Brevet FR2676545A1 — publié le 19921120

i Procédé pour détecter des sources en mouvement et estimer leur trajectoire. L'invention se rapporte à un procédé pour détecter des sources en mouvement et estimer leur trajectoire à l'aide d'un sonar passif. Une méthode classique consiste à traiter les signaux reçus sur les capteurs d'une antenne d'un sonar passif en quatre éta- pes comme le montre la figure 1. La première étape, 10, consiste à former des voies en azimut, de manière classique, et à Intégrer les signaux sur des temps courts, de l'ordre de quelques secondes, pour pouvoir négliger le mouvement des sources pendant cette durée. La deuxième étape, 11, consiste en une prédétection des sources, c'est-à-dire qu'à des Instants donnés appelés "récurren- ces", la détection des sources possibles est effectuée par compa- raison des signaux de voies à un seuil, et les azimuts de ces sources possibles sont estimés, comme étant la position des maxima des signaux de voie. La troisième étape, 12, est l'extraction des sources. Cette opération consiste à suivre temporellement la succession des azimuts des sources détectées aux différentes récurrences et à associer ces sources pour former des pistes Les sources qui ne peuvent pas être associées (dans le cas o elles s'écartent trop des autres) sont rejetées, ce qui permet une réduction du nombre de fausses alarmes. La quatrième étape 13, consiste à estimer la trajectoire des sources Cette opération consiste à estimer les paramètres cinématiques, que l'on notera par le vecteur d'état X, des sources à partir des mesures d'azimut fournies dans l'étape précédente Pour cela, en général, la source est supposée avoir un mouvement rectiligne uniforme et la dimension du vecteur d'état X est 4 Les paramètres cinématiques de la source sont l'abscisse x(t 0) et l'ordonnée y(t 0) de la source à l'ins- tant to de la première récurrence considérée ainsi que les vitesses v et v de la source dans les deux directions x et x y y L'estimation du maximum de vraisemblance de X qui corres- pond aux paramètres cinématiques optima, est effectuée par une méthode itérative en supposant que les mesures d'azimut An (tk) de la source N sont bruitées par des bruits gaus- siens non corrélés et d'écarts type E (tk) Le modèle choi- si considère que la position du porteur du sonar passif est connue à tout instant et que la source a un mouvement rectiligne uniforme A une valeur de X et à un instant donné tk, corres- pond donc une valeur d'azimut A(X, tk) donnée par le mo- -Ak dèle L'estimation X du maximum de vraisemblance de X est alors donnée par l'équation suivante: ( 1) X = Arg min Y lAn(tk)-A(>,tk) k I (tk) Cependant, dans cette méthode classique, les performances en détection sont dominées essentiellement par les performances de la prédétection L'extraction donne un résultat proche d'une intégration, mais il y a toujours une perte d'information due au seuil de prédétection En sortie d'extraction, il y a générale- ment des pistes coupées ou comprenant des fausses alarmes Par ailleurs, il y a aussi des pistes qui ne comportent que des fausses alarmes Tout ceci conduit à des résultats sur X biaisés et à grande variance En outre, les sources à faible rapport signal à bruit (par exemple inférieur à 3 d B) ne sont pas détectées. Il existe également des méthodes, dites "poursuite avant détection", cherchant à estimer la position de la source avant de décider ou non de sa présence Notamment, dans le domaine de l'imagerie, en utilisant un banc de filtres adaptés aux direc- tions possibles de la source; ou encore, dans le domaine du sonar passif, en intégrant les signaux de voie sur des droites azimut-temps ou suivant un trajet quelconque Les temps d'inté- gration restent relativement courts (quelques récurrences). Cependant ces méthodes sont lourdes en calculs notamment pour retrouver la trajectoire des sources. Pour détecter et estimer la trajectoire de sources en mouvement, l'invention a pour objet un procédé du type "pour- suite avant détection", dans lequel les problèmes d'estimation de la trajectoire et de la détection sont considérés de manière globale afin de traiter des signaux à plus faible rapport signal à bruit, de diminuer le nombre de fausses alarmes et d'éliminer la perte d'information due aux non détections. Selon l'invention, le procédé pour détecter des sources en mouvement et estimer leur trajectoire à l'aide d'un sonar passif disposé sur un porteur, ces sources étant situées dans une direc- tion quelconque d'un milieu environnant le sonar, est caractéri- sé en ce qu'il consiste: à former des voies en azimut et à capter, à des instants de récurrence tk et sur une durée prédéterminée T, des si- gnaux de voies V provenant de tous les azimuts du milieu envi- ronnant le sonar, à utiliser un modèle cinématique des sources pour choi- sir, par approximations successives, des paramètres caractéristi- ques X des sources qui maximisent une intégrale des signaux de voies V sur la durée prédéterminée T à laquelle est associée une variation d'azimut et un nombre N de récurrences, pour dé- terminer les paramètres caractéristiques optima, à décider de l'existence des sources par seuillage de l'intégrale des signaux de voies maximisée et correspondant aux paramètres caractéristiques choisis. D'autres particularités et avantages de l'invention appa- raîtront clairement dans la description suivante donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en regard des figures annexées qui représentent: La figure 1 précitée: les étapes de traitement des si- gnaux reçus selon l'art antérieur, la figure 2: les étapes du procédé selon l'invention, la figure 3: les différentes étapes du calcul du maximum de vraisemblance des paramètres cinématiques des sources dans le cas de plusieurs sources, selon l'invention, La figure 4: la variation du critère de détection de source dans le cas d'une manoeuvre de la source, selon l'inven- tion, la figure 5: une illustration de l'ambiguïté sur différen- tes trajectoires possibles d'une source dans le cas o le por- teur a une trajectoire rectiligne uniforme. La figure 2 représente des étapes du procédé, selon l'in- vention. Ce procédé comporte trois étapes de traitement des si- gnaux reçus sur les capteurs d'une antenne d'un sonar passif disposé sur un porteur pouvant être par exemple un bateau de surface ou un sous-marin. La première étape, 20, dite "formation de voies", con- siste à former des voies en azimut et à capter, à des instants de récurrence tk et sur une longue durée T d'observation, par exemple plusieurs minutes à plusieurs dizaines de minutes et pour un nombre de récurrences de l'ordre d'une ou plusieurs centaines, des signaux V(A,tk) provenant de tous les azimuts du milieu environnant le sonar. La deuxième étape, 21, consiste à estimer les trajectoires des sources possibles Pour cela, un modèle cinématique des sources est utilisé pour choisir, par approximations successi- ves, parmi tous les paramètres cinématiques X possibles, ceux qui maximisent une intégrale des signaux de voies sur une durée prédéterminée à laquelle est associée une variation d'azimut et un nombre N de récurrences L'estimation du maximum de vrai- semblance des paramètres cinématiques d'une source dans le cas théorique o cette source est unique, consiste donc à calculer ( 2) X = Arg maxl i V(A(X,tk),tk)Y Le modèle cinématique choisi suppose que la source est en mouvement rectiligne uniforme et que la position du porteur est connue à tout instant. Dans ces conditions, à une valeur des paramètres cinémati- ques X et à un instant tk de récurrence donnée, correspond un azimut A(X, tk) déterminé par le modèle cinématique. Pour cet azimut et à l'instant tkl correspond un signal de voie V(A(Xtk), tk) obtenu dans la première étape, 20. Le modèle cinématique donne la position de la source à tous les instants tk de récurrence ainsi que tous les azimuts correspondant à ces positions, tandis que la première étape, 20, donne tous les signaux de voies correspondant à tous les azimuts Il ne reste plus qu'à faire l'intégrale des signaux de voies sur la durée T d'observation et de rechercher, par une méthode itérative de type Gauss-Newton par exemple, les va- leurs des paramètres cinématiques qui maximisent la valeur de cette intégrale Un moyen d'initialiser la méthode itérative est par exemple, de chercher le maximum de l'intégrale des signaux de voies sur un maillage grossier en X. La troisième étape, 22, est une étape de détection Elle consiste à comparer la valeur maximale de l'intégrale des si- gnaux de voies précédemment obtenue dans la deuxième étape, à un seuil de détection S correspondant à une probabilité de fausse alarme L'équation du critère de détection est le suivant A A ( 3) Y(M = k V(A(Xtk), tk) > S Si la valeur maximale de l'intégrale est supérieure au seuil de détection S, on considère que la source correspondante existe Dans le cas contraire, on considère que c'est une fausse alarme; Ce procédé permet d'améliorer le rapport signal à bruit d'un rapport È; si N est le nombre de récurrences, car l'inté- gration des signaux de voies est effectuée sur N récurrences supposées indépendantes La portée de détection est donc amélio- rée d'un facteur N 1/4 dans le cas o la propagation des ondes acoustiques provenant des sources est de type sphérique De plus, il n'y a plus de perte d'informations due aux non détec- tions et les fausses alarmes sont réduites. La figure 3 représente les différentes étapes du calcul des paramètres caractéristiques optima dans le cas de plu- sieurs sources. Généralement, il y a plusieurs sources et il faut recher- cher les maxima locaux Pour détecter toutes les sources existan- tes, le procédé consiste alors à effectuer, dans une étape 30, un maillage des paramètres cinématiques X dans toutes les directions du milieu observé, le maillage étant effectué avec un pas déterminé dépendant de la résolution de l'antenne du sonar; à calculer, dans une étape 31, pour chaque point du maillage la valeur de l'intégrale des signaux de voies sur une durée déterminée T; à sélectionner dans une étape 32, des paramètres Xi du maillage pour lesquels la valeur de l'inté- grale des signaux de voies est la plus grande vis-à-vis des valeurs obtenues pour les paramètres X voisins dans le maillage; les paramètres Xi sélectionnés sont proches des maxima locaux; dans une étape 33, à estimer de manière précise les maxima locaux en recherchant, dans le voisinage de ces paramètres Xi, des paramètres cinématiques Xi qui maximisent l'intégrale des signaux de voles; ceci est effectué par une méthode itérative d'optimisation par exemple du type Gauss-Newton en initialisant cette méthode sur les paramètres Xi sélectionnés; à appliquer dans une étape 34, le cri- tère de détection Y(Xi) en seuillant la valeur maximale de l'intégrale des signaux de voies pour estimer si la source est présente fou si c'est une fausse alarme A ne garder que les paramètres Xi pour lesquels l'intégrale des signaux de voies est supérieure au seuil de détection. La figure 4 représente la variation du critère de détec- tion de source dans le cas d'une manoeuvre de la source Pour détecter des sources qui apparaissent en cours de traitement et détecter des manoeuvres ou des disparitions de source, le cri- tère de détection est calculé à des instants t espacés d'une durée T 2 plus petite que la durée totale T d'observation. Comme illustré sur la figure 4, pour une source donnée à évolution constante, le critère de détection Y(X) varie pres- que linéairement en fonction du temps Lorsque la source a ma- noeuvré, on observe un changement de pente dans la variation du critère de détection Y(X). Le calcul de Yt JX(t) l et de Yt+T 2 lX(t) l permet de comparer les pentes et de trouver la cassure c'est-à-dire l'ins- tant o la source a manoeuvré Le test de manoeuvre peut être par exemple le suivant: ( 4) (Yt+T 2-Yt) /T 2 seuil sur la variation de pente. La figure 5 est une Illustration de l'ambiguïté sur diffé- rentes trajectoires possibles d'une source dans le cas o le porteur du sonar passif a une trajectoire rectiligne uniforme. La trajectoire du porteur du sonar passif peut souvent être décomposée en "jambes" séparées par des manoeuvres Une jambe est définie comme étant une période de temps pendant laquelle le porteur du sonar a une trajectoire rectiligne uni- forme Pendant la durée d'une jambe, la trajectoire de la source n'est pas observable puisque seulement 3 paramètres peuvent la définir au lieu de 4 En effet, la variation d'azimut A observée pendant le temps d'intégration des signaux de voies conduit à une infinité de trajectoires TRA possibles qui sont homothétiques Il y a alors ambiguïté distance-vitesse Dans ces conditions, la trajectoire de la source est estimée partielle- ment en fixant l'un des quatre paramètres du vecteur d'état X à une valeur arbitraire et en estimant les trois autres Si la solution est cherchée pour une valeur différente de celle qui a été fixée, il suffit de faire une homothétie dans le repère relatif au porteur du sonar, comme c'est illustré par la figure 4. Pour chaque jambe, il est donc possible d'estimer trois paramètres du vecteur d'état X pour une valeur arbitraire du quatrième paramètre. Pour ce faire, le procédé d'estimation des paramètres cinématiques de la source décrit précédemment est utilisé pour chaque jambe en ramenant la dimension à trois paramètres au lieu de quatre Le temps de calcul nécessaire pour effectuer le maillage des paramètres cinématiques de la source est alors considérablement réduit Lorsque les estimations des trois paramètres ont été effectuées sur chaque jambe, il est ensuite possible d'en déduire une estimation complète des quatre paramè- tres cinématiques de la source (x(t 0); y(to); vx; vy), en utilisant une méthode connue permettant d'associer les estimations effectuées sur différentes jambes et qui correspon- dent à une même source, et de recombiner des estimations pour les différentes jambes pour obtenir une estimation complète des quatre paramètres cinématiques de la source A titre d'exemple, une méthode connue qui peut être utilisée pour obtenir une esti- mation complète des quatre paramètres de la source est décrite dans un article de JM PASSERIEUX, D PILLON, P. VERVEUR intitulé "Track to track association perfor- med on Mahalanobis distance in both observable and unobservable situations" et publié dans les Proceedings 1989 ASILOMAR Conférence on Signals, Systems and Compu- ters. Chaque source émettant des signaux acoustiques à une fréquence particulière, dans le cas o l'on souhaite réaliser une détection à bande étroite et rechercher la fréquence f émise par la source, les voies sont formées en azimut et en fréquence, les signaux de voles sont utilisés pour un azimut particulier et une fréquence particulière, et le vecteur d'état X comporte un paramètre supplémentaire qui est la fréquence f O émise par la source. Les paramètres de la source à déterminer sont alors l'abs- cisse x(t), l'ordonnée y(t), les vitesses v X et vy selon les directions x et y, et la fréquence f O Les signaux de voies V sont fonction de l'azimut, de la fréquence et du temps: V(A, f, t) Dans ces conditions, le modèle utilisé pour choisir les paramètres optimaux de la source permet de détermi- ner la variation de l'azimut de la source ainsi que la varia- tion, vue par le porteur du sonar, de la fréquence de la source. Cette variation de la fréquence est due à l'effet Doppler et dépend des paramètres cinématiques de la source et du porteur. Le procédé d'estimation des paramètres de la source et de détec- tion des sources est alors appliqué de la même manière que précé- demment en effectuant un maillage portant sur cinq paramètres au lieu de quatre L'optimisation des paramètres X par approxi- mations successives comporte le modèle représentatif de la varia- tion de fréquence due à l'effet Doppler L'équation permettant d'obtenir le maximum de vraisemblance d'une source est alors la suivante X = Arg maxl 1 V(A(Xt K)f(Xtk),tk)l La détection est ensuite effectuée par seuillage de cette inté- grale des signaux de voies L'utilisation de l'information don- née par la fréquence permet de pouvoir observer la source même en l'absence de manoeuvre. REVENDICATIONS 1 Procédé pour détecter des sources en mouvement et estimer leur trajectoire à l'aide d'un sonar passif disposé sur un porteur, ces sources étant situées dans une direction quelcon- que d'un milieu environnant le sonar, caractérisé en ce qu'il consiste: à former des voies en azimut et à capter, à des instants de récurrence tk et sur une durée prédéterminée T, des si- gnaux de voies V provenant de tous les azimuts du milieu envi- ronnant le sonar, à utiliser un modèle cinématique des sources pour choi- sir, par approximations successives, des paramètres caractéristi- ques, notés par un vecteur d'état X, des sources qui maximi- sent une intégrale des signaux de voies V sur la durée prédéter- minée T à laquelle est associée une variation d'azimut et un nombre N de récurrences, pour déterminer les paramètres carac- téristiques optima, à décider de l'existence des sources par seuillage de l'intégrale des signaux de voles maximisée et correspondant aux paramètres caractéristiques choisis. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les paramètres caractéristiques de la source sont des paramètres cinématiques de la source. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, une source émettant des signaux acoustiques à une fré- quence particulière, pour détecter la fréquence émise par la source, les voies sont formées en azimut et en fréquence, le modèle cinématique d'une source est complété par un modèle représentatif d'une variation, due à un effet Doppler, de la fréquence de la source vue par le porteur, les paramètres carac- téristiques de la source sont les paramètres cinématiques de la source complétés par la fréquence émise par la source. il 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le calcul des paramètres caractéristiques optima des sources consiste: à effectuer un maillage, suivant un pas déterminé, des paramètres caractéristiques X; à calculer pour chaque paramètre X du maillage, la valeur de l'intégrale des signaux de voies sur une durée déterminée T; à sélectionner des paramètres Xi du maillage pro- lo ches des maxima locaux; à initialiser une méthode itérative sur les paramètres Xi sélectionnés, pour estimer de manière précise les maxima locaux de l'intégrale des signaux de voies, à ne garder que des paramètres Xi pour lesquels l'inté- grale des signaux des voies est supérieure à un seuil de détec- tion prédéterminé Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les paramètres cinématiques des sources sont de dimension qua- tre pour déterminer, sans ambiguité, la trajectoire des sources. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que dans le cas o le mouvement du porteur du sonar se décompose en plusieurs trajectoires rectilignes uniformes, appelées jam- bes, la trajectoire d'une source est estimée partiellement en fixant l'un des quatre paramètres cinématiques de la source à une valeur arbitraire, en estimant les trois autres paramètres cinématiques de la source pour chaque jambe et en associant les estimations effectuées sur différentes jambes pour en déduire une estimation complète des quatre paramètres cinématiques de la source.