Brevet FR2840997A1 — publié le 20031219

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 ltespace a une, deux ou trots dimensions, correlees ou non 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 assorties ou non d'un echo et provenant, par exemple, de vehicules, de navires, d'aeronefs ou d'armes a feu. Dans de nombreuses applications, il apparait 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 l'etat de la technique, de nombreuses solutions pennettant 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 accroitre 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 apparait done le besoin de pouvoir disposer d'une methode generale de detection et de localisation de sources de bruit survenant dans l'espace, 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 cout 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, - a calculer la fonctionnellef, telle que: ,..., n, À., u) = dit( k, I = 0 a A1) dit( k, I = 1 a Al) avec (Tk(cc)), = e C etant le produit scalaire, 20.. 2ti etant le vecteur construit a partir du barycentre des capteurs et de la position du capteur i, nj etant le vecteur unitaire de la direction definie par le barycentre des capteurs et la source j, - et a assurer une minimisation, par rapport aux vecteurs dj de 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 1'invention. La fig. 2 est un schema illustrant un detail caracteristique du procede selon ['invention. Tel que cela apparat sur la fig. 1, le procede selon 1'invention consiste a localiser des sources de bruit X,, X2,..., Xj,... XM avec j variant de 1 a M, reparties dans l'espace et emettant chacune, respectivement, un signal Sj, avec j S 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 s', s2,..., si,... s.. 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 s'ecrivent a partir de la somme des contributions des differentes sources de la maniere suivante: si(t)=Ai; Sj (t--), avec i = l a N. et /'j' 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(rv), 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, c'est-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. I1 peut en etre deduit que: Ajj = G.C(rJ.) = a(rJ.), aveci= laNetj= laMet: M s(t) = a(rJ-) SJ(t --), j=l C aveci = 1 aN. L'amplitude des sources Xj etant inconnues, il peut etre ecrit, en integrant le terme a(r;) dans Sj: si(t) = SJ(t -) avec i = 1 a N. L'expression des signaux si(t), en utilisant les transformees de Fourier, devient: M F' (1) S^j() = X, SJ(CO).e c, j=] aveci = 1 aN, ou s et g vent les transformees de Fourier de s et S respectivement et 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 fig. 2, il peut etre exprime d'autres relations s liees a des considerations geometriques, permettant de relier les distances rij 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 1 de rij fourni alors: (2) rij rj - , avec i = 1 a N etj = 1 a M, ou.,. > est le produit scalaire. Ainsi, en remplacant ri) par ['expression approchee etablie en (2) et en integrant le terme de phase: J C e qui ne depend que de la source Xj dans la grandeur Sj(), la relation (1) s'ecrit alors: aveci = 1 aN. Cette relation peut s'exprimer aussi sous une forme matricielle et vectorielle: M (4) () = SJ/) Tj() j=l avec pour la ieme coordonnee du vecteur Tj: aveci = 1 aN. Ou encore: (5)) = T.S() avec T = matrice de terme general: ou B est le vecteur bruit, dependent de w. Le procede selon ['invention consiste a determiner les directions des sources Xj, definies par les vecteurs dj, pour j = 1 a M. Dans le cas ou les sources Xj vent quelconques, ctest-a-dire correlees ou non, la probabilite de presence d'un bruit gaussien B sur les capteurs Yi est donnee par: b.e ou a et b dependent de la variance. Ainsi, la position la plus probable des sources est. d'apres la relation (6), celle qui minimise la grandeur suivante: M 11)- SJ().Tj()ll2. En d'autres termes, la projection de 3- sur la direction orthogonale a l'hyperplan engendre par les vecteurs Tj, pour j = 1 a M, doit etre de norme minimale. Or, il s'agit-la du carre de la hauteur du parallelepipede construit sur les vecteurs 3- et Tj, cette hauteur h se calculant comme le rapport du volume V a la surface de la base S. soit: h= - V. S Les grandeurs V et S s'expriment en fonction des determinants des matrices de Gramm, dont ['element (k, 1) est constitue par le produit scalaire: Tt,T' >, avec Tl* vecteur conjugue de Tl. Ainsi S2 = dit( k, I = 1 a AI) V2 = det( k, I = 0 a Al) ou l'on a pose To = 3. Ainsi: IIBII2 = V2 ou encore: Anl,..., nJ..., nM) = ||B||2. Il s'agit ici d'une fonction des vecteurs [lj, qui en dimension 3, ne dependent que de deux angles tj et soj, site et azimut, et de la pulsation w. Toute connaissance a priori sur les spectres des sources gj peut, par ailleurs, etre utilisee. Par exemple: - pour des sources de bruit a bande etroite, il est prevu de minimiser la fonctionnellef suivante: (7) fi = IIB(ok)ll2, wk etant les pulsations d'interet, - pour des sources de bruit a bande large, il est prevu de minimiser la fonctionnelle f2 suivante portent sur les segments d'interets: (8) f2 = |||B()Il2do, Dans la pratique, au lieu de calculer llBll2 on peut utiliser une methode sous-optimale qui consiste a remplacer le denominateur s2 par 1. II peut alors etre montre, a condition de rechercher des directions solutions ij suffisamment distinctes, qu'il peut etre obtenu des solutions proches de la methode exacte. Le denominateur, qui s'annule lorsque deux sources au moins vent confondues, permet d'eliminer en fait les solutions parasites ou plusieurs directions vent identiques. Dans le cas ou la methode sous-optimale est un traitement large bande, il stagit de minimiser la fonctionnellef3 suivante: (9) f3 = idet( k, I = 0 a A1)do. Cette grandeur, qui s'exprime comme une combinaison lineaire des fonctions d'intercorrelations Yij des signaux si et s; prises en des points eux-memes combinaison lineaire des retards: c Ces fonctions d'intercorrelation ne vent calculees que pour des retards de l'ordre de grandeur des dimensions de l'antenne divisees par la vitesse du son. Le calcul peut done etre avantageusement realise dans le domaine temporel par rapport a un calcul usuellement fait dans le domaine frequentiel a partir des transformees de Fourier. Le procede decrit ci-dessus consiste done: a partir d'une antenne de quelques capteurs (2 a 10 et, de preference, 2 a 5), a prelever ['information acoustique ou vibratoire, - a amplifier et a filtrer les signaux recus de maniere a limiter le spectre et a apparier les capteurs en phase en en gain, - a numeriser les signaux, - a minimiser la projection du vecteur sur la direction orthogonale aux vecteurs Tj, suivant les deux techniques de calcul a) et b) suivantes: a) + a realiser les transfonnees de Fourier des signaux si, + a calculer 1'une des fonctionnelles f,, f2, en utilisant les expressions des determinants des matrices de Gramm definies ci-dessus, + et a minimiser l'une des fonctionnellesf,, f2 qui dependent du nombre de sources a localiser, b) + a utiliser un algorithme simplifie qui consiste a minimiser la fonctionnellef3, + a calculer les fonctions d'intercorrelation Yij, + et a minimiser une combinaison lineaire de ces fonctions d'intercorrelation, dependent du nombre de sources. Lorsque ['operation de minimisation a ete effectuee, les directions dj des sources de bruit vent determinees. Avantageusement, il est egalement possible de retrouver les caracteristiques des sources de bruit Xj. 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: iT *, s matrice transposee conjugee de T. Le systeme (5) devient alors: tT*.) = tT*.T.(). Soit: (10) S(cl)) = ('T.T)-.'T*.). A partir de la relation (10), il peut etre calcule les signaux Sj, afin de retrouver les caracteristiques des sources Xj. La description qui suit donne un exemple de realisation pour la detection d'une sources de bruit (M = 1) par 1'intermediaire de N capteurs. On obtient alors: I-#c0)2 si*(co)e+Jo c F- 2); si*(t0)e-J0 c N iB(to] = i I N _ Soit: |B((] =(N-1)..c(coJi - 2, CI;(C )SI ( )eJ c 1 Dans le cas de sources large bande, il s'agit done de minimiser: B(tol dc,)= I (N-I)t. dimension de l'espace mains 1 unite. 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 qutil consiste: a prelever les signaux electriques temporels delivres par les capteurs (Yi), chaque signal si(t) delivre par un capteur etant la somme des signaux (Sj) emis par les sources de bruit (Xj), - a amplifier et a filtrer les signaux electriques temporels preleves, - a numeriser les signaux electriques, - a calculer la fonctionnelle (), telle que: det( k, I = 0 a Al) fn,.., n),..., nM) = dit( k, I = 1 a M) avec fl,o c (T'(o)| = e c etant le produit scalaire, ti etant le vecteur construit a partir du barycentre des capteurs et de la position du capteur i, 25.. ij etant le vecteur unitaire de la direction definie par le barycentre des capteurs et la source j, - et a assurer une minimisation, par rapport aux vecteurs (), pourj = 1 a M, de la fonctionnelle (f), de maniere a determiner les directions (dj) des sources de bruit (Xj). 2 - Procede selon la revendication l, caracterise en ce qu'il consiste, pour minimiser la fonctionnelle (f), dans le cas de sources de bruit (Xj) a bande etroite: a calculer les transformees de Fourier des signaux si(t) delivres par les capteurs, a calculer, en utilisant les expressions des determinants des matrices de terme general: la fonctionnelle: f IIB() 112 - et apres avoir selectionne un nombre determine de sources de bruit, a minimiser la fonctionnelle (f;) pour determiner les directions (ij) des sources de bruit (Xj) selectionnees. 3 - Procede de detection selon la revendication 1, caracterise en ce qutil consiste, pour minimiser la fonctionnelle (f), dans le cas de sources de bruit (Xj) a large bande: À a calculer les transformees de Fourier des signaux si(t) delivres par les capteurs, - a calculer, en utilisant les expressions des determinants des matrices de terme , general: Tk(),&()> la fonctionnelle: f2 = |IIB()II2dO, - et apres avoir selectionne un nombre determine de sources de bruit, a minimiser la fonctionnelle (f2) pour determiner les directions (ij) des sources de bruit (Xj) selectionnees. 4 - Procede de detection selon la revendication 1, caracterise en ce qu'il consiste, pour minimiser la fonctionnelle (f): - a simplifier 1'expression de la fonctionnelle (f) pour minimiser la fonctionnelle]3) suivante: f3 = |dit( k, I = 0 a M)do, - a calculer les functions dtintercorrelation (Gil) des signaux (si) et (s;), - et apres avoir selectionne un nombre determine de sources de bruit, a minimiser la fonctionnelle}3). - Procede de detection scion la revendication 1, caracterise en ce qu'il consiste, apres ['operation de minimization, a calculer le vecteur source: S() = ('T*.T)-'.'T, so),