Même s'ils n'appartiennent pas a une classe de signaux bien définie, les signaux transitoires se retrouvent dans plusieurs domaines pratiques très différents (comme les signaux médicaux et les signaux utilisés dans des systèmes de télécommunications), donc le développement des outils robustes et efficients pour faire leur analyse est un objectif important dans le traitement du signal. En particulier, cette thèse s'est concentrée surtout sur la résolution de quelques problèmes de traitement du signal posés par l'investigation ultrasonore de l'eau dans des conduites. Cependant, ce contexte applicatif a été utilisé seulement comme une base pour développer des outils génériques qui peuvent trouver leur utilité dans plusieurs d'autres applications. La thèse a abordé la question du traitement des signaux (transitoires) du point de vue du concept de récurrence dans l'espace des phases, qui est emprunté de la théorie des systèmes dynamiques. Nous avons montré que l'analyse du diagramme des recurrences (RPA) apporte dans le traitement du signal deux concepts importants : l'échantillon vectoriel, et la récurrence. L'utilisation de ces concepts nous a permis de généraliser et d'étendre des outils de traitement du signal bien connus, et aussi de construire des représentations de signal qui se sont révélées utiles dans des différentes tâches liées à la détection et à la caractérisation des transitoires. Essentiellement, dans cette thèse nous avons montré que la RPA peut être vue comme un cadre générique qui unifie dans une formulation commune des diverses outils bien connus dans le traitement du signal. En plus, elle généralise ces outils (à l'aide du concept des échantillons vectoriels) et les étend (en utilisant le concept de récurrence). / Although they do not belong to a very well defined class of signals, transient signals are found in many practical fields (from biological signals to signals used in telecommunication systems), so the development of robust and efficient tools for their analysis is an important objective in signal processing. In particular, this thesis was focused mainly on solving some signal analysis problems raised by the ultrasonic investigation of water in pipes. However, this applicative context was used only as a basis for developing generic tools that can find their usefulness in various other applications. The thesis addressed the issue of (transient) signal analysis from the perspective of the phase space recurrence concept, borrowed from dynamical systems theory. We showed that recurrence plot analysis (RPA) brings into the field of signal processing two important concepts: vector samples, and recurrence. The use of these concepts allowed us to generalize and extend well-known signal processing tools, as well as to build signal representations that proved to be useful in various tasks related to transient signal detection and characterization. Basically, in this thesis we have shown that RPA can be seen as a generic framework that unifies in a common formulation various well-known classic signal processing tools, which it generalizes (by using the concept of vector samples) and extends (by using the concept of recurrence).

Le milieu marin est insonifié par une grand variété de sources acoustiques, qui peuventêtre monitorées par des enregistreurs acoustiques passifs autonomes. Parmi les sons enregistrés, ontrouve un grand nombre de signaux transitoires (signaux éphémères de durée courte), auxquelsappartiennent notamment les signaux impulsionnels que nous étudions dans cette thèse. Les signauximpulsionnels ont des propriétés spécifiques, telles que leur durée très courte (<1ms), leur faiblenombre d’oscillations, leur forte directivité, qui les rendent difficiles à étudier avec les outils detraitement du signal traditionnels (transformée de Fourier, autocorrélation, etc.).Dans un premier temps, nous nous intéressons à la détection des sources qui émettent des sériesd’impulsions rythmées (dauphins, cachalots, bélugas). Cette détection, s’appuie uniquement surles temps d’arrivée des impulsions reçues, pour effectuer une analyse du rythme au moyen d’uneautocorrélation complexe, et construire une représentation temps-rythme, permettant : i) de détecterles rythmes, ii) de connaître les temps de début et fin des émissions rythmées, iii) de connaître lavaleur du rythme et son évolution.Dans un second temps, nous étudions le potentiel d’une technique appelée analyse par récurrence desphases, pour caractériser les formes d’onde des impulsions. Après avoir présenté le cadre général decette méthode d’analyse, nous l’utilisons dans trois chaînes de traitement répondant à chacune destâches suivantes : i) détection des transitoires, ii) caractérisation et reconnaissance des transitoires,iii) estimation des différences des temps d’arrivée des transitoires sur deux capteurs.Toutes les méthodes développées dans cette étude ont été testées et validées sur des données simuléeset sur des données réelles acquises en mer / The underwater environment is insonified by a wide variety of acoustic sourcesthat can be monitored by autonomous passive acoustic recorders. A large number of the recordedsounds are transient signals (short-finite duration signals), among which the pulse signals that westudy in this thesis. Pulse signals have specific properties, such as a very short duration (<1ms), fewoscillations, a high directivity, which make them difficult to study by classical signal processing tools(Fourier transform, autocorrelation).In the first part of this study, we develop a method to detect sound sources emitting rhythmic pulsetrains (dolphins, sperm whales, beluga whales). This detector uses only the time of arrival of pulses atthe hydrophone to perform a rhythm analysis based on a complex autocorrelation and a time-rhythmrepresentation. This allows : i) to detect rhythmic pulse trains, ii) to know the beginning and endingtimes of pulse trains, iii) to know the value of the rhythm.In the second part of this thesis, we study the potential of a method called Recurrence Plot Analysis tocharacterize waveforms of pulse signals. After a general presentation of this method we develop threesignal processing architectures based on it, to perform the following tasks : i) transient detection, ii)transient characterization and pattern recognition, iii) estimation of time difference of arrival of thetransient on two hydrophones.All the methods developped in this thesis are validated on simulated and real data recorded at sea.

La déformation des signaux au long de leur trajet de propagation est un des plus importants facteurs qui doivent être considérés à la réception. Ces effets sont dus à des phénomènes comme l’atténuation, la réflexion, la dispersion et le bruit. Alors que les premiers deux phénomènes sont assez facile à surveiller, parce qu’elles affectent l’amplitude, respectivement le retard des signaux, les deux derniers phénomènes sont plus difficiles à contrôler, parce qu’elles changent les paramètres du signal (amplitude, fréquence et phase) de manière totalement dépendante de l’environnement.Dans cette thèse, l’objectif principal est de contribuer à l’analyse des signaux liés aux différents phénomènes physiques, en visant une meilleure compréhension de ces phénomènes, ainsi que l’estimation de leurs paramètres qui sont intéressants de point de vue applicatif. Plusieurs contextes applicatifs ont été investigués dans deux configurations de : active et passive.Pour la configuration active, le premier contexte applicatif consiste en l’étude du phénomène de cavitation dans le domaine de la surveillance de systèmes hydrauliques. La deuxième application de la configuration active est la détection et le suivi des objets immergés sans synchronisation entre les capteurs d’émission et de réception.Pour la configuration passive, nous nous concentrons sur l’analyse des transitoires de pression dans les conduites d’eau en utilisant une méthode non-intrusive ainsi que sur la surveillance des réseaux d’énergie électrique en présence des phénomènes transitoires comme les arcs électriques.Malgré les différences entre les considérations physiques spécifiques à ces applications, nous proposons un modèle mathématique unique pour les signaux issus des deux types de configurations. Le modèle est basé sur l’analyse des récurrences. Avec ce concept, nous proposons une nouvelle approche pour les ondes basées sur l’espace des phases. Cette technique de construction des formes d’ondes présente l’intérêt de conduire à des méthodes de d’investigation active à haut cadence, très utiles pour la surveillance des phénomènes dynamiques.En plus, nous proposons des approches nouvelles pour l’investigation des caractéristiques des signaux. La première est la mesure TDR* (Time Distributed Recurrences) qui quantifie la matrice des récurrences/ distances et qui est utilisée pour la détection des signaux transitoires. La deuxième approche est l’analyse des phases à plusieurs retards et elle est utilisée pour la discrimination entre des signaux avec des paramètres très proches. Finalement, la quantification des lignes diagonales de la matrice des récurrences est proposée comme alternative pour l’analyse des signaux modulés en fréquence.Les travaux présentent les résultats expérimentaux en utilisant les méthodes théorétiques proposées dans cette thèse. Les résultats sont comparés avec des techniques classiques.Des perspectives de ces travaux, tant dans les domaines théorique et qu’applicatif, sont discutés à la fin du mémoire. / Signals’ deformation along their propagation path is among the most important aspect which has to be taken into account at reception. These effects are caused by phenomena like attenuation, reflection, dispersion and noise. Whereas the first two are rather easy to monitor, because they affect the amplitude, respectively the delay, the latter two are more difficult to control, because they change signals’ parameters (amplitude, frequency and phase) in an environment-dependent manner.In this thesis, the main objective is to contribute to the analysis of signals related to different physical phenomena, aiming to better understand them as well as to estimate their parameters that are interesting from application point of view. Different applicative contexts have been investigated in active and passive sensing configurations. For the active part, we mention the monitoring of cavitation phenomena and its characterization for hydraulic system surveillance. The second application of the active sensing is the underwater object detection and tracking without synchronization between sensors. For the passive configuration, we focus on the pressure transient analysis in water pipes investigation with a non-intrusive method and on the surveillance of electrical power systems in the presence of transient phenomena such as electrical arcs.Despite the differences between the physical considerations, we propose a unique mathematical model of the signals issued from the active/passive sensing system used to analyze the considered phenomena. This model is based on the Recurrence Plot Analysis (RPA) method. With this concept, we propose the phase-space based waveform design. This waveform design technique presents the interest to conduct to a high speed sensing methods, very useful to monitor dynamic phenomena.Moreover, we propose new tools for the investigation of the signals characteristics. The first one is the TDR* measure (Time Distributed Recurrences) that quantifies the recurrence/ distance matrix and it is used for the detection of transient signals. The second one is the multi-lag phase analysis using multiple lags and it is successfully used to discriminate between signals with close parameters. Finally, the diagonal lines quantification of RPA matrix is proposed as an alternative for the analysis of modulated signals.Our work presents the experimental results using the proposed theoretical methods introduced by this thesis. The results are compared with classical techniques.The perspectives of this thesis are presented at the end of this paper.