Brevet FR2614427A1 — publié le 19881028

PROCEDE -DE LENERIE--SONO'RE-P-SSE La présente invention concerne les procédés de télémétrie -sonore passive dans lesquels on mesure la distance et le gisement d'une source de bruit sonore à l'aide d'au moins trois capteurs distincts en effectuant des traitements adéquats sur les signaux délivrés par ces capteurs en réponse aux bruits qu'ils reçoivent. Il est connu d'utiliser, comme représenté sur la figure 1, trois capteurs 1, 2 et 3 alignés distants de L. Une source de bruit S est située dans un gisement go repéré par rapport à la normale à l'alignement des 3 capteurs, et à une distance R0 du capteur central 2. La source rayonne un bruit se propageant sur un front d'onde quasiment circulaire. Le bruit rayonné parvient donc sur l'antenne à des instants qui sont différents. Ainsi dans le cas de la figure 1, le front d'onde arrive sur le capteur 1 en premier, puis sur le capteur 2 avec un retard At12, et enfin sur le capteur 3 avec un retard AT23 par rapport au capteur 2. Ces deux différences AT12 et AT23 de temps d'arrivée sur les récepteurs permettent d'obtenir la direction Qo et la distance R0 d'après les expressions suivantes obtenues en première approximation: Q0 = arcsin c(Ar12+AT23)) À 2L R0 = L2cos2Q0 (2) C(AT23-LT12) o c est la vitesse des ondes. Dans les systèmes de télémétrie passive existants, notamment ceux destinés à l'acoustique sous-marine, les trois capteurs constituent trois antennes avec lesquelles sont formées des voies directives de façon à améliorer la sensibilité. Dans un premier système, dit système A, pour chaque voie correspondant à une direction O, on effectue dans 2 circuits 10 et 11 la corrélation des signaux de voies des antennes 1 et 2 d'une part et 2, 3 d'autre part. Les positions des maxima des deux fonctions d'intercorrélation fournissent les mesures de AT12 et AT23. Un circuit de traitement 12 permet à partir de ces mesures de déterminer Q0 et Ro. Dans un deuxième système, dit B, on applique aux signaux des voies des 3 antennes des retards T j, T2, T3 correspondant à un point S de l'espace repéré en R et Q. Ceci revient à focaliser la mesure sur le point S. Les 3 signaux sont ensuite sommés, détectés et intégrés. On a ainsi à un instant donné une fonction V(Q,R) qui passe par'-un maximum pour les valeurs Q0,R0 correspondant à la position du bruiteur. Avec ce système, plus compliqué, on obtient de meilleures performances en détection. En limite de détection notamment ce système permettra de mesurer QO et Ro, alors qu'avec le système A la mesure sera impossible, le signal n'étant pas détecté. Le système B est d'une complexité supérieure au système A car il nécessite de retarder séparemment chaque signal pour obtenir chaque point de la fonction V (Q,R). Selon l'invention, on effectue une corré- lation des trois signaux comme dans le système A, puis on traite les signaux de corrélation obtenus pour obtenir, comme dans le système B, une fonction dont on détermine le maximum qui correspond aux valeurs 00, Ro- D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante présentée à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent: - la figure 1, le schéma d'un premier système de télémétrie connu; - la figure 2, le schéma d'un deuxième système de télémétrie connu; - la figure 3, des courbes explicatives; - la figure 4, le schéma d'un système de télémétrie selon l'invention. Dans le système représenté en figure 2, les signaux émis par une source de bruit S sont reçus sur les trois capteurs (ou sous-antennes) alignés 1, 2, 3 qui délivrent respectivement les signaux S1 (t), S2 (t), S3 (t). Comme représenté sur la figure 2, on retarde dans les circuits 21, 22, 23 les signaux Si(t) des retards 1 2, 2, T3 calculés pour un front d'onde circulaire. On additionne ensuite ces signaux dans le sommateur 24. Le signal obtenu est ensuite dé- tecté quadratiquement dans un détecteur 25, puis intégré dans un intégrateur 26 sur une durée T' pour fournir un signal V. Le capteur central 2 étant pris comme référence de temps, l'angle G correspond. à la direction de la source S, et R2 = R à sa distance. Le signal V est donc fonction de Q et de R. Les signaux Si(t) sont des signaux aléatoires à moyenne nulle. On suppose ici que les bruits Bi (t) sont de même niveau sur les trois capteurs. L'expression du signal de sortie V(Q,R) est donc: V(0,)= [S(t-f-)+S2(t-T2)+S3(t--X3)l dt (3) On rappelle la définition des produits d'intercor- rélation: C (T) 1JT X(t-T)X(t) dt 1CXX B(t-T)B(t) dt et CBB(T) = ' B(t-) B(t) dt Chaque signal Si(t) est composé d'une partie signal'' X(t+Ti) et d'une partie ''bruit'' ambiant parasite Bi (t), Ti étant le retard Ri effectif (xi= c-) des ondes accoustiques rayonnées par la source S vers le capteur i. L'expression du signal est: Si(t)=X(t+Ti)+Bi(t). Comme les capteurs 1, 2, 3 sont éloignés d'une distance L grande devant la longueur d'onde moyenne des signaux reçus, les bruits Bi(t) sont indépendants entre capteurs. De plus le signal X(t+Ti) est décorrélé des bruits Bi(t). Lorsque la durée d'intégration T' est grande devant l'inverse de la bande de fréquences, on obtient une expression équivalente de V (Q,R): V(Q,R) = 3(Cxx(0) + CBB(0)) + 2CXX(AT12 - At12) + 2Cxx(AT23 - AT23) + 2Cxx(A-T13 - AT13) (4) avec ATij = Ti - Tj et ATij = i - j En effet l'expression (3) se décompose en 6 termes; il y a 3 termes en Si2 et 3 termes en- SiSj. Les 3 termes en Si2 donnent le terme 3 (Cxx(O)+CBB(O)). Chaque terme en SiSj se décompose en 4 termes: Si(t-Ti)Sj(t-Tj)= X(t+Ti-Ti)X(t+ Tj-ij) + X(t+Ti-Ti)Bj(t) + X(t+Ti-Tj)Bi(t) + Bi(t)Bj(t) Compte tenu des enseignements précédents il reste: 1 (T' T, X(t+Ti-Ti)X(t+Tj-Tj)dt Jo Ce qui s'écrit aussi, par simple changement de l'origine des temps t: 1 0T X[t-(fi-Ti-Tj-fj)]X(t)dt =Cxx(A-Tij-àTij) =CXX -iArj Les différences entre les retards ATij s'écrivent: AT12 = T(Q) + D (Q,R) = T + D AT23 = T(Q) - D (Q,R) = T - D AT13 = 2T(Q) = 2 T En reportant ces différences dans.(4), on voit que les seuls termes qui dépendent de la distance sont: CXX(A-12 - AT12) et CXX(AT23 - AT23). Pour localiser la source de bruit S, il faut rechercher les valeurs de R et 0 qui maximisent la fonction (4). Pour chaque intercorrélation Cij(Cij) et d'après les enseignements précédents, il ne reste que le terme ''signal'' soit: (T' Cij(A-Tij)=', X(t+Ti-7i)X(t+Tj-Tj)dt qui est strictement égal à Cxx(ATij-ATij). On peut donc de façon équivalente rechercher le maximum de la fonction G(O,R) telle que: G(O,R) = C12(AT12)+C23(AT23) (5) Avec les notations définies précédemment, on a: G(Q,R) Ci2[T(Q)+D(QR)J+C23 T(Q)-D(QR)(6). qui est la somme des 2 fonctions C12 et C23 du système A. Les valeurs de 0 et de R qui maximisent la fonction (6) permettent de localiser la source de bruits. Le système selon l'invention permet d'obtenir les avantages de sensibilité du système B, dus à la focalisation des voies, sans avoir la complication et la durée de traitement liées au besoin de retarder par toute une série de valeurs les signaux reçus. Les moyens de corrélation qui sont utilisés sont analogues à ceux du système A. Les signaux d'entrée de ces corrélateurs sont des fonction du temps, et les signaux de sortie sont des fonctions des variables t1 = T + D et t2 = T - D qui ont toutes deux les dimensions d'un retard. Ces signaux de sortie sont représentés sur le diagramme supérieur de la figure 3. On y remarque que les courbes se croisent pour t1 = t2 = TO et présentent respectivement des maxima pour tl = TO + Do et t2 = To - Do. Dans un premier temps, on fixe une valeur partieulière T1, puis on somme point par point les deux courbes C12 (Tl+D) et C23 (T1-D) en faisant varier D. Ceci revient à sommer les deux fonctions de corrélation en prenant des points symétriques autour de l'axe d'abscisse T1. Chacune de ces paires de points correspond done à des abcisses TI+D1 et T1-D1. Ceci donne une courbe C. (t3) représentée sur le diagramme inférieur de la figure 3. En pratique pour construire C(t3) il suffit de à retourner la courbe C23 (t2) autour de l'axe d'abscisse T1 donnant C23(t3) et de sommer C23(t3) avec la courbe C12 (tl). Selon l'invention, cette courbe C(t3) présente un maximum C1 lorsque t3 prend une valeur D1 proche de Do. On itère le processus pour différentes valeurs de T1 fournissant une série de valeurs T1,Dl,Cl. Parmi l'ensemble des valeurs C1 on choisit celle qui est maximum soit CM. A cette valeur correspond naturellement la valeur maximale de la fonction G(Q,R), et les valeurs correspondantes de T et D sont done TO et D0 dont on déduit alors 0 0 et Ro Ainsi qu'on le voit sur la figure 3, ee maximum-maximorum correspond graphiquement à une superposition des courbes C12 et C23 lorsque cette dernière a.été retournée autour de l'axe d'abscisse T0.. Pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, on utilise par exemple un système tel que représenté sur la figure 4. Les signaux sonores arrivent sur les transducteurs 1 à 3 qui délivrent des signaux électriques appliqués aux corrélateurs 10 et Il dans lesquels on effectue le traitement permettant d'obtenir les fonctions C12(t1) et C23(t2). Un circuit de contrôle 40 permet de sélectionner les valeurs successives de T1. Ce circuit de contrôle commande alors un circuit de calcul 41 qui permet d'obtenir la fonction C23 (t3). Un autre circuit de calcul 45 permet d'obtenir la fonction C12 (t3). Un additionneur 42 permet ensuite de sommer C12 (t3) et C23 (t3) pour obtenir C (t3). Un autre circuit de calcul 43 permet à partir. de C (t3) de déterminer la valeur maximale C1 et la valeur correspondante D1. Il mémorise ces deux valeurs en même temps que la valeur T1 correspondante qu'il recoit du circuit 40. Un dernier circuit de calcul 44 permet d'obtenir dans la mémoire du circuit 43 la valeur maximale CM des C1. Les valeurs To et Do correspondantes prises par T1 et D1 permettent de calculer Q0 et Ro. A titre de variante d'exécution, on réalise toutes ces opérations avec un calculateur numérique convenablement programmé. On remarquera également que, si le point de croisement des courbes C12(t1) et C23(t2) ne permet pas d'obtenir directement TO avec une bonne précision, ce point donne un ordre de grandeur de To. On peut donc limiter la plage de recherche en prenant les premières valeurs de T1 dans la zone o se trouve manifestement To. Par ailleurs il n'est pas nécessaire que les trois capteurs soient équidistants d'une distance L. En effet si le capteur 1 par exemple est à une distance L1 du capteur 2, et celui-ci à une distance L2 du capteur 3, les fonctions C12 (tl) et C23(t2) présenteront des maxima situés respec- tivement en T10 + D10 et en T20 - D20. Compte tenu des relations entre T,D et R,Q, on passe de T1, D1 à T2,D2 par les relations homothétiques: T2 = L-2 T1 et D2 [L2D Le principe du traitement des signaux exposé plus haut ne change pas, mais il faut prendre en compte ces rapports d'homothétie. Pour cela il y a lieu de partir non plus d'une valeur unique d'abscisse T1, mais de deux valeurs T11 et T12 telles que T12 =k T1- On somme alors les valeurs de C12 (tl) et de C23 (t2) obtenues respectivement pour les séries de valeurs Tl1 + D1 et T12-D2, (avec D2 [ L:1 2D1 afin d'obtenir la courbe C (t3). L'homothétie étant prise dans ce sens on obtient donc le maximum Cm pour la valeur D11. On pourrait bien entendu prendre l'homothétie dans l'autre sens pour obtenir la valeur D12, mais ceci ne changerait rien au résultat. L'itération de ce processus conduit là aussi à obtenir le maximum maximorum CM pour T10 et D10 REVENDICATIONS 1. Procédé de télémétrie sonore passive dans lequel on reçoit des signaux sonores provenant d'au moins une source (S) sur au moins trois capteurs (1, 2, 3), on effectue au moins deux corrélations (10, 11) entre les signaux électriques émis par ces capteurs en.réponse aux signaux sonores reçus, l'une de ces corrélations ayant lieu entre le capteur central et l'un des capteurs extérieurs et délivrant un premier signal C12 (t1) de corrélation fonction d'un paramètre t1 et l'autre corrélation ayant lieu entre le capteur central et l'autre capteur extérieur et délivrant un deuxième signal C23 (t2) de corrélation fonction d'un paramètre t2, et on traite ces signaux de corrélation pour obtenir la direction g0 et la distance Ro de la source par rapport au capteur central, caractérisé en ce que l'on sélectionne une première valeur arbitraire T1 des paramètres tl et t2, que l'on somme point par point les deux signaux C12 (t1) et C23 (t2) en prenant des valeurs symétriques autour de la valeur T1, ces valeurs étant Tl+ D pour t1 et T1 -D pour t2, pour obtenir un troisième signal C (t3) fonction d'un paramètre t3, que l'on détermine le maximum C1 de ce troisième signal et la valeur D1 du paramètre t3 correspondant à ce maximum, que l'on itère ce processus pour une série de valeurs de T1, que l'on détermine le maximum maximorum CM que prend C1 pour cette série de valeurs et les valeurs To et Do de T1 et D1 correspondant à ce maximum maximorum, et que l'on détermine la direction et la distance de la somme avec les formules TO=4-sinO0 et DO=2 cos2Q0. =0 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise les signaux de trois capteurs (1, 2, 3) alignés équidistants d'une longueur L. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise les signaux d'un capteur central (2) et de deux capteurs extérieurs (1, 2) alignés sur une droite passant par le capteur central et distant de celui-ci respectivement d'une longueur L1 et d'une longueur L2, les valeurs de T et de D se dédoublant alors en paires de valeurs T1, T2 et D1, D2 réunies par les relations d'homothétie T2 =L2 T1 et D2=e' 2Dl --L/ D1-