Brevet FR2731521A1 — publié le 19960913

La présente invention concerne un appareil personnel de goniométrie utilisable pour la détection d'un rayonnement électromagnétique, infrarouge ou ultrasonore émis à partir d'une source, en vue d'un repérage de la direction de cette source ou de la création d'un environnement sonore virtuel. La goniométrie permet le repérage de la direction d'une source de rayonnement. Les applications classiques sont la goniométrie manuelle et la goniométrie automatique. La goniométrie automatique est largement utilisée sur les installations fixes ou sur mobiles (avions, bateau, véhicule). L'indication de direction est disponible sous la forme d'un gisement (angle entre le porteur et la direction apparente) ou une indication d'écart de type droite gauche. La goniométrie manuelle est souvent employée pour la recherche de la source d'émission à l'aide d'une antenne ou d'un capteur orienté à la main. Ce type de goniométrie repose sur la recherche de minimum ou maximum de réception sans délivrer l'information de position relative de la direction de la source par rapport à l'antenne ou capteur d'exploration. Les deux types de goniométrie imposent la lecture d'un instrument souvent associé à une écoute sur écouteur ou haut-parleur pour permettre l'identification de la source. La goniométrie manuelle ne permet pas une recherche à main libre de la source de rayonnement. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en procurant un appareil de goniométrie de conception particulièrement simple, portable, laissant les mains libres à son utilisateur et ne faisant pas appel à la lecture d'un instrument. A cet effet, cet appareil personnel de goniométrie utilisable pour la détection d'un rayonnement électromagnétique, infrarouge ou ultrasonore émis à partir d'une source, en vue du repérage de la direction de cette source ou de la création d'un environnement sonore virtuel, est caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de captage du rayonnement porté par la tête de l'utilisateur, orientable par rapport à la source par un mouvement de rotation de la tête et produisant un signal de caractéristique variable en fonction de la direction de la source par rapport au moyen de captage, c'est-à-dire à la position de la tête, un récepteur, intervenant éventuellement en tant que démodulateur, dont l'entrée est reliée au moyen de captage, un circuit de traitement du signal de goniométrie dont l'entrée est connectée à la sortie du récepteur et produisant, à sa sortie un signal de commande, fonction de l'écart angulaire entre la direction de la source et la position présente du moyen de captage, c'est-àdire de l'axe d'observation de l'utilisateur, et au moins un écouteur placé sur au moins une oreille de l'utilisateur et connecté à la sortie du circuit de traitement, pour émettre un signal sonore dont la nature dépend de l'écart angulaire entre la direction de la source et la position présente de sa tête. L'appareil de goniométrie suivant l'invention peut utiliser un système d'écoute binaurale, c'est-à-dire deux écouteurs placés respectivement sur les deux oreilles de l'utilisateur. Dans ce cas, les signaux sonores émis par les deux écouteurs ont des caractéristiques variables en fonction de l'écart angulaire entre la direction de la source et la position de la tête de l'utilisateur, c'est-àdire du moyen de captage. Le goniomètre peut également utiliser un système d'écoute monaurale, c'est-à-dire un seul écouteur et dans ce cas le circuit de l'appareil comporte, en plus, un circuit de synthèse vocale permettant d'émettre en clair des messages perçus directement par l'utilisateur et indiquant l'écart angulaire existant entre l'orientation présente de la tête, c'est-à-dire du moyen de captage, et la direction dans laquelle se trouve la source du rayonnement. L'appareil de goniométrie suivant la présente invention peut être avantageusement réalisé sous la forme d'un casque à écouteurs dans lequel est incorporée un système d'antenne ou de capteur constituant le moyen de captage du rayonnement. Tous les autres éléments du circuit électronique de traitement du signal capté peuvent être également intégrés dans le casque ou bien encore ils peuvent être portés en un point quelconque du corps de l'utilisateur, en étant reliés par fils au casque. L'appareil de goniométrie suivant la présente invention peut être utilisé avantageusement dans de nombreuses applications en vue du repérage de la direction d'une source de rayonnement. A titre d'exemples d'applications, on peut citer la localisation de balises de détresse sur terre et sous la neige (détection de personnes prises sous une avalanche), le rendezvous sur une zone balisée par un émetteur, la communication avec localisation dans des activités aéronautiques individuelles utilisant des parachutes, parapentes, deltaplanes, ULM, la localisation et une identification de perturbateurs électromagnétiques, la sécurité et la communication des personnels équipés d'un casque ou d'un scaphandre et travaillant dans des conditions sévères dans l'environnement ou en milieux hostiles.Dans ce dernier cas, le système de réception utilisé pour la goniométrie est complété par un émetteur afin de permettre une liaison bilatérale avec une localisation réciproque. Ce dernier appareil peut être ainsi avantageusement utilisé par des pompiers intervenant en zone dangereuse à faible visibilité, par des personnels travaillant en zone polluée, bruyante, radioactive, par des astronautes en sortie extra-vehiculaire, par des plongeurs sous-marins (transmission par modulation d'une onde ultrasonore) etc.... Comme il a été indiqué précedemment, L'appareil de goniométrie suivant la présente invention peut être aussi utilisé avantageusement pour la simulation d'un environnement sonore dans un environnement virtuel interactif (formation sur simulateur ou jeu). On décrira ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, diverses formes d'exécution de la prés ente invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est un schéma synoptique d'un appareil de goniométrie suivant la présente invention permettant le repérage de la direction d'une source de rayonnement au moyen d'une écoute binaurale. La figure 2 est un schéma synoptique d'une forme d'exécution d'un appareil de goniométrie permettant le repérage de la direction d'une source de rayonnement modulée ou non modulée au moyen d'une écoute binaurale. Les figures 3A et 3B sont des diagrammes illustrant respectivement les amplitudes des signaux sonores produits dans les oreilles droite et gauche, respectivement dans le cas de l'orientation de la tête en direction de la source de rayonnement et de son orientation après une rotation de 90". La figure 4 est un diagramme illustrant la variation du retard entre les signaux appliqués aux écouteurs gauche et droit en fonction de l'écart angulaire entre la tête de l'utilisateur et la direction de la source. La figure 5 est un diagramme illustrant la vanation de l'amplitude des signaux sonores dans les écouteurs gauche et droit, en fonction de l'écart angulaire, dans un mode normal et dans un mode ralliement. La figure 6 est un schéma synoptique d'une variante de l'appareil dans lequel l'analyse de la provenance du rayonnement est réalisée par interférométrie. La figure 7 est un schéma synoptique d'une variante d'exécution de l'appareil à système d'écoute monaurale. La figure 8 est un schéma synoptique d'une variante de l'appareil appliquée à la simulation d'un environnement sonore. Si on se réfere maintenant à la figure 1, on voit qu'elle représente un schéma synoptique d'un appareil de goniométrie, suivant la présente invention, utilisable pour le captage d'un rayonnement électromagnétique émis par une source S. Dans la description qui va suivre, tous les exemples d'applications de l'appareil suivant la présente invention qui seront décrits concemeront le captage d'un rayonnement électromagnétique mais il va de soi que l'appareil suivant la présente invention pourrait être également utilisé pour capter d'autres rayonnements, tels que des rayonnements infrarouges et ultrasonores, en utilisant des capteurs appropriés. L'appareil de goniométrie suivant la présente invention comporte un moyen 1 de captage du rayonnement électromagnétique émis par la source S, en l'occurrence un système d'antenne disposé transversalement sur la tête 2 de l'utilisateur de l'appareil, c'est-å-dire parallèlement à l'axe de ses oreilles. L'appareil de goniométrie utilise en outre au moins un écouteur placé sur au moins une oreille de l'utilisateur afin d'appliquer un signal sonore à cette oreille, après un traitement approprié, ainsi qu'il sera décrit plus loin. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le système d'écoute est binaural, c'est-à dire que l'appareil utilise deux écouteurs droit 3d et gauche 3g pour produire des signaux sonores appliqués respectivement aux oreilles droite et gauche de l'utilisateur. Le système d'antenne I est connecté à un récepteur 4 qui reçoit le signal capté par l'antenne, lequel est fonction de l'écart angulaire a entre la direction R de la source S du rayonnement électromagnétique et la direction d'observation A de l'utilisateur de l'appareil, la direction de l'observation de l'utilisateur de l'appareil étant indiquée par une flèche noire sur chacune des figures du dessin. La sortie du récepteur 4 est connectée à l'entrée d'un circuit 5 de traitement du signal de goniométrie qui délivre à sa sortie un signal x qui est fonction de l'écart angulaire a. Autrement dit, on a x = f(a). La sortie du circuit 5 est connectée aux entrées de deux circuits de traitement du signal audio 6d,6g, affectés respectivement aux voix phoniques droite et gauche et dont les sorties sont connectées respectivement aux écouteurs droit 3d et gauche 3g. L'appareil de goniométrie suivant la présente invention permet à son utilisateur de localiser la source S d'un rayonnement électromagnétique en gardant les mains libres et sans exiger une attention particulière de sa part, par exemple sans avoir à lire un indicateur de position. Dans le cas du système d'écoute binaurale représenté sur la figure 1, les caractéristiques des signaux appliquées sur les écouteurs 3d,3g permettent, pour le porteur de ces écouteurs, une restitution de l'environnement sonore semblable à celle d'un interlocuteur direct placé dans la même direction par rapport à l'orientation de la tête. Aucune instruction particulière n'est nécessaire pour l'utilisation de l'appareil et les réflexes naturels permettent la localisation de la source S avec la précision désirée.Une localisation grossière de la source S est obtenue sans mouvement de la tête, simplement à partir de la différence des signaux appliqués aux deux écouteurs droit 3d et gauche 3g. Un léger mouvement de pivotement de la tête est suffisant pour lever l'ambiguité d'une source placée devant ou derrière l'utilisateur. En effet, si la source S se trouve placée dans l'axe de la tête et devant l'utilisateur, un pivotement de la tête dans le sens des aiguilles d'une montre se traduit, pour l'utilisateur de l'appareil, par un déplacement relatif de la source S vers sa gauche. Par contre, si la source S se trouve en arrière de l'utilisateur, le même mouvement de pivotement de la tête se traduit par un déplacement relatif de la source S vers la droite.Enfin, si l'utilisateur désire une localisation précise de la source S, il tourne naturellement sa tête dans la direction apparente de la source sonore reconstituée au moyen des deux écouteurs 3d,3g. Le système d'antenne I et les écouteurs 3d,3g peuvent servir uniquement à la goniométrie ou bien encore ils peuvent être également utilisés pour une communication entre plusieurs personnes. Ainsi qu'il a été décrit précédemment, L'appareil suivant la présente invention peut utiliser un systéme d'antenne I à un seul axe d'analyse parallèle à l'axe transversal des oreilles. Toutefois il est possible d'envisager une forme d'exécution plus élaborée utilisant au moins deux axes d'analyse non parallèles pour permettre une restitution plus réaliste de la position relative de la tête de l'utilisateur par rapport à la source d'émission S. Un système d'antenne à plusieurs axes d'analyse correspond aux applications, décrites par la suite, à la création d'un environnement sonore virtuel interactif (figure 8) et au cas où le système est complété par un moyen de localisation par synthèse vocale (figure 7). L'analyse de la provenance du rayonnement peut s'effectuer par tout moyen connu et on peut utiliser à cet effet n'importe quelle méthode d'analyse classique dans les systèmes de goniométrie délivrant une information de déviation ou d'écart angulaire. L'appareil comporte un casque supportant le système d'antenne 1 ou de capteur, ainsi que les écouteurs 3d,3g et éventuellement les autres composants 4,5,6d,6g du circuit électrique, autrement dit, le casque pourrait ne comporter que le système d'antenne I et les écouteurs 3d,3g, les autres éléments du circuit électrique étant portés sur le corps de l'utilisateur, à la ceinture ou sur son dos. La figure 2 représente une forme d'exécution de l'appareil de goniométrie utilisant une modulation d'amplitude, de phase ou de fréquence du signal capté par le système d'antenne. Si la porteuse du rayonnement électromagnétique provenant de la source S est modulée, le circuit 5 de traitement du signal qui est connecté au système d'antenne 1 par l'intermédiaire d'une liaison 7, applique à ce système d'antenne un signal modulant qui produit la modulation du signal capté. Le système d'antenne 1 délivre donc un signal d'antenne à double modulation au récepteur 4 intervenant également en tant que démodulateur.Ce récepteur 4 délivre ainsi à sa sortie deux signaux démodulés à basse fréquence superposés, à savoir l'un provenant de la modulation de la source et l'autre de la modulation par le système d'antenne 1 et ces deux signaux sont appliqués aux deux circuits de traitement du signal audio 6d et 6g et au circuit de traitement du signal de goniométrie 5. Par ailleurs, le circuit de traitement du signal de goniométrie 5 délivre à sa sortie le signal x qui est fonction de l'écart angulaire et qui est appliqué aux deux circuits 6d,6g. Les deux circuits de traitement du signal audio 6d,6g appliquent, aux écouteurs respectifs 3d et 3g, des signaux différents en fonction de l'écart angulaire a. Les figures 3A et 3B représentent les niveaux des signaux sonores appliqués à l'oreille droite OD et à l'oreille gauche OG de l'utilisateur pour les deux valeurs extrêmes de l'écart angulaire de la tête de l'utilisateur par rapport à la source S, à savoir une position à écart angulaire nul (figure 3A) et une position à écart angulaire de 90" (figure 3B). On voit que, lorsque l'axe d'observation A est confondu avec la direction R de la source de rayonnement S, c'est-à-dire pour un écart angulaire nul, les signaux sonores appliqués aux deux oreilles ont la même amplitude, cette amplitude étant appelée "niveau de référence". Par contre, lorsque la tête tourne de 900 dans le sens des aiguilles d'une montre, ainsi qu'il est représenté sur la figure 3B, L'oreille exposée au rayonnement, c'est-à-dire l'oreille gauche OG dans le cas illustré, reçoit un signal sonore d'un niveau supérieur au niveau de référence tandis que l'oreille opposée ctest-à-dire l'oreille droite OD reçoit un signal sonore dont l'amplitude est inférieure au niveau de référence et va en décroissant avec la fréquence du rayonnement. La figure 4 illustre la variation du retard dt du signal appliqué à l'oreille opposée à la source, c'est-à dire à l'oreille droite OD sur la figure 3, par rapport au signal appliqué à l'oreille exposée c'est-à-dire l'oreille gauche OG. On voit que ce retard dt exprimé en microsecondes, est maximal pour un écart angulaire a de 90" et qu'il est nul pour un écart de 0 ou 1800, c'est-àire lorsque l'axe transversal des oreilles est perpendiculaire à la direction R de la source de rayonnement. La figure 5 illustre la variation de l'amplitude du signal sonore appliqué à chacune des oreilles, dans le cas de deux modes de fonctionnement différents à savoir un mode normal et un mode ralliement dans lequel la sensibilité de l'appareil est accrue au voisinage de l'écart angulaire de 00. Les courbes en trait simple correspondent à l'oreille gauche tandis que les courbes portant une succession de points noirs correspondent à l'oreille droite. Dans le mode normal, le niveau des signaux sonores appliqués aux oreilles gauche et droite suit les courbes respectives OG1 et ODI lors d'une variation de l'écart angulaire a.Dans le mode ralliement, chacun des circuits 6d,6g de traitement du signal audio est connecté à un moyen produisant un signal de commande de mode ralliement r (figure 2), pour augmenter la pente des courbes, c'est-àiire la sensibilité de l'appareil, au point de croisement zéro sur l'échelle des ordonnées correspondant au niveau sonore n en décibels. On voit sur la figure 5 que dans le mode ralliement les courbes OG2 et OD2 sont nettement plus prononcées et écartées et qu'elles se traduisent par des niveaux des signaux sonores beaucoup plus distincts entre l'oreille exposée au rayonnement et l'oreille opposée, dès que l'écart angulaire a s'écarte de la valeur 0". L'appareil dont le schéma est représenté sur la figure 2, permet également de localiser une source d'un rayonnement à porteuse non modulée. Dans ce cas, on utilise un générateur de signal basse fréquence 8 qui peut etre connecté, au moyen d'un commutateur 9, aux deux circuits de traitement du signal audio 6d,6g, a la place du récepteur 4. Ce générateur de signal basse fréquence 8 applique alors aux deux circuits 6d,6g son propre signal basse fréquence à la place du signal basse fréquence résultant de la démodulation, par le circuit récepteur-demodulateur 4, de la porteuse comme dans le cas précédemment décnt.Le commutateur 9 connecte ainsi, aux circuits de traitement du signal audio 6d,6g, soit le récepteur La figure 6 est un schéma partiel d'une variante d'exécution dans laquelle l'analyse de la provenance du rayonnement est obtenue par interférométrie. Dans ce cas, le système d'antenne I comprend deux capteurs distincts lg et Id, connectés séparément au récepteur-démodulateur 4, pour détecter le déphasage de la porteuse du rayonnement sur les deux éléments d'antenne Ig,ld, en fonction de l'écart angulaire a. Dans la variante d'exécution représentée sur la figure 7, L'appareil comporte un seul écOuteur, par exemple l'écouteur gauche 3g, et dans ce cas, I'utilisateur de l'appareil est informé de la position de la source S du rayonnement électromagnétique par un message en clair produit par un circuit de synthèse vocale 11. Ce circuit de synthèse vocale 11 est relié, à son entrée, à la sortie du circuit de traitement du signal 5 et sa sortie est connectée à l'écouteur gauche 3g. Le message vocal émis par le circuit de synthèse 11 peut être de tout type approprié, par exemple du genre "source à onze heures, à deux heures etc..." La figure 8 illustre une application de l'appareil de goniométrie suivant la présente invention à la création d'un environnement sonore virtuel interactif.Dans ce cas, I'information de goniométrie est utilisée pour effectuer une rotation du panorama sonore asservie à la position de la tête de l'auditeur. L'appareil comporte alors, comme dans les cas précédents, le récepteurdémodulateur 4 et le circuit de traitement du signal 5 qui est connecté au système d'antenne I par la liaison 7 pour lui appliquer le signal modulant. Le récepteur-démodulateur 4 comprend toutefois plusieurs voies, par exemple au nombre de quatre (quadriphonie), et il comporte quatre sorties correspondant respectivement à ces quatre voies et qui sont connectées à un processeur du signal audio 12 relié aux deux écouteurs 3d,3g. Le circuit de traitement du signal 5 est également connecté au processeur du signal audio 12 pour lui appliquer le signal x caractérisant l'écart angulaire a. L'appareil permet ainsi de reconstituer, au moyen des deux écouteurs 3d,3g, un environnement sonore variant en fonction de la position de la tête par rapport à la direction de la source S, c'est-àZire de l'écart angulaire a, exactement de la même façon que si l'auditeur se trouvait placé dans un environnement sonore à quatre sources acoustiques à savoir un hautparleur avant droit, un haut-parleur avant gauche, un haut-parleur arrière droit et un haut-parleur arrière gauche. REVENDICATIONS 1. Appareil personnel de goniométrie utilisable pour la détection d'un rayonnement électromagnétique, infrarouge ou ultrasonore émis à partir d'une source (S), en vue du repérage de la direction de cette source ou de la création d'un environnement sonore virtuel, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen (1) de captage du rayonnement porté par la tête (2) de l'utilisateur, orientable par rapport à la source (S) par un mouvement de rotation de la tête et produisant un signal de caractéristique variable en fonction de la direction (R) de la source (S) par rapport au moyen de captage (1), c'est-à-dire à la position de la tète, un récepteur (4), intervenant éventuellement en tant que démodulateur, dont l'entrée est reliée au moyen de captage (1), un circuit (5) de traitement du signal de goniométrie dont l'entrée est connectée à la sortie du récepteur (4) et produisant, à sa sortie, un signal de commande (x), fonction de l'écart angulaire (a) entre la direction de la source (S) et la position présente du moyen de captage (1), c'est-à-dire de l'axe d'observation de l'utilisateur, et au moins un écouteur (3d,3g) placé sur au moins une oreille de l'utilisateur et connecté à la sortie du circuit de traitement (5), pour émettre un signal sonore dont la nature dépend de l'écart angulaire (a) entre la direction de la source (S) et la position présente de sa tête. 2. Appareil suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la sortie du circuit (5) de traitement du signal de goniométrie est connectée aux entrées de deux circuits de traitement du signal audio (6d,6g), affectés respectivement aux voix phoniques droite et gauche et dont les sorties sont connectées respectivement à deux écouteurs droit (3d) et gauche (3g), pour permettre la perception de la direction de la source par l'écoute binaurale. 3. Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le moyen de captage (1) est constitué par un système d'antenne à au moins un axe d'analyse parallèle à l'axe transversal des oreilles. 4. Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le circuit (5) de traitement du signal de goniométrie est connecté au système d'antenne (1) par l'intermédiaire d'une liaison (7) pour appliquer à ce système d'antenne, un signal modulant qui se combine alors avec la modulation de la porteuse du rayonnement si bien que le système d'antenne (1) délivre un signal d'antenne à double modulation au récepteur (4) intervenant également en tant que démodulateur et que le récepteur (4) délivre à sa sortie deux signaux démodulés à basse fréquence superposés, à savoir l'un provenant de la modulation de la porteuse et l'antre du signal modulant appliqué au système d'antenne (1), ces deux signaux étant appliqués aux deux circuits de traitement du signal audio (6d,6g) et il comporte, pour le cas où la porteuse du rayonnement ne serait pas modulée, un générateur de signal basse fréquence (8) qui peut être connecté, au moyen d'un commutateur (9), aux deux circuits de traitement du signal audio (6d,6g), à la place du récepteur (4). 5. Appareil suivant la revendication 4 caractérisé en ce que chacun des circuits de traitement du signal audio (6d,6g) est connecté à un moyen produisant un signal (r) de commande de mode ralliement pour augmenter la sensibilité de l'appareil au voisinage de l'écart angulaire (a) de 00. 6. Appareil suivant l'une quelconque des revendications I à 3 caractérisé en ce que l'analyse de la provenance du rayonnement est obtenue par interférométrie et le système d'antenne (1) comprend deux capteurs distincts (Ig,ld), connectés séparément au récepteurdémodulateur (4), pour détecter le déphasage de la porteuse du rayonnement sur les deux éléments d'antenne (Ig,ld), en fonction de l'écart angulaire (a). 7. Appareil suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un seul écouteur (3g) et un circuit de synthèse vocale (I1) dont l'entrée est reliée à la sortie du circuit (5) de traitement du signal de goniométrie et dont la sortie est connectée à l'écouteur (3g). 8. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 a 3, utilisé pour la création d'un environnement sonore virtuel interactif, caractérisé en ce qu'il comporte un récepteurdémodulateur (4) connecté au moyen de captage (1), ce récepteurdémodulateur (4) comprenant plusieurs voies et plusieurs sorties connectées à un processeur du signal audio (12) relié aux deux écouteurs (3d,3g), et le circuit (5) de traitement du signal de goniométrie qui est connecté au système d'antenne (1) pour lui appliquer un signal modulant, est également connecté au processeur du signal audio (12) pour lui appliquer le signal (x) caractérisant l'écart angulaire (a) afin de reconstituer, au moyen des deux écouteurs (3d,3g), un environnement sonore variant en fonction de la position de la tête par rapport à la direction de la source (S), c'est-àdire de l'écart angulaire (a), exactement de la même façon que si l'auditeur se trouvait placé dans un environnement sonore à plusieurs sources acoustiques. 9. Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un casque supportant le moyen de captage (1), ainsi que les écouteurs (3d,3g) et éventuellement les autres composants (4,5,6d,6g) du circuit électrique.