SOUTENANCE DE THESE
30/06/2015
ABOU CHAAYA Jad Centrale Supélec à 14h.(Amphi Boucherot)

SUJET :
Localisation des sources aéroacoustiques et imagerie à haute résolution

Aeroacoustic source localization and high resolution imaging

 

Thèse préparée à : CentraleSupélec – Labo : Laboratoire des Signaux et Systèmes (L2S)

Directeur de Thèse Sylvie MARCOS
SOUTENANCE DE THESE AYANT POUR JURY :
(indiquer les noms par ordre alphabétique)
ANTONI Jérôme – Professeur – INSA Lyon (Rapporteur)
FORSTER Philippe– Professeur – Université Paris Ouest Nanterre La Défense (Examinateur)
MARCOS Sylvie– Directeur de recherche CNRS– CentraleSupélec (Directeur de thèse)
PICHERAL José– Maîtres de conférences – CentraleSupélec (Encadrant)
WANG Yide– Professeur – Univérsité de Nantes- Polytech Nantes (Rapporteur)

RESUME
La localisation de sources distribuées à proximité de l'antenne présente un défi des applications du traitement d'antenne. L'imagerie acoustique expose une des applications intéressante qui consiste à déterminer les positions et les puissances de sources aéro-acoustiques à l'aide d'un réseau de microphones. L'objectif est de réduire la contribution des sources bruyantes dans les industries de transport comme les automobiles et les avions.
Néanmoins, dans la mesure de nos connaissances, les méthodes de localisation et d'estimation de puissance des sources qui présentent un étalement spatial n'étaient pas vraiment étudiées dans le domaine de l'imagerie acoustique. D'où la motivation qui mène aux travaux de cette thèse.

D'abord, on étend le modèle de source Distribuées Cohérente (DC) et l'estimateur Distributed Signal Parameter Estimator (DSPE) en champ proche sous le nom de NF-DSPE. Le NF-DSPE exige la connaissance à priori sur la forme de distribution de la dispersion de la source, la raison qui nous motive à proposer une estimation conjointe de l'angle, la distance, la dispersion et la forme de la source nommée JADSSE. Cette méthode fournit des estimations précises même en absence de l'information sur la forme de la distribution qui décrit la dispersion angulaire de la source et améliore la séparation des Directions D'Arrivées (DDA) des sources DC.

Ensuite, on généralise l'estimateur DSPE en champ proche, le NF-DDSPE. La méthode est basée sur le découplage de l'estimation de la DDA et de la distance de l'estimation de la dispersion angulaire. Le NF-DDSPE permets l'estimation des DDAs et des distances des sources DC sans la connaissance a priori des formes des distributions angulaires. Pourtant, afin d'estimer la dispersion de la source, on propose le DADSSE qui consiste à utiliser le JADSSE et le NF-DDSPE pour estimer successivement la DDA, la distance de la source et ensuite la dispersion et la forme de la distribution.

Puis, tenant compte de la configuration de l'application soufflerie Renault, on construit le modèle de source DC considérant l'extension spatiale bidimensionnelle de la source paramétré en coordonnées Cartésiennes. Après, les estimateurs proposés antérieurement sont reformulées pour le cas bidimensionnelle Cartésien. Ensuite, on propose deux approches pour l'estimation de la puissance des sources: la première exploite le pseudo-spectre de la formation de voies généralisées et la deuxième repose sur un estimateur de moindres carrés basé sur la matrice de corrélation de l'antenne. Les deux méthodes surmontent le défi d'estimer les sources moins puissantes. Les résultats montrent, d'un côté, l'inconvénient d'utiliser des estimateurs supposant des sources ponctuelles pour des sources distribuées, et d'un autre côté, l'avantage de considérer la forme de la source sur la localisation et l'estimation de la puissance.

Finalement, les méthodes proposées sont utilisées sur les données réelles de Renault. Nos résultats montrent que les principales sources aéro-acoustiques apparaissent avec les estimateurs de source ponctuelle et distribué. Cependant, utiliser des estimateurs basés sur l'étalement de la source (source distribuée): i) permet de localiser des nouvelles sources; ii) offre l'estimation de la dispersion et de la forme pour améliorer la caractérisation de ces sources ; iii) détecte des sources aéro-acoustiques très proches; iv) augmente la gamme d'estimation des puissances pour détecter à la fois les sources faibles et dominantes. En conclusion, on fournit un outil pour une meilleure cartographie des sources aéro-acoustiques qui considère l'estimation de la position, l'étalement, la puissance et la forme.


Abstract:
One challenging issue in the array signal processing applications is the localization of spatially distributed sources in vicinity of the array. The acoustic imaging application consists in mapping the positions and power of the sources by using an array of microphones aiming to reduce the contribution of noisy source in automobile and aircraft industries. However, as far as we know, methods for localizing and power estimating sources based on their spatial extension are not really studied in the literature of acoustic imaging field. The present thesis is then motivated by this challenge.

Firstly, we extend the Coherently Distributed (CD) model and the Distributed Signal Parameter Estimator (DSPE) to the near-field case (NF-DSPE). The NF-DSPE requires the knowledge of the angular spread distribution of the sources; therefore, we propose a Joint Angle, Distance, Spread and Shape Estimator called JADSSE. It provides accurate estimation even when the angular spread shape distribution is unknown or imperfectly known and improves Direction of Arrival (DOA) separation of the CD sources.

Secondly, we extend the Decoupled DSPE (DDSPE) to near-field, yielding the NF-DDSPE. This method is based on decoupling the estimation of the DOA and the range from the estimation of the angular spread. The NF-DDSPE method allows estimating the DOAs and ranges of CD sources without knowing their angular shape distributions. However when the angular spread is required, we propose the DADSSE which consists in using JADSSE with NF-DDSPE to successively estimate the DOA, the range of the source and then its spread and shape distribution.

Thirdly, considering the setup parameters of the Renault wind tunnel application, we build up the CD model considering the two dimensional spatial spread of the source in the Cartesian coordinates form. Then, our previously proposed estimators are adapted to the two dimensional Cartesian case. Next, we propose two approaches for source power estimation. The first one uses the Generalized Beamforming pseudo-spectrum and the second one is a least square estimator based on the array correlation matrix. Both of the methods overcome the challenge of estimating weak power sources. Results show, on one side, the limitation of considering point source estimators for distributed sources, and on another side, the advantage of considering the shape for the distributed source localization and their power estimation.

Finally, the previously proposed methods are used on the Renault real data. Results show that the main contributing sources appear with the point and distributed source estimators with a slight variation for this latter. However, using the distributed source based estimators: i) shows the presence of new CD sources; ii) offers the spread and shape estimation to improve the characterization of these sources; iii) detects overlapped aero-acoustic CD sources with NF-DSPE and JPSSE; iv) increases the dynamic power range estimation to detect both weak and powerful sources. In conclusion, we provide a tool for a better mapping of the aero-acoustic sources by accounting the position, spread, power and shape estimation.