6,qui sont appliqués à un microprocesseur qui reçoit par ailleurs les quatre valeurs de. déphasages entre capteurs adja- cents et que le microprocesseur comporte une mémoire contenant le programme de calcul de l'angle e qui est mis en oeuvre avec un couple de valeurs de déphasages sélectionné par ces signaux binaires et que les si- gnaux binaires permettent de générer un signal indiquant que deux capteurs sont inutilisables. 8 - Goniomètre suivant la revendication 7, carac- térisé par le fait, qu'un circuit de calcul recevant les quatre déphasages fournis par les quatre phasemètres - fournit la somme algébrique de ces déphasages-et que la valeur de cette somme est comparée à une valeur deseuil le résultat de cette-comparaison servant à générer un signal indi- quant un défaut possible au niveau des capteurs ou des phasemètres. 9 - Goniomètre suivant la revendication 1, carac- térisé par le fait qu'il comporte deux bases pour deux bandes de fréquence et qu'un capteur est-commun aux deux bases.