Ce travail de thèse propose d’analyser les signaux issus d’une source omnidirectionnelle sphérique réfléchis par un milieu sédimentaire stratifié et enregistré par une antenne d’hydrophones, en vue de caractériser quantitativement les sédiments marins aux moyennes fréquences, i.e. comprises entre 1 et 10 kHz. La recherche développée dans ce manuscrit propose une méthodologie facilitant la recherche des paramètres géoacoustiques du milieu avec la méthode des sources images, ainsi qu’un ensemble de solutions techniques appropriées afin d’améliorer cette méthode d’inversion récemment développée. La méthode des sources images repose sur une modélisation physique de la réflexion des ondes émises par une source sur un milieu stratifié sous l’approximation de Born. Par conséquent, la réflexion de l’onde sur le milieu stratifié peut être représentée par une collection de sources images, symétriques de la source réelle par rapport aux interfaces, dont les positions spatiales sont liées à la vitesse des ondes acoustiques et aux épaisseurs des couches. L’étude se décline en deux volets : traitements des signaux et inversion des paramètres géoacoustiques. La première partie du travail est focalisée sur le développement de la méthode des sources images. La méthode originelle se basait sur la construction de cartes de migration et de semblance de signaux pour déterminer les paramètres d’entrée de l’algorithme d’inversion qui sont des temps de trajet et des angles d’arrivée. Afin d’éviter cette étape, nous détectons les temps d’arrivée avec l’opérateur d’énergie de Teager-Kaiser (TKEO) et nous trouvons les angles par une méthode de triangulation. Le modèle d’inversion a été ensuite intégré en prenant en compte la possibilité de déformation de l’antenne. Cette partie se termine par une nouvelle approche qui combine TKEO et des méthodes temps fréquence afin d’avoir une bonne détection du temps d’arrivée dans le cas de signaux fortement bruités. Sur le plan du modèle et de l’inversion géoacoustique, nous proposons tout d’abord une description précise du modèle direct en introduisant le concept de sources images virtuelles. Cette étape permet de mieux comprendre l’approche développée. Ensuite, nous proposons une extension de la méthode des sources image pour l’inversion de paramètres géoacoustiques supplémentaires : la densité, l’atténuation et la vitesse des ondes de cisaillement. Cette extension est basée sur les résultats de l’inversion originelle (estimation du nombre de strates, de leur épaisseur, et de la vitesse des ondes de compression) ainsi que sur l’utilisation de l’amplitude des signaux réfléchis. Ces améliorations et extensions de la méthode des sources images sont illustrées par leur application sur des signaux synthétiques et des signaux réels issus d’expérimentations en cuve et à la mer. Les résultats obtenus sont très satisfaisants, tant au niveau des performances de calcul que de la qualité des estimations fournies. / This thesis aims at analyzing the signals emitted from a spherical omnidirectional source reflected by a stratified sedimentary environment and recorded by a hydrophone array in order to characterize quantitatively the marine sediments at medium frequencies, i.e. between 1 and 10 kHz. The research developed in this manuscript provides a methodology to facilitate the estimation of medium geoacoustic parameters with the image source method, and some appropriate technical solutions to improve this recently developed inversion method. The image source method is based on a physical modeling of the wave reflection emitted from a source by a stratified medium under the Born approximation. As result, the reflection of the wave on the layered medium can be represented by a set of image sources, symmetrical to the real source with respect to the interfaces, whose spatial positions are related to the sound speeds and the thicknesses of the layers. The study consists of two parts : signal processing and inversion of geoacoustic parameters. The first part of the work is focused on the development of the image source method. The original method was based on migration and semblance maps of the recorded signals to determine the input parameters of the inversion algorithm which are travel times and arrival angles. To avoid this step, we propose to determine the travel times with the Teager-Kaiser energy operator (TKEO) and the arrival angles are estimate with a triangulation approach. The inversion model is then integrated, taking into account the possible deformation of the antenna. This part concludes with a new approach that combines TKEO and time-frequency representations in order to have a good estimation of the travel times in the case of noisy signals. For the modeling and geoacoustic inversion part, we propose first an accurate description of the forward model by introducing the concept of virtual image sources. This idea provides a deeper understanding of the developed approach. Then, we propose an extension of the image sources method to the estimation of supplementary geoacoustic parameters : the density, the absorption coefficient, and the shear wave sound speed. This extension is based on the results of the original inversion (estimation of the number of layers, their thicknesses, and the pressure sound speeds) and on the use of the amplitudes of the reflected signals. These improvements and extents of the image source method are illustrated by their applications on both synthetic and real signals, the latter coming from tank and at-sea measurements. The obtained results are very satisfactory, from a computational point of view as well as for the quality of the provided estimations.