Brevet FR2674346A1 — publié le 19920925

PROCEDE DE SOUSTRACTION DE BRUIT POUR VéHICULE SOUS-MMLIN La présente invention se rapporte aux procédés qui permettent de soustraire le bruit propre aux véhicules sous-marins dans les systèmes de réception acoustiques équipant ces véhicules, afin d'éviter de noyer les signaux acoustiques reçus par les bruits propres générés par le véhicule. A l'heure actuelle, la plupart des torpilles comprennent un autodirecteur comportant un sonar muni d'une antenne acoustique formée de transducteurs destinés à recevoir les bruits se propageant dans le milieu sous-marin. Lorsque le sonar fonctionne en mode passif, il détecte le bruit rayonné par la cible vers laquelle se dirige la torpille, et lorsqu'il fonctionne en mode actif il détecte les échos des impulsions émises par lui-même vers la cible. Les bruits utiles provenant de la cible sont mélangés à des bruits d'origines diverses provenant tant du milieu sous-marin que de la torpille elle-même. En effet celle-ci rayonne dans l'eau des bruits propres provenant en grande partie des moteurs et de divers équipements électroniques de puissance qu'elle contient. Le niveau de ces bruits est tel qu'ils gênent considérablement le fonctionnement du sonar. En ce qui concerne les vibrations transmises directement par la structure de la torpille aux transducteurs du sonar, la demanderesse a décrit dans le brevet français n0 74 37073 un procédé permettant de découpler les transducteurs par rapport à la structure de la torpille pour éviter le bruit dû à la transmission directe de ces vibrations. En ce qui concerne par contre la transmission indirecte des vibrations par l'intermédiaire du bruit rayonné dans l'eau, on ne sait pas actuellement empêcher celle-ci. On connait enfin du brevet français 82 15279 un dispositif de soustraction de bruit permettant en principe de créer une zone de silence dans un espace déterminé en utilisant un seul capteur de bruit, microphone ou accéléromètre. On pourrait songer à utiliser un tel dispositif pour éliminer les bruits parasites qui perturbent l'écoute d'un sonar passif monté sur un véhicule sous-marin. Toutefois lorsqu'il y a plusieurs sources de bruits, particulièrement si elles ne sont pas independantes, ce dispositif fonctionne relativement mal. C'est justement le cas dans les torpilles où le bruit propre provient de plusieurs sources de bruits. Pour améliorer cette situation l'invention propose un procédé de soustraction de bruits pour véhicule sous-marin, principalement caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes - numérisation d'un signal de réception bruité et d'au moins un signal de bruit propre - transformation de Fourier des signaux ainsi numérisés pour obtenir deux spectres de raies - séparation des raies ainsi obtenues - intercorrélation entre les raies respectives de ces deux spectres et soustraction de chaque produit d'intercorrélation à la raie du signal bruité qui a servi à l'inter corrélation - réunion des raies résultat de cette soustraction ; et - transformation de Fourier inverse sur les raies ainsi réunies pour obtenir un signal numérique débarrassé d'au moins une partie de son bruit ce signal pouvant être éventuellement retransformé en analogique (204). D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, présentée à titre d'exemple non limitatif au regard des figures annexées, qui représentent - la figure 1, le schéma partiel des organes d'une torpille - la figure 2, le schéma d'un dispositif de soustraction de bruit - la figure 3, le schéma de l'organe 201 de la figure 2 - la figure 4, le schéma d'un dispositif d'orthogonalisation de plusieurs références de bruits - les figures 5 et 6, les schémas des organes A.N.S. et C.F. de la figure 4 ; et - la figure 7, le schéma d'un organe tel que l'organe 201, adapté au cas de plusieurs sources de bruit. On a représenté sur la figure i, le schéma partiel d'une torpille. Cette torpille est propulsée par une hélice 101 entraînée par un moteur 102 alimenté par des batteries 103. Le moteur 102 entraîne également une génératrice 104 qui sert de source d'énergie à 400 hz pour les autres organes de la torpille. Cette source alimente une base acoustique formée d'un autodirecteur 105 muni d'une antenne sonar 106. Les signaux de commande de direction délivrés par l'autodirecteur sont appliqués à des servocommandes 107 qui permettent d'actionner les organes de direction de la torpille. Ces servocommandes sont également alimentées par la génératrice 104. Les sources de bruit propres à la torpille proviennent essentiellement des moteurs 102 et de la génératrice 104, ainsi que des vibrations dues à l'excitation de certaines pièces par les champs magnétiques à 400 Hz provoqués par les courants relativement intenses qui se propagent dans les connexions d'alimentation provenant de la génératrice 104. Selon l'invention, on utilise comme capteurs de bruit des moyens de mesures des courants circulant l'un sur le câble d'alimentation du moteur 102 et l'autre sur le câble de sortie de la génératrice 104. Ces moyens de mesures sont par exemple des transformateurs de courant semblables aux pinces ampèremétriques utilisées en électrotechnique. Ces capteurs peuvent être complétés par d'autres capteurs, tels que des micros ou des accéléromètres situés à des endroits particuliers de la torpille où les perturbations mécaniques sont les plus importantes. Les signaux de ces autres capteurs permettent d'améliorer le résultat final, à condition que la corrélation avec le bruit présent dans le signal capté par les hydrophones du sonar soit suffisamment importante. En effet, dans le cas contraire le traitement amène une perturbation plus importante que l'amélioration qu'il est sensé provoquer. Les inventeurs ont constaté au cours de leurs expérimentations que, contrairement à l'opinion courante, l'effet des capteurs mécaniques était relativement faible et que l'essentiel de l'amélioration, tout au moins dans la bande passante utile pour les torpilles, provenait des capteurs ampèremétriques . Pour faciliter la compréhension des choses, on a représenté sur la figure 2 le schéma synoptique du traitement des signaux dans le cas où l'on nta qu'un seul capteur de bruit propre délivrant un signal B (t) à soustraire du signal de réception bruité S(t) du sonar. Ces signaux sont numérisés respectivement dans des convertisseurs analogiques-numériques 211 et 221, puis soumis à une transformation de Fourier dans des circuits 212 et 222 appliquant par exemple l'algorithme dit FFT. La longueur du signal ainsi transformé et le nombre de points de la transformée de Fourier sont adaptés au spectre utile, qui est déterminé par les caractéristiques de réception du sonar. Les raies spectrales obtenues, fg à fnJ pour S (t) et B (t) sont séparées dans deux dispositifs 213 et 223 qui peuvent être de simples registres série/parallèle. Chaque raie spectrale est alors corrélée et soustraite avec la raie spectrale correspondante de l'autre signal dans un ensemble de cellules élémentaires de corrélation telles que 201. On obtient en sortie de ces corrélateurs les raies spectrales fg à du signal utile St(f) débarrassées en principe de la composante de bruit propre provenant de la torpille. Bien entendu il ne s'agit que #d'une approximation. Ces raies spectrales sont recomposées dans un dispositif 202, par exemple du type parallèle/série, puis soumises à une transformation de Fourier inverse en 203 et enfin finalement converties en analogique dans un convertisseur numérique analogique 204 pour obtenir le signal St(t) analogique débarrassé de la composante de bruit correspondant à B (t) . On pourrait le cas échéant utiliser directement le signal numérique . Chaque cellule élémentaire de corrélation fonctionne de la manière représentée sur la figure 3. Pour une raie spectrale d'indice i, on dispose en sortie du module 213 de la figure 2 d'un signal S (fi) qui représente l'amplitude de la raie spectrale. On a ici limité l'explication à l'amplitude mais on peut, de manière connue, travailler également en amplitude et en phase ou en composantes réelle et imaginaire. De même on dispose en sortie du module 223 de la figure 2 d'un signal B (fi) qui représente l'amplitude de la raie spectrale d'indice i dans le signal B(t). Un circuit 301 permet d'obtenir l'amplitude de l'interspectre en retardant l'un des deux signaux d'une durée égale à la durée de l'échantillon soumis à la transformée de Fourier et en multipliant ce signal retardé par l'autre signal non retardé. Le produit de corrélation est alors obtenu par intégration dans un circuit 302 sur cette même durée. La composante spectrale de bruit est de son côté normalisée par rapport à une valeur déterminée dans un circuit 303' puis intégrée dans un circuit 304. On divise dans un circuit 305 le signal sortant de l'intégrateur 302 par celui sortant de l'intégrateur 304, pour obtenir le rapport de corrélation de S (fi) avec B (fi) . B (fi) est ensuite multiplié dans un multiplicateur 306 par ce rapport et appliqué à un soustracteur 308 par l'intermédiaire d'une porte 307. Cette porte 307 est ouverte par un signal provenant du diviseur 305, qui autorise le passage du signal provenant du multiplicateur 306 si le rapport de corrélation est supérieur à seuil fixé et interdit ce passage dans le cas contraire. Le soustracteur 308 permet de soustraire B (fi) de S (fi) pour obtenir le signal St (fi) corrigé au moins partiellement par rapport au signal bruité initial. Pour cette soustraction, B(fi) a été ramené à un niveau correct par rapport à son influence dans S (fi) par le multiplicateur 306 lui-même commandé par les circuits précédents qui déterminent ce pourcentage (qui représente l'indice d'autocorrélation). Lorsque l'on dispose de plusieurs références de bruits propres, on est amené à faire plusieurs fois le traitement pour soustraire chacune de ces références au signal bruité. Pour améliorer le résultat, compte tenu de ce que ces références sont corrélées entre elles, puisqu'un microphone placé près d'une source de bruit récolte bien entendu des signaux provenant des autres sources de bruit, il est utile pour améliorer le résultat de procéder à une dé corrélation de ces signaux de bruit seuls. Ces références de bruit sont, pour une même raie spectrale d'indice i, N signaux B1(fi) à BN(fi). Pour séparer l'influence de ces bruits on procède à un traitement connu sous le nom d'orthogonalisation de Schmit, dont le schéma synoptique est représenté sur la figure 4. Les voies sont classées arbitrairement en principe, mais dans la pratique on s'arrange pour commencer par la voie la plus importante. Celle-ci est la moins perturbée par les autres, ce qui est facile à repérer de manière empirique. Les autres voies sont ensuite classées selon ce même critère. La première voie B1 (fi) est traitée dans un dispositif dit autonormalisateur de spectre, en abrégé A. N. S. On obtient en sortie de ce premier A. N. S. un signal U1 (fi), qui est peu corrélé par rapport aux autres. La voie suivante B2 (fi) est d'abord appliquée à un dispositif 402, dit corrélofiltre, en abrégé C.F., qui reçoit également le signal de sortie du premier A. N. S. 401. Le signal de sortie de ce corrélofiltre est soustrait du signal B2 (fi) dans un soustracteur 403. Le résultat de cette soustraction est appliqué à un deuxième A. N. S. 404 qui délivre le signal de sortie décorrélé U2 (fi) correspondant à B2(fi). Les voies suivantes sont traitées de la même manière, c'est-à-dire que le signal d'entrée Bj (fi) est appliqué à un C. F. qui reçoit également B1 (fi) et dont le signal de sortie est soustrait à B. (fi). Dans une deuxième étape le signal obtenu de ce soustracteur est appliqué à un autre C. F. qui reçoit le signal Uj 1 (fi) et dont la sortie est soustraite au signal de sortie du précédent soustracteur. Ce processus est itéré de proche en proche en utilisant la sortie du soustracteur précédent pour la traiter dans un C.F. avec le signal U(fi) suivant et soustraire le résultat au signal de sortie du soustracteur précédent.Lorsque dans une dernière étape on a soustrait le signal précédent U (fi) dûment traité dans un C . F., on applique le signal de sortie du dernier soustracteur à un A.N.S. qui délivre le signal UJ(fi). Cette structure arborescente permet donc d'obtenir l'ensemble des signaux U1 (fi) à Un (fi) correspondant aux voies de bruits propres décorrélées entre elles. Exprimé d'une autre manière on obtient ainsi un ensemble de signaux de bruits propres orthogonaux entre eux. Le schéma d'un A.N.S. est donné sur la figure 5, en considérant un signal d'entrée E1 quelconque permettant d'obtenir un signal de sortie normé S1. Dans un premier circuit 501, on retarde le signal E1 d'une durée sensiblement égale à celle de l'échantillonnage de la transformée de Fourier et on multiplie ce signal retardé par le signal d'entrée non retardé. On obtient ainsi un interspectre 2 1912 qui donne une bonne estimation du carré de la densité spectrale. Ce traitement correspond en fait sensiblement à une autocorrélation . Un circuit 502 permet ensuite de normaliser la valeur de cette estimation en calculant la racine carrée de D 2 qui est donc sensiblement la densité spectrale. Un troisième circuit 503 permet lui de diviser le signal d'entrée E1 par l'estimation de la densité spectrale obtenue en sortie du circuit 502, afin d'obtenir le signal de sortie S1, qui est une valeur normalisée de E1. La figure 6 représente le schéma du corrélofiltre 402. On applique en entrée de ce corrélofiltre un signal Si, du type de celui obtenu par l'orthonormeur de spectre décrit ci-dessus, et un signal E2 du type du signal de spectre non normé correspondant à l'un des signaux B i de la figure 4. Un premier circuit 601 permet d'obtenir l'interspectre entre S1 et E2, c'est-à-dire la densité spectrale croisée correspondant au produit de la densité spectrale de E1 par la densité spectrale complexe conjuguée de E2. Ce circuit fonctionne sensiblement comme le circuit 501 de la figure 5, en réalisant le produit des deux signaux S1 et E2 au lieu du produit de Si avec lui-même retardé. est également appliqué à un filtre 602 dont la fonction de transfert complexe est égale à la densité spectrale croisée déterminée dans le circuit 601. La sortie de ce filtre est un signal S2. Il faut alors soustraire les bruits ainsi décorrélés au signal perturbé par le bruit pour réaliser la même fonction que le circuit 201 dans la figure 2, mais à partir du jeu de bruits décorrélés. Selon l'invention on utilise un ensemble de corrélofiltres tels que celui défini plus haut, dont on peut constater qu'il réalise exactement la fonction nécessaire à cette soustraction. Le schéma de la cellule 701, équivalente à la figure 201 de la figure 2 dans le cas étendu où l'on a en entrée N signaux de bruit décorrélés U1(fi) à UN(fi), est représenté sur la figure 7. Ce schéma comprend un ensemble de corrélofiltres 702 montés en cascade. On applique au premier corrélofiltre le signal S (fi) et le signal U1 (fi). On applique ensuite au deuxième corrélofiltre 703 le signal de sortie du premier corrélofiltre 702 et le signal U2 (fi), et ainsi de suite jusqu'au dernier corrélofiltre qui reçoit le signal de sortie de l'avant-dernier corrélofiltre et le signal UN (fi). Ce dernier corrélofiltre délivre alors le signal St (fi) qui est appliqué au circuit 202 destiné à alimenter le transformateur de Fourier inverse 203. On remarque que toutes ces opérations de corrélations, produits, filtrages este., qui peuvent paraître complexes et conduire à une multiplication de circuits compliqués, sont en fait très simples, puisqu'on agit sur des raies spectrales qui sont toutes représentées par un niveau déterminé ou éventuellement deux si on travaille en utilisant la phase. Chaque circuit est donc formé d'un circuit numérique très simple et il est tout à fait envisageable, si l'on dispose d'un système informatique fonctionnant à vitesse élevée et que les bruits en entrée sont dans une gamme de fréquence relativement faible, d'utiliser un multiplexage pour traiter toutes ces opérations les unes après les autres dans des circuits communs en n'ayant par exemple qu'un seul corrélofiltre pour un circuit tel que 701. REVENDICATIONS 1. Procédé de soustraction de bruits pour véhicule sous-marin, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes - numérisation d'un signal de réception bruité (211) et d'au moins un signal de bruit propre (221) - transformation de Fourier (212, 222) des signaux ainsi numérisés pour obtenir deux spectres de raies - séparation des raies (213, 223) ainsi obtenues - intercorrélation (201) entre les raies respectives de ces deux spectres et soustraction de chaque produit d'intercorrélation à la raie du signal bruité qui a servi à l'intercorrélation ; - réunion des raies résultat de cette soustraction (202) ; et - transformation de Fourier inverse (203) sur les raies ainsi réunies pour obtenir un signal numérique débarrassé d'au moins une partie de son bruit ; ce signal pouvant être éventuellement retransformé en analogique (204). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on soustrait (201) un ensemble de signaux de bruits propres. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on traite les signaux de bruits propres pour obtenir des signaux de bruits orthogonaux (401-404). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le traitement permettant d'obtenir l'orthogonalisation comprend les étapes suivantes - normalisation du spectre d'un signal (401) pour obtenir un premier signal orthonormé - corrélation et filtrage du premier signal orthonormé avec le deuxième signal de bruit (402), puis soustraction du signal ainsi corrélofiltré au deuxième signal de bruit (403), et normalisation (404) du signal obtenu par cette soustraction pour obtenir un deuxième signal de bruit normé ; et - itération de ce processus avec les signaux de bruits successifs suivants. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que pour normaliser un signal on procède aux opérations suivantes - formation de l'autospectre du signal (501) - extraction de la racine carrée de cet autospectre (502) ; et - division du signal à normaliser par la racine carrée ainsi obtenue (503). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que la corrélofiltration s'effectue de la manière suivante - formation de l'interspectre (601) entre un premier signal et un deuxième signal; et - filtrage du premier signal par un filtre dont la fonction de transfert complexe est égale à l'interspectre obtenu préalablement. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que I'intercorrélation et la soustraction entre les raies respectives des deux spectres (701) s'effectuent de la manière suivante - corrélofiltration du signal bruité avec le premier signal de bruit orthogonal (702) - corrélofiltration entre le résultat de la première corrélofiltrakion et le deuxième signal de bruit orthogonal (103) ; et - itération de ce processus avec les bruits orthogonaux successifs. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'on utilise comme signal de bruit propre un signal de mesure du courant d'alimentation du moteur (102) du véhicule sous-marin. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'on utilise en outre un signal de mesure du courant délivré par la génératrice (104) d'alimentation des organes de guidage et de commande du véhicule sous-marin (104).