Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Département d'électricité, STI - Section d'électricité STI-SEL (Laboratoire d'électromagnétisme et acoustique LEMA)

Acoustic goniometry : a spatio-temporal approach

Van Lancker, Eric ; Rossi, Mario (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2001 ; no 2408.

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    Summary
    This work was motivated by the increasing need for acoustic localization systems. The various localization systems that were implemented during this PhD include localization of snow avalanches, artillery and supersonic aircraft in the infrasound domain, the localization of helicopters, civilian aircraft, speakers and auditorium reflections in the audio domain and the localization of chirps in the underwater ultrasound domain. The "goniometer" is defined as an instrument that measures angles. An "acoustic goniometer" is therefore a system that measures the direction of arrival (DOA) of sounds, and thus estimates the source direction. A goniometer is made up of an antenna, composed of several sensors arranged in a particular geometry, and a calculation algorithm. The successive implementations were designed around a common framework, based on a two-step spatio-temporal process. The temporal step tackles the problem of the Time Delay Estimation along the antenna baselines, whereas the second step introduces the antenna geometry, in order to estimate the Direction of Arrival per se. The multi-sources case, as well as the outlier's rejection, is assured by a detection module, which uses the temporal and spatial properties of the propagation model. The performances of the TDE and the localization are studied as a function of every relevant parameter, in order to determine the optimal antenna to run the two-step process. The antenna design rules concern its geometry, its size and its orientation. The results presented in the applications chapter give a realistic idea of the goniometry capacities. Its performances are largely competitive to those of other techniques. Up to now, the goniometry developed during this work, fulfilled all prior requirements. Moreover, the goniometry appeared to be, in many cases, in advance with regards to technological tools such as the sound pick-up, the CPU implementation or installation constraints. The advice that could be given, when tackling a new antenna design, is firstly to visualize both spatial and temporal properties of the propagating waves and of the perturbating phenomena, and secondly to compare them to the goniometer characteristics. This work has demonstrated that the best performances were achieved for the goniometry of a unique stationary compact source generating broadband low pass signals in a homogenous medium without wind and noise, performed with a wide symmetrical broad-side antenna.
    Résumé
    La demande croissante en systèmes de localisation acoustique est la motivation première de ce travail. Le large éventail de systèmes de localisation qui ont été réalisés durant la thèse, a permis de mener à bien la localisation d'avalanches, de tirs d'artillerie et d'avions supersoniques dans le domaine infrasonore, la localisation d'hélicoptères, d'avions civils, de locuteurs et de réflexions dans le domaine audio et enfin la localisation de rampes en fréquence dans le domaine aquatique ultrasonore. Le "goniomètre" est un instrument qui mesure les angles. Par extension, un "goniomètre acoustique" est un système qui mesure la direction d'arrivée (DOA) des sons, et estime ainsi la direction de source. Le goniomètre se compose d'une antenne, constituée de plusieurs capteurs disposés dans une géométrie donnée, et d'un algorithme de calcul. Les réalisations successives ont été développées autour d'un support commun, basé sur un processus spatio-temporel implémenté en deux étapes. L'étape temporelle traite le problème de l'estimation des différences de temps de propagation entre capteurs, tandis que la deuxième étape estime la direction d'arrivée en utilisant les propriétés spatiales de l'antenne. Un module de détection permet de gérer plusieurs sources en même temps, ainsi que de rejeter les observations aberrantes. Il utilise pour cela les propriétés temporelles et spatiales de l'antenne ainsi que du modèle de propagation. Les performances de l'estimation des délais et de la localisation sont étudiées en fonction de chacun des paramètres significatifs, afin de déterminer l'antenne optimale couplée à l'algorithme proposé. Les règles de conception de l'antenne concernent sa géométrie, sa taille et son orientation. Les résultats présentés dans le chapitre des applications donnent une idée réaliste des capacités de la goniométrie. Ses performances sont très concurrentielles par rapport aux autres techniques. Jusqu'ici, les goniomètres, développés pendant ce travail, ont toujours rempli leurs cahiers des charges. Dans bien des cas, il est apparu que la goniométrie était en avance sur les autres technologies qui l'accompagnent, telles que la prise de son et l'implémentation des algorithmes et par rapport aux contraintes d'installation. La démarche à suivre lors de la conception d'une nouvelle antenne, consiste premièrement, à bien visualiser les propriétés spatiales et temporelles des ondes de propagation et des perturbations, et deuxièmement, de les comparer aux caractéristiques du goniomètre. Ce travail a démontré que la goniométrie offrait des performances optimales dans le cas de la localisation d'une seule source compacte, immobile, émettant des sons passe-bas largebandes, dans un milieu homogène, sans bruit ni vent, au moyen d'une antenne symétrique, de grande dimension et orientée en configuration Broad-side.