Cette thèse porte sur la localisation de sources acoustiques sous-marines avec application à une expérience en mer. Nous proposons une nouvelle méthode d'appariement basée sur une métrique appelée distance de Hausdorff (HD) en tant que fonction de coût à minimiser, afin d'effectuer l'inversion de localisation. La localisation 2D, en distance et en profondeur, est réalisée en faisant correspondre les schémas de différence de temps d'arrivée (TDOA) en utilisant un seul hydrophone à la réception et en faisant correspondre le TDOA et l'Angle d'arrivée (AOA) lors de l'utilisation d'un tableau des hydrophones à la réception, entre des séquences respectivement mesurées et modélisées. Le TDOA modélisé a été obtenu sur la base du modèle de propagation acoustique Ray-path. Les ensembles de données analysés ici ont été collectés dans un contexte de localisation passive en considérant une cible immobile et dans deux expériences : la cuve acoustique de GIPSA-LAB utilisant des systèmes coopératifs et non coopératifs vérifiés par des simulations du rapport signal sur bruit et sur la campagne ALMA 2015, collectée par la Direction générale de l'armement (DGA) en utilisant un système coopératif qui s'est déroulé dans un environnement en eaux peu profondes de la côte sud de la France. Au cours de l’expérience ALMA, les données acoustiques ont été mesurées sur un réseau linéaire vertical (VLA) de 10 m de haut, composé de 64 hydrophones, ce qui permet non seulement d’adapter le TDOA mais également l’angle d’arrivée (AOA). Plusieurs variantes de la distance de Hausdorff sont appliquées dans deux processus différents: premièrement, séparément dans chaque hydrophone, puis combinées pour améliorer la précision de la localisation (diversité spatiale), et la seconde où les informations des différents hydrophones sont combinées (formation de faisceaux), pour trouver l'emplacement cible. Les résultats des deux processus sont comparés et prouvés pour réduire l'ambiguïté soit la profondeur et la portée, améliorant ainsi la précision finale. Le Cramer Rao Bound montrant la variance minimale effectuée sur la base d’équations déterministes est présenté avec le meilleur résultat de chaque processus. Une performance et une précision très satisfaisantes sont obtenues. Les conclusions et les perspectives de ce travail sont discutées à la fin. / This thesis addresses an acoustic underwater source localization with application to an at-sea experiment. We propose a new matching method based on a fit-metric called as Hausdorff distance (HD) as a cost-function to be minimized, in order to perform the localization inversion. The 2-D localization, in range and depth, is performed by matching the patterns of time difference of arrival (TDOA) when using only one hydrophone at the reception and by matching the TDOA and the Angle of Arrival (AOA) when using an array of hydrophones at the reception, between respectively measured and modeled sequences. The modelled TDOA was obtained based on the Ray-path acoustic propagation model. The data sets analyzed here were collected during two experiments in a context of passive localization considering a motionless target: The tank of GIPSA-LAB using cooperative and non-cooperative systems which were verified by simulations with respect to the signal-to-noise ratio and the ALMA 2015, collected by the Direction générale de l’armement (DGA) using a cooperative system which took place in a shallow water environment of the southern coast of France. During the ALMA experiment the acoustic data were measured over a 10m-high vertical linear array (VLA), composed of 64 hydrophones, allowing not only matching the TDOA but also the Angle of Arrival (AOA). Several variants of the Hausdorff Distance are applied in two different processes: First, separately in each single hydrophone, and then combined in order to improve the localization accuracy (spatial diversity), and the second, the information from the different hydrophones are combined (beamforming) and the HD variants are applied to find the target location. The results of both processes are compared and proved to reduce the ambiguity either is depth and in range, thus improving the final accuracy. The Cramer Rao Bound showing the minimal variance performed based on deterministic equations is presented with the best result of each process. Very satisfactory performance and accuracy are obtained. The conclusions and perspectives of this work are discussed at the end.

Le but de cette thèse est l'étude et la mise en oeuvre d'un système de localisation sous-marine compact et simple à mettre en place pour une utilisation en zones portuaires, côtières et environnements peu profonds. Nous proposons un système SBL (Small Distance Baseline) avec un nombre réduit de transducteurs (une balise d'émission et deux hydrophones). La configuration géométrique du système étant contraignante (hydrophones proches) la précision du positionnement obtenue par les méthodes classiques est faible. Nous proposons une nouvelle méthode de localisation améliorant la précision. La balise à localiser émet un signal à étalement de spectre. La différence de distance entre les trajets des signaux des hydrophones est mesurée par corrélation. Nous proposons deux boucles de poursuites pour l'estimation conjointe de la fréquence Doppler et du délai entre les signaux reçus. Ces techniques de poursuite basées sur un filtre de Kalman sont implémentées en boucle fermée et ouverte. Les observations TDOA (Time Difference Of Arrival) conduisent à utiliser une technique de localisation hyperbolique. Nous proposons une représentation statistique qui exploite la géométrie de notre système de mesure pour déterminer une zone de localisation probable autour de chaque hyperbole. En utilisant des positions de bateau successives, on construit une densité de probabilité dont le maximum définit la position de la balise. On montre sur données synthétiquesque pour un bruit de mesure réaliste, il est possible de déterminer la position de la balise avec une précision submétrique. Les expérimentations réelles confirment la faisabilité du système et la précision obtenue est dans ce cas métrique. / The purpose of that thesis work is the research and implementation of a compact and simple underwater localization system that aim to be used in ports, coastal areas and other low-depth environments. Our system is SBL (Small Distance Baseline), with a small number of transceivers (only one emitter and two hydrophones). Due to the system's geometric configuration not being optimal (both hydrophones are close to one another), the precision obtained using classical approaches is poor. We therefore propose a new localization approach that will improve it. The emitter we wish to localize emit a spread spectrum signal. The time difference of arrival (TDOA) between the two hydrophones is then determined using correlations methods. We propose in our work two tracking loops that will estimate both the delay and the doppler frequency between the signals. Using a Kalman filter , those methods are implemented respectively in open and close loop. From each TDOA measurement, we can calculatea hyperbolic area of possible emitter location. We thus use a statistical model which takes into account the local geometry of our measurements system in order to create a probable localization area around each hyperbole. By using the measurements at several different boat positions, we create a probability density whose maximum will be centered around the emitter's position. We show that, on simulated data, it is possible to localize the beacon with a precision beneath a meter with a realistic noise level. Experimental work and real data collection confirm that the method can in that context achieve the same result with a precision of a few meters.