Brevet FR2840998A1 — publié le 20031219

akin de retrouver les caracteristiques des sources de bruit (Xj). pn, ''.' JO "" no) = ERA La presente invention se rapporte a la detection et la localisation de sources de bruit au sens general, a ['aide de capteurs appropries a la nature de la source de buit. L'objet de ['invention concerne une methode de detection et de localisation de sources de bruit disposees dans l'espace a une, deux ou trots dimensions, non correlees entre elles et presentant des spectres d'emission a bandes etroites ou largest L' objet de [ 'invention trouve des applications particulierement avantageuses dans le domaine de la localisation de sources de bruit non assorties d'un echo et provenant, par exemple, de vehicules, de navires, d'aeronefs ou d'armes a feu. Dans de nombreuses applications, il apparat le besoin de pouvoir localiser, d'une maniere relativement precise, une source de bruit afin de prendre les dispositions pour la neutraliser. Il est connu, dans ltetat de la technique, de nombreuses solutions permettant de localiser, par vole acoustique, des sources de bruit. Les principales solutions connues font appel aux techniques de correlation des signaux delivres par les capteurs de detection. Ces techniques presentent ['inconvenient d'etre particulierement sensibles aux bruits parasites survenant dans l'environnement des capteurs de mesure. D'autre part, il doit etre considere que ces techniques constituent des methodes specifiques adaptees a chaque application consideree. La technique la plus utilisee exploite des antennes avec un grand nombre de capteurs (quelques centaines) et un systeme informatique lourd, realisant une formation de voies permettant une visee dans une direction donnee, de maniere a accrotre le rapport signal / bruit. Ce procede ne fait pas d'hypothese, a priori, sur le nombre de sources et leur eventuelle correlation, ce qui introduit une perte en resolution. Il apparat done le besoin de pouvoir disposer d'une methode generale de detection et de localisation de sources de bruit survenant dans ltespace, lorsque le nombre de ces sources de bruit est petit et se trouve connu ou majore. L'objet de ['invention vise a satisfaire ce besoin en proposant un procede de detection et de localisation de sources de bruit a ['aide de capteurs adaptes a la nature de la source de bruit, ce procede presentant un faible coGt de mise en oeuvre. Pour atteindre cet objectif, le procede selon ['invention consiste: - a prelever les signaux electriques temporels delivres par les capteurs, chaque signal delivre par un capteur etant la somme des signaux emis par les sources de bruit, - a amplifier et a filtrer les signaux electriques temporels preleves, - a numeriser les signaux electriques, - a calculer la fonctionnelle: 4n,.., n),..., nN) = Rk' kó! avec des coefficients Rkl fonction des vecteurs dj donnant la direction des sources de bruit, - et a minimiser la fonctionnelle, de maniere a determiner les directions des sources de bruit. Diverses autres caracteristiques ressortent de la description faite ci dessous en reference aux dessins annexes qui montrent, a titre d'exemples non limitatifs, des formes de realisation et de mise en oeuvre de ['objet de ['invention. La fig. 1 illustre, de maniere schematique, le principe du procede de detection selon ['invention. La fig. 2 est un schema illustrant un detail caracteristique du procede selon ['invention. La O'g. 3 est un schema illustrant le procede de localisation de deux sources de bruit a 1'aide de deux capteurs. Tel que cela apparait sur la fig. 1, le procede selon ['invention consiste a localiser des sources de bruit X,, X2,..., Xj,... XM avec j variant de 1 a M, reparties dans ltespace et emettant chacune, respectivement, un signal Sj, avec j variant de 1 a M. Le procede selon ['invention consiste a localiser les sources de bruit Xj a ['aide de capteurs de vibrations ou d'ondes acoustiques Y., Y2, Yi, YN, avec i variant de 1 a N. delivrant chacun, respectivement, un signal electrique temporel sl, S2,..., Si, À-- SN. Le procede consiste a prelever les signaux electriques temporels si(t) delivres par chaque capteur et representatifs de la somme des signaux Sj emis par les sources de bruit Xj. Les signaux si(t) recus sur les N capteurs stecrivent a partir de la somme des contributions des differentes sources de la maniere suivante: M r si(t) = Aij Sj (t--), avec i = 1 a N. et y, la distance de la source de bruit Xj au capteur Yi, et c, la celerite du son dans son milieu ambient. Le terme Aij traduit ['attenuation due a la propagation ainsi que le facteur de sensibilite des capteurs et s'exprime par: Aij= Bi C(r,j), avec i = 1 a N et j = 1 a M, ou Bi est le coefficient de sensibilite du capteur Yi et ou C (rij) est le coefficient d'attenuation due a la propagation sur une distance rij. Les capteurs Yi vent associes a une unite electronique non representee, assurant une amplification et un filtrage passe-bande des signaux recueillis. De preference, les capteurs vent apparies en module et en phase, de sorte que les sensibilites vent identiques. Ainsi, Bi = G pour i = 1 a N. Avantageusement, pour faciliter la mise en oeuvre de l'antenne de capteurs ainsi definie, les capteurs Yi vent places relativement proches les uns des autres. Par consequent, pour des sources eloignees, la distance rij est de l'ordre de la distance rj, ctest-a-dire de la distance entre le barycentre des capteurs et la source Xj. Ainsi, I 'attenuation n 'est plus fonction que de la distance rj, avec C (rij) = C (rj), aveci = 1 aNetj= 1 aM. II peut en etre deduit que: AU = G.C(rJ) = a(rJ), aveci= laNetj= laMet: s M r Si(t) = a(rJ) SJ{t - i), j=l C aveci = 1 aN. L'amplitude des sources Xj etant inconnues, il peut etre ecrit, en integrant le terme a(rj) dans Sj: Si(t) = SJ(t - i avec i = l a N. L'expression des signaux si(t), en utilisant les transformees de Fourier, devient: ( 1) si(o) = SJ().e c j=, avec i = 1 a N. ou s et g vent les transformees de Fourier de s et S respectivement et o etant la pulsation. Cette premiere relation (1) lie les signaux recus aux distances rij, c'est-a dire aux positions des sources Xj. Tel que cela ressort de la f-g. 2, il peut etre exprime d'autres relations liees a des considerations geometriques, permettant de relier les distances 'j au vecteur unitaire dj, qui determine la direction definie par le barycentre des capteurs et la source generant le signal Sj. La position des capteurs est definie par le vecteur Ci construit a partir de la position des capteurs Yi et de leur barycentre. Un developpement limite a l'ordre l de rij fourni alors: (2) rij rj ',ZJ CI>, avec i = 1 a N et j = 1 a M, ou.,. est le produit scalaire. Ainsi, en remplacant rij par ltexpression approchee etablie en (2) et en integrant le terme de phase: s J r e C qui ne depend que de la source Xj dans la grandeur Sj(), la relation (1) s'ecrit alors: M J nJ C-l> (3) S^j(() = X, S].().e c j= avec i = 1 a N. Cette relation peut stexprimer aussi sous une forme matricielle et vectorielle: M (4) (() = ESJ()T;(() j=1 avec pour la ieme coordonnee du vecteur Tj: J (TJ)' = e C aveci = 1 aN. Ou encore: (5) s(o) = T.S(() avec T = matrice de terme general: J J "p Tu. = e c Dans le cas ou les sources Xj ne vent pas correlees, il peut etre determine les signaux Sj a partir des signaux si des vecteurs [Ij. II est ensuite procede a une minimisation des fonctions d'intercorrelation entre Si et Sj pour i ú j. Lorsque ltoperation de minimisation a ete effectuee, apres la determination les directions j, il est egalement possible de retrouver les grandeurs gj. En effet, si N = M, c'est-a-dire autant de capteurs que de sources, le systeme (5) peut, en general, s'inverser. Si N 2 M, le probleme se ramene a un systeme carre par une pre multiplication par: tT., matrice transposee conjugee de T. Le systeme (5) devient alors: tT* S(t,3) = tT* TS(ti3) et alors: (6) S(() = ( T ÀT) À T À s(). Les signaux g etant ainsi formellement exprimes, on calcule formellement le coefficient de correlation RiJ entre les sources i et j par: ij()d O U r,,.(o).rjj( )' i ou Fij peut aussi etre calcule formellement a partir des grandeurs frequentielles, on a alors: J Isi() 12. Is,{) 12do (8) Ri = | ISi() 12d.| IS,{) 12do La fonction a minimiser est alors: (9) ftn,..., n À., n-N) = R k.' s les coefficients Rkl etant fonction des vecteurs dj. Dans le cas ou les signaux Si, Sj vent recus avec des amplitudes comparables, les denominateurs de Rij vent de meme ordre de grandeur et peuvent done etre remplaces par 1 sans alterer la position des minimal. Le calcul des [g peut alors avantageusement etre rdalise dans le domaine temporel, lorsque l'intervalle de variation des retards possibles est faible. Lorsque les directions definies par les vecteurs dj vent determinees, il est possible aussi de retrouver les grandeurs Sj a partir de la relation (6). Une telle technique permet ainsi de caracteriser la nature des sources Xj. La description qui suit, en reference a la flg. 3, donne un exemple de realisation de la detection et de la localisation de deux sources de bruit X,, X2 non correlees (M = 2), a 1'aide de deux capteurs Y., Y2 (N = 2). Dans le domaine frequentiel, les signaux electriques s,, s2 delivres respectivement par les capteurs Y., Y2 et representatifs de la somme des signaux S., S2 emis par les sources de bruit X,, X2, s'expriment par: |. sl(o)) = e J(OTI 1 Sl(CO) + e ÀT(OT3] S2(()) |.s2(0) = e 1'OT] S] () + e 'OT92 S9() ou r est le retard de propagation du signal emis par la source i pour atteindre le capteur j. L'inversion de ce systeme conduit a: 1^ sl(tok-J0T22 - s()e-JT21 | e J((TI I + T22) - e JO(T12 + T21) S () s'()e-J'0T1 1 - si(o))eJTl2 1 e J((TI] + T22) - e,TrO(TI2 + T21) La fonction dtintercorrelation entre les signaux sources S. et S2 stecrit: 12(T) = | Si(), t()e'WIdo, pour le retard r. En remplac,ant gl(lJ) et g2() par leurs valeurs, il vient: [2(T') = | 2 d ou N((o)=[-(] etw(T2-2)2(cOj2ero(T i- T2i)+s(co) S2(t,))er'D(T i-T22 hsl(to)s2(cl))eJ(Ti2-T2)]. e; et |D(o)2=4sin2 52(1 1+22-tl2-t21) Une solution simple (mats sous-optimale) consiste ici a ne considerer que ltoptimisation du numerateur N. L'intercorrelation [,2 peut alors etre approchee par: 12() | N()do En remplac,ant N() par sa valeur, on obtient alors une expression qui n'est plus fonction que des Yi;, autocorrelations et intercorrelations entre les signaux mesures si et sj. : 12( T) - -Y11 ( 1+11 2- T22 'l22( l+: l 1 -121)+YI 2(;+t 1 1 -t22)+Y2 1(l+ll2-t2 1) On rappelle que la distance rg peut etre approchee par: rij - rj - G: Zj). En remplac,ant done rij par cette expression approchee et en integrant le terme de phase r. -Jo ' e c dans gj(), on aboutit finalement a une expression de l'estimateur de [,2 qui est la suivante: p2(l) _ J (: c) - 2T - +) +'tl2(: - +) +t2l(-: c) avec j = vecteur unitaire de (OXi) avec i = 1,2. Or: (nl, cl) = D cos e (i I. c,) = D cos 01 (ll,Cl)= DcosO2 (tl,. c,) = D cos 8, avec D = distance inter capteurs. II vient done: Fl2(t) - - Yl l(: + Dc cos 02) -Y"+DC cos8) + Yi2(: + 2D (cos 0 + cos 62)) Y. I(: + 2C (cos 81 + cos 62)) La fonctionnelle a minimiser par rapport a (e,, e2) est done: R,2 = J [12(T)dT L'ambigu'te du signe de e, et de e2 est levee en analysant le demi-plan contenant les sources et suppose connu a priori. L'invention Lest pas limitee aux examples decrits et representes, car diverges modifications peuvent y etre apportees sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS: 1 - Procede de detection et de localisation de sources de bruit (Xj) emettant chacune respectivement des signaux (Sj) avec j= 1 a M, la detection etant assuree a ['aide de capteurs de vibrations ou d'ondes acoustiques (Yi) delivrant chacun, respectivement, un signal electrique temporel (si) avec i variant de 1 a N. caracterise en ce qu'il consiste: a prelever les signaux electriques temporels delivres par les capteurs (Y'), chaque signal si(t) delivre par un capteur etant la somme des signaux (Sp emis par les sources de bruit (Xp, - a amplifier et a filtrer les signaux electriques temporels preleves, - a numeriser les signaux electriques, - a calculer la fonctionnelle: l' "" J' ''" N) Rk' k*' avec les coefficients (kl) etant fonction des vecteurs (dj) donnant la direction des sources de bruit (Xj), - et a minimiser la fonctionnelle (), de maniere a determiner les directions (dj) des sources de bruit (Xp. 2 - Procede selon la revendication 1, caracterise en ce qu'il consiste, pour minimiser la fonctionnelle (f): - a calculer les transformees de Fourier des signaux si(t) delivres par les capteurs, - a calculer formellement les coefficients (Rij): | |Si() 12. |S/) |2do J ISj(6)) 12do. ; ISio) 12do - et a minimiser la fonctionnelle (f) pour determiner les directions (dj) des sources de bruit (Xj) selectionnees. 3 - Procede de detection selon la revendication 1, caracterise en ce qu'il consiste, pour minimiser la fonctionnelle (f): - a calculer formellement le coefficient de correlation coil): Rj - |-)d: i Fii(O) rj, (o) ou (rib) est la fonction d'intercorrelation entre les signaux (Si), (Sj). 4 - Procede de detection selon la revendication 1, caracterise en ce qu'il consiste, apres ltoperation de minimization, a calculer le vecteur source: S() = ('T.-.'T. Am),