Modeling acoustic impulse arrivals for shot localization in complex environments

Les systemes de localisation acoustique existent depuis le debut du XXeme siecle. Les tirs d’armes a feu emettent des ondes de forte amplitude (de bouche au depart du coup, balistique generee par un projectile supersonique, eventuellement d’impact) qui se propagent a grande distance. Les capteurs acoustiques pour mesurer ces ondes sont passifs, omnidirectionnels, fonctionnels par tout temps et de faible cout. Distribues dans une zone d’interet, ils extraient temps d’arrivee (TOAs) ou caracteristiques frequentielles, qui permettent de remonter a une position de source via des algorithmes de localisation et des modeles de propagation. La methode Matching de l’equipe se demarque par l’inclusion de la physique de la propagation dans la localisation : vent, temperature, obstacles... Les mesures a un jeu de capteurs sont comparees a des simulations numeriques de propagation depuis des sources virtuelles. Celle donnant le meilleur accord est assimilee a la source du son mesure. En pratique, les TOAs d’une onde sur un jeu de capteurs distribues et synchrones suffisent. La base de donnees est simulable a l’avance, tandis que la phase de Matching est quasi - temps reel. La localisation est peu sensible au bruit, a la calibration ou aux erreurs de positionnement de capteurs. La creation de la base de donnees est toutefois numeriquement couteuse, et le traitement de geometries et sources sonores non triviales est un defi. Les questions de l’integration de l’environnement, de la faisabilite de la localisation de tirs d’artillerie en Matching ainsi que du Matching sur les multiples arrivees d’un meme tir, se posent. L’objectif de cette these est de concevoir un outil de modelisation qui englobe l’acquisition de donnees atmospheriques et de terrain, la balistique des tirs et la propagation acoustique, afin de calculer les TOAs associes aux tirs supersoniques de maniere physiquement coherente et realiste. Le niveau de detail de chaque physique pour la phase de Matching est aligne sur le facteur identifie comme limitant. Pour ce faire, un modele de propagation acoustique de type Fast-Marching, baptise IFM, est propose. IFM conserve la generalite physique des methodes 3D+temps, mais gagne en temps de calcul en ne calculant que les TOAs. Les geometries urbaines sont traitees par des maillages non structures, la propagation a grande distance par des maillages curvilignes adaptes au relief. Un modele balistique, incluant les impacts de balle dans les bâtiments ou le sol et les effets aerodynamiques 3D pour les projectiles de gros calibre, est couple a IFM la simulation des ondes balistique et d’impact. Enfin, un couplage a des modeles de mecanique des fluides numerique et de prevision numerique du temps meso-echelle est realise pour la determination de donnees atmospheriques pertinentes, en complement ou remplacement de mesures in-situ. L’approche est evaluee en environnement urbain via deux campagnes de mesures, avec tirs supersoniques a balles reelles. Les performances de localisation de sources ponctuelles sont excellentes avec 4 capteurs ou plus. La localisation de sniper est precise avec 6 capteurs distribues, sans visibilite directe sur le tir, ce qui est a notre connaissance une premiere pour du sniper. Une demonstration de l’approche en artillerie est effectuee en utilisant les arrivees multiples extraites de signaux mesures. Grâce a la precision des simulations des TOAs des ondes de bouche, balistique et d’impact, la localisation est possible depuis des capteurs faiblement espaces, sans influence notable de la geometrie de deploiement sur la performance. La encore, il s’agit a notre connaissance une premiere. Le modele developpe dans cette these permet d’estimer numeriquement les performances de n’importe quel systeme de detection synchrone base sur des TOAs, sniper comme artillerie, dans des scenarios realistes et des environnements arbitrairement complexes. L’optimisation du placement des capteurs est ainsi envisageable.