Développement de nouvelles méthodes de classification/localisation de signaux acoustiques appliquées aux véhicules aériens

Development of new methods of classification/localization of acoustic signals, application to aerial vehicles

• Auteur / Autrice : Aro Ramamonjy
• Direction : Alexandre Garcia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, génie mécanique, génie civil. Mécanique
• Date : Soutenance le 28/05/2019
• Etablissement(s) : Paris, CNAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des structures et des systèmes couplés (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Institut : Institut franco-allemand de recherches (Saint-Louis, Haut-Rhin)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Christophe Valière
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédérique Ywanne, Sébastien Hengy, Eric Bavu, Catherine Lavandier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Manuel Melon, Jean-Hugh Thomas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Apprentissage automatique

Systèmes microélectromécaniques

Traitement du signal

Détection du signal

Antennes (électronique)

Mots clés libres

Détection

Localisation

Acoustique

Drones

Microphones MEMS numériques

Apprentissage automatique

Traitement multi-canal

Detection

Localization

Acoustics

Drone

DOA

Digital MEMS microphones

Machine learning

Multi-channel processing

Résumé

Ce travail de thèse traite du développement d’une antenne microphonique compacte et d’une chaîne de traitement du signal dédiée, pour la reconnaissance et la localisation angulaire de cibles aériennes. L’approche globale proposée consiste en une détection initiale de cible potentielle, la localisation et le suivi de la cible, et une détection affinée par un filtrage spatial adaptatif informé par la localisation de la cible. Un algorithme original de localisation goniométrique est proposé. Il utilise l’algorithme RANSAC sur des données pression-vitesse large bande [100 Hz - 10 kHz], estimées en temps réel, dans le domaine temporel, par des différences et sommes finies avec des doublets de microphones à espacements inter-microphoniques adaptés à la fréquence. L’extension de la bande passante de l’antenne en hautes fréquences est rendue possible par l’utilisation de différences finies d’ordre élevé, ou de variantes de la méthode PAGE (Phase and Amplitude Gradient Estimation) adaptées à l’antenne développée. L’antenne acoustique compacte ainsi développée utilise 32 microphones MEMS numériques répartis dans le plan horizontal sur une zone de 7.5 centimètres, selon une géométrie d’antenne adaptée aux l’algorithmes de localisation et de filtrage spatial employés. Des essais expérimentaux de localisation et de suivi de trajectoire contrôlée par une sphère de spatialisation dans le domaine ambisonique ont montré une erreur de localisation moyenne de 4 degrés. Une base de données de signatures acoustiques de drones en vol a été créée, avec connaissance de la position du drone par rapport à l’antenne microphonique apportée par des mesures GPS. L’augmentation des données par bruitage artificiel, et la sélection dedescripteurs acoustiques par des algorithmes évolutionnistes, ont permis de détecter un drone inconnu dans un environnement sonore inconnu jusqu’à 200 mètres avec le classifieur JRip. Afin de faciliter la détection et d’en augmenter la portée, l’étape de détection initiale est précédée d’une formation de voies différentielle dans 4 directions principales (nord, sud, est, ouest), et l’étape de détection affinée est précédée d’une formation de voies de Capon informée par la localisation et le suivi de la cible à identifier.

This thesis deals with the development of a compact microphone array and a dedicated signal processing chain for aerialtarget recognition and direction of arrival (DOA) estimation. The suggested global approach consists in an initial detection ofa potential target, followed by a DOA estimation and tracking process, along with a refined detection, facilitated by adaptivespatial filtering. An original DOA estimation algorithm is proposed. It uses the RANSAC algorithm on real-time time-domainbroadband [100 Hz - 10 kHz] pressure and particle velocity data which are estimated using finite differences and sums ofsignals of microphone pairs with frequency-dependent inter-microphone spacings. The use of higher order finite differences, or variants of the Phase and Amplitude Gradient Estimation (PAGE) method adapted to the designed antenna, can extend its bandwidth at high frequencies. The designed compact microphone array uses 32 digital MEMS microphones, horizontally disposed over an area of 7.5 centimeters. This array geometry is suitable to the implemented algorithms for DOA estimation and spatial filtering. DOA estimation and tracking of a trajectory controlled by a spatialization sphere in the Ambisonic domain have shown an average DOA estimation error of 4 degrees. A database of flying drones acoustic signatures has been set up, with the knowledge of the drone’s position in relation to the microphone array set out by GPS measurements. Adding artificial noise to the data, and selecting acoustic features with evolutionary programming have enabled the detection of an unknown drone in an unknown soundscape within 200 meters with the JRip classifier. In order to facilitate the detection and extend its range, the initial detection stage is preceded by differential beamforming in four main directions (north, south, east, west), and the refined detection stage is preceded by MVDR beamforming informed by the target’s DOA.