In marine environments, acoustic wave propagation is determined by sound-speed variations in the water column (related to salinity, temperature and pressure) , and seafloor properties in shallow environments. The refraction index variations and the boundary conditions guide the wave propagation so that an important amount of acoustic energy can propagate over long distances. Measurements of acoustic transmissions coupled with propagation models can be inverted to infer the water column properties (tomography) and the seafloor and subseafloor properties (geoacoustics). In this thesis a new method for shallow water inversion based on the sequential assimilation of acoustic measurements in Kalman filters is developed. Filtering algorithms for nonlinear systems, as the ensemble Kalman filter (EnKF), enable the integration of complex acoustic propagation models in the measurement model. The inverse problem is here reformulated into a state-space model to track sequentially the parameters (temperature, receiver positions, etc.) and their uncertainty by filtering regularly new acoustic data. Different applications are proposed to demonstrate the sequential acoustic filtering approach. First, the problem of characterizing horizontal inhomogeneities in the sound-speed field between an acoustic source and a vertical array of receivers is addressed. Starting from a range-averaged sound-speed profile, the filtering of complex multifrequency data enables the estimate and tracking of the range-dependence of the sound-speed field. The second application deals with the geoacoustic inversion problem based on a mobile source-receiver setup. The filtering approach is shown to provide more stable results than conventional inversion methods with a reduced computational burden. The last application is dedicated to the tracking of specific oceanic structures affecting the sound-speed field, here thermal fronts. An original parameterization scheme which is specific to the tracked feature is developed and enables to monitor the principal characteristics of the sound-speed field by filtering multifrequency acoustic data. This work shows that the sequential filtering approach of transmitted acoustic data can lead to environmental estimates on spatial and temporal scale of interest for regional or coastal oceanographic models and can supplement the dataset assimilated nowadays for forecasting purposes./Dans les environnements marins, la propagation des ondes acoustiques est directement conditionnée par les variations de vitesse de propagation dans l'eau (liée à la température, la salinité et la pression hydrostatique), ainsi que les propriétés du fond, lorsque le milieu est peu profond. La propagation de ces ondes, typiquement guidée par les variations d'indice de réfraction et les conditions aux limites, permet de transmettre une quantité d'énergie acoustique importante sur de longues distances. Associées à des modèles de propagation, des mesures de transmission acoustique peuvent être inversées afin de déterminer les propriétés de l'environnement sondé, que ce soit de la colonne d'eau (tomographie) ou du fond marin (géoacoustique). Dans cette thèse, une nouvelle méthode d'inversion en milieu peu profond, basée sur l'assimilation séquentielle de mesures acoustiques dans des filtres de Kalman, est développée. Les algorithmes de filtrage développés pour les systèmes non linéaires, tel que l'ensemble Kalman filter (EnKF), permettent d'intégrer des modèles de propagation acoustique complexes au sein du modèle de mesure. Le problème inverse est reformulé de façon séquentielle, en un modèle d'espace d'états, de sorte que l'évolution des paramètres (température, positions des récepteurs, etc.) et de leur incertitude est suivie au fur et à mesure de l'assimilation de nouvelles mesures. Différentes applications sont proposées pour démontrer les performances du filtrage séquentiel. Le premier problème abordé est celui de l'inversion et du suivi des inhomogénéités horizontales du champ de vitesse entre une source acoustique et une antenne verticale de récepteurs. A partir d'un profil de vitesse moyen sur la distance source-récepteurs, le filtrage de mesures complexes multi-fréquences permet d'estimer la dépendance horizontale du champ de vitesse et son évolution au cours du temps. La nature séquentielle de l'algorithme de filtrage motive la seconde application, dédiée à l'estimation des paramètres géoacoustiques d'un environnement à partir d'une configuration source-récepteur mobile. Les résultats démontrent que l'approche par filtrage permet d'obtenir des estimations géoacoustiques plus stables que celles obtenues par les méthodes d'inversion conventionnelles avec un coût de calcul réduit. La troisième et dernière application est dédiée au suivi de structures océaniques marquées, tels que les fronts thermiques. Une paramétrisation originale spécifique à la structure inversée est proposée et permet d'estimer et de suivre les caractéristiques principales du champ de température par filtrage de données acoustiques multi-fréquences. Ce travail montre que l'approche séquentielle de l'inversion des données acoustiques peut mener à des estimations environnementales sur des échelles spatiales et temporelles d'intérêt pour les modèles océanographiques côtiers et régionaux, de façon à compléter les données assimilées quotidiennement pour les prédictions.

Les travaux présentés dans ce mémoire visent à développer une méthode globale d'inversion des paramètres géoacoustiques par grands fonds, dans le cadre du REA (Rapid Environmental Assesment ; Evaluation Rapide de l'Environnement)) acoustique opérationnel. La méthode développée utilise du Matched Impulse Response de signaux large bande. La finalité est de renseigner les sonaristes opérationnels du domaine de la lutte anti sous-marine sur les paramètres du fond, afin qu'il puissent améliorer l'évaluation des performances de leurs senseurs acoustiques. Ces travaux doivent fournir des enseignements utiles à la conception du prototype ftitur de REA acoustique STEREO de l'EPSHOM/CMO. La validation du concept s'opère dans cette thèse après la mise en place d'une démarche globale d'inversion basée sur l'ajustement des réponses impulsionnelles mesurées en transmission et des réponses irnpulsionnelles simulées par un modèle prenant en compte les paramètres du fond. Deux étapes d'inversion sont nécessaires visant à retrouver d'une part la configuration expérimentale puis ensuite les caractéristiques de la nature du fond. La méthode d'inversion développée est appliquée de façon quasi-automatisée à un jeu de données synthétiques complexes, élaborées à partir d'un simulateur temps réel de la propagation acoustique. Les essais sur données synthétiques permettent tout d'abord de valider la faisabilité de la méthode quant à ses performances de détection d'une transition horizontale de la porosité, et quant au respect de la contrainte opérationnelle du délai d'estimation. Ils permettent de qualifier de plus l'impact de l'effet Doppler sur les performances de l'inversion. Celle-ci est ensuite testée sur un jeu de données acoustiques et environnementales réelles mis à disposition par le Centre Militaire d'Océanographie de l'EPSHOM. Ces données correspondent à la campagne de REA HERACLES qui a eu lieu par grands fonds, cas défavorable pour l'inversion en raison du faible contenu informatif des signaux. La prise en compte d'un modèle numérique de terrain dans la méthode d'inversion permet de d'inverser un milieu évolutif avec la distance et de synthétiser l'ensemble des résultats de l'inversion des données d'une campagne typique de REA. Ces travaux permettent de dégager des configurations pour lesquelles l'inversion peut fonctionner en temps réel, ce qui valorise le principe de la méthode développée et les développements réalisés.

Le travail de thèse présenté dans ce mémoire a permis le développement d'une nouvelle méthode de caractérisation des fonds marins : la méthode des sources images. Elle repose sur une modélisation physique de la réflexion des ondes émises par une source omnidirectionnelle sur un milieu stratifié sous l'approximation de Born. Ainsi, chaque réflexion de l'onde sur une interface du milieu stratifié peut être représentée par une source image dont la position spatiale est directement liée à la vitesse des ondes acoustiques dans les strates et aux épaisseurs de celles-ci. La détection des sources images par la migration des signaux enregistrés sur une antenne et l'utilisation d'une fonction de semblance permet alors d'obtenir le profil de célérité d'une structure sédimentaire. La méthode ne nécessite donc l'enregistrement des échos réfléchis sur le fond marin par une antenne d'hydrophones que pour un seul tir de la source. Les principaux avantages de la méthode sont son automatisation, son faible coût de calcul (donc sa rapidité), sa bonne robustesse par rapport au bruit et l'aspect local de l'inversion. Les résultats obtenus avec des données réelles sont très satisfaisants tant avec l'utilisation d'une antenne verticale qu'avec une antenne horizontale. En particulier, l'utilisation de l'antenne horizontale permet d'effectuer des inversions locales répétées le long d'une radiale et ainsi d'obtenir une inversion d'un système stratifié dont la structure varie avec la distance.

Le milieu marin recèle de nombreuses sources acoustiques Ultra Basse Fréquence (UBF : 0-100Hz), qu'elles soient naturelles ou d'origine humaine. Les ondes UBF sont d'excellents porteurs d'information, aussi bien pour caractériser l'environnement que pour localiser des sources acoustiques. Cependant, la propagation des ondes UBF en milieu marin est dispersive, et cette dispersion est ambivalente. Elle déforme un signal large bande au cours de sa propagation, rendant son étude plus compliquée. En revanche, son analyse permet de remonter aux informations sur le canal de propagation et sur la localisation de la source. Cette étude propose des outils d'analyse de la dispersion UBF dans le cas défavorable d'une réception monocapteur en milieu petit fond. En caractérisant le signal reçu dans le domaine temps-fréquence grâce à des outils de warping, il est possible d'effectuer l'inversion géoacoustique sur un unique récepteur et la localisation de source sur un réseau parcimonieux d'hydrophones. Les méthodes proposées ne sont pas applicables aux environnements de type grand fond. Pour y remédier, une étude de la dispersion basée sur l'invariant océanique est alors proposée. Elle permet de réaliser la localisation de source en utilisant une antenne horizontale de récepteurs. Toutes les méthodes développées lors de cette étude ont été validées sur des simulations et des données expérimentales marines. Un effort particulier a été fourni pour proposer des méthodes applicables en contexte opérationnel, et plusieurs expériences en cuve ultrasonore ont été réalisées.

La connaissance de l'environnement marin est nécessaire pour un grand nombre d'applications dans le domaine de l'acoustique sous-marine comme la communication, la localisation et détection sonar et la surveillance des mammifères marins. Il constitue le moyen principal pour éviter les interférences néfastes entre le milieu naturel et les actions industriels et militaires conduites en zones côtières.Notre travail de thèse se place dans un contexte de sonar actif avec des fréquences allant de 1 kHz à 10 kHz pour des distances de propagations allant de 1 km à plusieurs dizaines de kilomètres. Nous nous intéressons particulièrement aux environnements de propagation grands fonds, à l'utilisation des antennes industrielles comme les antennes de flancs, les antennes cylindriques et les antennes linéaires remorquées, et à l'utilisation de signaux large bande afin de travailler avec des résolutions en distance et en vitesse très élevées. Le travail de recherche présenté dans ce mémoire est dédié à la recherche de nouveaux paramètres discriminants pour la classification de cible sous-marine en sonar actif et notamment à l'estimation de l'immersion instantanée.Cette étude présente : (1) les calculs de nouvelles bornes de Cramer-Rao pour la position d'une cible en distance en et en profondeur, (2) l'estimation conjointe de la distance et de l'immersion d'une cible à partir de la mesure des temps d'arrivées et des angles d'élévations sur une antenne surfacique et (3) l'estimation conjointe de la distance, de l'immersion et du gisement d'une cible à partir de la mesure des temps d'arrivées et des pseudo-gisements sur une antenne linéaire remorquée.Les méthodes développées lors de cette étude ont été validées sur des simulations, des données expérimentales à petite échelle et des données réelles en mer. / The knowledge of the marine environment is required for many underwater applications such as communications, sonar localization and detection, and marine mammals monitoring. It enables preventing harmful interference between the natural environment and industrial and military actions in coastal areas.This thesis work concentrates upton the context of active sonar with frequencies from 1 kHz to 10 kHz and long propagation ranges from 1 km to several tens of kilometers. We also concentrates upon deep water environment, the use of industrial arrays such as cylindrical arrays, flank arrays and linear towed arrays, and the use of large time-bandwidth signals in order to obtain high distance and speed resolutions. This research work is dedicated to the research of new features for the underwater target classification in active sonar, and specifically to the instantaneous target-depth estimation.This thesis presents: (1) calculations of new Cramer-Rao bounds for the target-position in range and in depth, (2) the joint estimation of the target-depth and the target-range from the arrival time and elevation angle measures with a surface array, (3) the joint estimation of the target-depth, the target-range and the target-bearing from the arrival time and pseudo-bearing angle measures with a linear towed array.The methods presented in this manuscript have been benchmarked on simulation, on reduced-scale experimental data and real marine data.

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.

La mer Ionienne est une zone à la géodynamique active en raison de la convergence entre les plaques Nubie et Eurasie. Elle correspond aux derniers stades de vie d’un océan, la Téthys. De ce fait, la tectonique et la sédimentation y sont très réduites ; et les faibles flux sédimentaires permettent ainsi d’enregistrer une multiplicité de processus sédimentaires.Néanmoins, c’est une zone encore peu étudiée d’un point de vue sédimentaire, notamment sur les échelles de temps de l’ordre de la centaine de milliers d’années. Ce travail est basé sur une étude sédimentologique d’archives marines complétée par des données acoustiques (bathymétrie et multi-faisceau) issue de campagnes océanographiques du SHOM. L’analyse détaillée des faciès et des séquences sédimentaire a permis, dans un premier temps, d’établir un calendrier des risques naturels (séismes, tsunamis, volcanisme), leurs sources et leurs processus de dépôt dans le bassin pour les derniers 330 000 ans. Puis, dans un second temps, de retracer l’évolution sur les derniers 400 000 ans de la circulation et de l’oxygénation des eaux de fond dans le bassin ionien et l’influence du détroit de Sicile, et notamment de la plate-forme de Malte, sur les échanges entre les bassins occidental et oriental. L’intégration des données sédimentologiques dans un modèle géoacoustique développé par le SHOM a finalement permis de déterminer l’impact des variations sédimentaires (distribution spatiale, lithologie, stratification) sur la propagation des ondes acoustique pour différentes gammes de fréquences (300 Hz - 3000 Hz) et d’angle d’incidence (0 -90°) et d’établir une cartographie de la réponse sédimentaire du le signal acoustique. / The Ionian Sea is an active geodynamic area because of the convergence between theNubia and the Eurasia plate. It corresponds to the last stage of the Tethys ocean life. Therefore,the tectonics and the sedimentation are much reduced; and the low sedimentary supply enables torecord a multiplicity of sedimentary processes. Nevertheless, this area still poorly studied from asedimentary point of view, in particular on timescales on the order of hundred thousand years.This work is based on a sedimentological study of marine archives supplemented by acoustic data(bathymetry and multibeam imagery) recovered during oceanographic campaign leaded by theSHOM. The detailed sedimentary analysis of facies and sequences allows, at first, to established acalendar of the natural hazard (earthquakes, tsunamis, volcanism), their origins and theirdepositional processes into the basin over the last 330 000 years. Then, secondly, to reconstructthe evolution over the last 400 000 years of the circulation and the oxygenation of bottom waterthrough the Ionian basin and the influence of the strait of Sicily, in particular of the Malta Plateau,on the exchanges between the western and the eastern basins. The integration of thesedimentological data in a geoacoustic modelling developed by the SHOM finally allowed todetermine the impact of the sedimentary variability (special distribution, lithology, stratification)on the acoustic waves propagation for various frequency bands (300 Hz - 3000 Hz) and incidentangle (0 - 90°) and to established a mapping of the sedimentary answer of the acoustic signal.

In marine environments, acoustic wave propagation is determined by sound-speed variations in the water column (related to salinity, temperature and pressure) ,and seafloor properties in shallow environments. The refraction index variations and the boundary conditions guide the wave propagation so that an important amount of acoustic energy can propagate over long distances. Measurements of acoustic transmissions coupled with propagation models can be inverted to infer the water column properties (tomography) and the seafloor and subseafloor properties (geoacoustics).<p><p>In this thesis a new method for shallow water inversion based on the sequential assimilation of acoustic measurements in Kalman filters is developed. Filtering algorithms for nonlinear systems, as the ensemble Kalman filter (EnKF), enable the integration of complex acoustic propagation models in the measurement model. The inverse problem is here reformulated into a state-space model to track sequentially the parameters (temperature, receiver positions, etc.) and their uncertainty by filtering regularly new acoustic data.<p><p>Different applications are proposed to demonstrate the sequential acoustic filtering approach. First, the problem of characterizing horizontal inhomogeneities in the sound-speed field between an acoustic source and a vertical array of receivers is addressed. Starting from a range-averaged sound-speed profile, the filtering of complex multifrequency data enables the estimate and tracking of the range-dependence of the sound-speed field.<p>The second application deals with the geoacoustic inversion problem based on a mobile source-receiver setup. The filtering approach is shown to provide more stable results than conventional inversion methods with a reduced computational burden. The last application is dedicated to the tracking of specific oceanic structures affecting the sound-speed field, here thermal fronts. An original parameterization scheme which is specific to the tracked feature is developed and enables to monitor the principal characteristics of the sound-speed field by filtering multifrequency acoustic data.<p><p>This work shows that the sequential filtering approach of transmitted acoustic data can lead to environmental estimates on spatial and temporal scale of interest for regional or coastal oceanographic models and can supplement the dataset assimilated nowadays for forecasting purposes./Dans les environnements marins, la propagation des ondes acoustiques est directement conditionnée par les variations de vitesse de propagation dans l'eau (liée à la température, la salinité et la pression hydrostatique), ainsi que les propriétés du fond, lorsque le milieu est peu profond. La propagation de ces ondes, typiquement guidée par les variations d'indice de réfraction et les conditions aux limites, permet de transmettre une quantité d'énergie acoustique importante sur de longues distances. Associées à des modèles de propagation, des mesures de transmission acoustique peuvent être inversées afin de déterminer les propriétés de l'environnement sondé, que ce soit de la colonne d'eau (tomographie) ou du fond marin (géoacoustique).<p><p>Dans cette thèse, une nouvelle méthode d'inversion en milieu peu profond, basée sur l'assimilation séquentielle de mesures acoustiques dans des filtres de Kalman, est développée. Les algorithmes de filtrage développés pour les systèmes non linéaires, tel que l'ensemble Kalman filter (EnKF), permettent d'intégrer des modèles de propagation acoustique complexes au sein du modèle de mesure. Le problème inverse est reformulé de façon séquentielle, en un modèle d'espace d'états, de sorte que l'évolution des paramètres (température, positions des récepteurs, etc.) et de leur incertitude est suivie au fur et à mesure de l'assimilation de nouvelles mesures.<p><p>Différentes applications sont proposées pour démontrer les performances du filtrage séquentiel. Le premier problème abordé est celui de l'inversion et du suivi des inhomogénéités horizontales du champ de vitesse entre une source acoustique et une antenne verticale de récepteurs. A partir d'un profil de vitesse moyen sur la distance source-récepteurs, le filtrage de mesures complexes multi-fréquences permet d'estimer la dépendance horizontale du champ de vitesse et son évolution au cours du temps. La nature séquentielle de l'algorithme de filtrage motive la seconde application, dédiée à l'estimation des paramètres géoacoustiques d'un environnement à partir d'une configuration source-récepteur mobile. Les résultats démontrent que l'approche par filtrage permet d'obtenir des estimations géoacoustiques plus stables que celles obtenues par les méthodes d'inversion conventionnelles avec un coût de calcul réduit. La troisième et dernière application est dédiée au suivi de structures océaniques marquées, tels que les fronts thermiques. Une paramétrisation originale spécifique à la structure inversée est proposée et permet d'estimer et de suivre les caractéristiques principales du champ de température par filtrage de données acoustiques multi-fréquences.<p><p>Ce travail montre que l'approche séquentielle de l'inversion des données acoustiques peut mener à des estimations environnementales sur des échelles spatiales et temporelles d'intérêt pour les modèles océanographiques côtiers et régionaux, de façon à compléter les données assimilées quotidiennement pour les prédictions. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished