Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique - UMR 5509

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Soutenance de thèse ECL

Adrien Dagallier

Vendredi 27 novembre 2020, 15h, visioconférence sur inscription

Adrien Dagallier

Modélisation des temps d’arrivée de sons impulsionnels pour localisation de tirs en environnement complexe

Composition du jury
- M. J. WHITE, PhD, US Army ERDC/CERL (Illinois), rapporteur
- J. PICAUT, Directeur de Recherche HDR, UMRAE, Nantes, rapporteur
- F. COULOUVRAT, Directeur de Recherche CNRS, Institut Jean le Rond d’Alembert, examinateur
- B. NICOLAS, Directrice de Recherche CNRS, CREATIS, examinatrice
- S. CHEINET, PhD HDR, ISL (Saint-Louis), Co-directeur de thèse
- D. JUVE, Professeur, LMFA, Directeur de thèse

Résumé
Les systèmes de localisation acoustique existent depuis le début du XXème siècle. Les tirs d’armes à feu émettent des ondes de forte amplitude (de bouche au départ du coup, balistique générée par un projectile supersonique, éventuellement d’impact) qui se propagent à grande distance. Les capteurs acoustiques pour mesurer ces ondes sont passifs, omnidirectionnels, fonctionnels par tout temps et de faible coût. Distribués dans une zone d’intérêt, ils extraient temps d’arrivée (TOAs) ou caractéristiques fréquentielles, qui permettent de remonter à une position de source via des algorithmes de localisation et des modèles de propagation.
La méthode Matching de l’équipe se démarque par l’inclusion de la physique de la propagation dans la localisation : vent, température, obstacles... Les mesures à un jeu de capteurs sont comparées à des simulations numériques de propagation depuis des sources virtuelles. Celle donnant le meilleur accord est assimilée à la source du son mesuré. En pratique, les TOAs d’une onde sur un jeu de capteurs distribués et synchrones suffisent. La base de données est simulable à l’avance, tandis que la phase de Matching est quasi - temps réel. La localisation est peu sensible au bruit, à la calibration ou aux erreurs de positionnement de capteurs. La création de la base de données est toutefois numériquement coûteuse, et le traitement de géométries et sources sonores non triviales est un défi. Les questions de l’intégration de l’environnement, de la faisabilité de la localisation de tirs d’artillerie en Matching ainsi que du Matching sur les multiples arrivées d’un même tir, se posent.
L’objectif de cette thèse est de concevoir un outil de modélisation qui englobe l’acquisition de données atmosphériques et de terrain, la balistique des tirs et la propagation acoustique, afin de calculer les TOAs associés aux tirs supersoniques de manière physiquement cohérente et réaliste. Le niveau de détail de chaque physique pour la phase de Matching est aligné sur le facteur identifié comme limitant. Pour ce faire, un modèle de propagation acoustique de type Fast-Marching, baptisé IFM, est proposé. IFM conserve la généralité physique des méthodes 3D+temps, mais gagne en temps de calcul en ne calculant que les TOAs. Les géométries urbaines sont traitées par des maillages non structurés, la propagation à grande distance par des maillages curvilignes adaptés au relief. Un modèle balistique, incluant les impacts de balle dans les bâtiments ou le sol et les effets aérodynamiques 3D pour les projectiles de gros calibre, est couplé à IFM la simulation des ondes balistique et d’impact. Enfin, un couplage à des modèles de mécanique des fluides numérique et de prévision numérique du temps méso-échelle est réalisé pour la détermination de données atmosphériques pertinentes, en complément ou remplacement de mesures in-situ.
L’approche est évaluée en environnement urbain via deux campagnes de mesures, avec tirs supersoniques à balles réelles. Les performances de localisation de sources ponctuelles sont excellentes avec 4 capteurs ou plus. La localisation de sniper est précise avec 6 capteurs distribués, sans visibilité directe sur le tir, ce qui est à notre connaissance une première pour du sniper. Une démonstration de l’approche en artillerie est effectuée en utilisant les arrivées multiples extraites de signaux mesurés. Grâce à la précision des simulations des TOAs des ondes de bouche, balistique et d’impact, la localisation est possible depuis des capteurs faiblement espacés, sans influence notable de la géométrie de déploiement sur la performance. Là encore, il s’agit à notre connaissance une première.
Le modèle développé dans cette thèse permet d’estimer numériquement les performances de n’importe quel système de détection synchrone basé sur des TOAs, sniper comme artillerie, dans des scénarios réalistes et des environnements arbitrairement complexes. L’optimisation du placement des capteurs est ainsi envisageable.

Les personnes intéressées pour assister à la soutenance peuvent envoyer un courriel à mailto:adrien.dagallier@isl.eu, un lien de connexion leur sera envoyé.

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