Le coeur de cette thèse fait l'objet du traitement de signaux infrasonores et plus particulièrement de l'estimation et de la détection à l'aide d'un réseau de capteurs. Les thèmes abordés ici sont propices à l'expérimentation et nous avons essayé, autant que possible, d'illustrer les résultats théoriques obtenus à l'aide de données réelles. La première partie vise à décrire les implications et les difficultés liées à la détection de sources infrasonores. La littérature offrent déjà de nombreuses techniques de détection basées sur le test d'hypothèses qui sont alors exposées et complétées dans une optique de détection automatique. La seconde partie de cette thèse met en avant les erreurs de l'estimation de l'angle d'arrivée d'une onde lorsque les altitudes des capteurs d'une station sont ignorées (approximation courante). En réponse à ce problème, une estimation basée sur la géométrie complète de la station et comportant un a priori sur la vitesse de l'onde est dérivée et étudiée. L'estimation mentionnée ci-dessus permet de significativement améliorer les performances. Dans la troisième partie, nous introduisons la modélisation du signal infrasonore par un processus stationnaire de type autoregressif. Cette modélisation permet ensuite de développer une approche séquentielle pour la détection infrasonore basée sur le beamforming et la détection de hangement abrupte. La dernière partie de ce manuscrit a pour but de proposer un modèle "signal'' alternatif au modèle de retard pur. Il est présenté de nouveaux résultats mettant en avant un phénomène de perte de cohérence des signaux enregistrés par différents capteurs. Ces travaux aboutissent sur l'élaboration de méthodes de simulations de signaux synthétiques réalistes pour l'étude des performances des détecteurs infrasonores. / The core of this thesis is the infrasound signal processing and particularly the estimation and detection using a sensor array. The themes presented here are well-suited to experimentation and we tried, as much as possible, to illustrate the theoretical results with real data. The first part describes the implications and difficulties of infrasonic detection. We review the state-of-the-art of detection techniques based on hypothesis testing and supplement them with the aim of automatic detection. The second part of this thesis highlights the error on the angle of arrival estimation due to considering the arrays as planar (common approximation). In response to this problem, a new estimator considering the full geometry of the array and including an a priori on the speed of the infrasonic wave is derived and studied. We show that the described estimator significantly improve performance. The third part introduces the modeling of infrasonic signal as autoregressive process. This modeling allows us to derived a sequential approach to detect infrasound based on the beamforming and the detection of abrupt changes. The last part of this manuscript aims to propose an alternative "signal'' model. We present new results highlighting a phenomenon of loss of coherence of the signals recorded by different sensors. This work leads to the generation of synthetic infrasonic signal in order to study the performance of the detection algorithms.

Aujourd'hui, il n'existe pas d'étalon de référence pour la grandeur physique des pressions dynamiques infrasonores. La demande d'étalonnage d'une telle grandeur est apparue récemment, en réponse à des problématiques du domaine de la géophysique, étudiant la propagation d'ondes acoustiques dans l'atmosphère entre 20 Hz et 0,001 Hz, soutenue par la surveillance du respect du Traité d'Interdiction Complète des Essais Nucléaires (TICE). Dans le but de répondre à cet enjeu, cette thèse a pour objectif la réalisation d'un étalon primaire pour cette grandeur. Le contexte métrologique et quelques bancs d'étalonnage existants, utilisant des générateurs de pression dynamique infrasonore, sont présentés. Afin de concevoir le banc d'étalonnage primaire, les réponses en amplitude et en phase du générateur d'infrasons du CEA sont caractérisées analytiquement et expérimentalement. Par ailleurs, le principe de l'étalon primaire basé sur le pistonphone calculable utilise les mêmes modèles d'admittance acoustique de transfert des cavités cylindriques que ceux préconisés pour l'étalonnage primaire des microphones étalons par la méthode de la réciprocité en pression. Les limites des formulations normalisées sont identifiées pour les fréquences inférieures à 100 Hz. Deux solutions alternatives sont proposées, permettant de généraliser la gamme de fréquences au domaine des infrasons. La validité de ces formulations est démontrée expérimentalement. Enfin, à partir de ces travaux, le développement du banc primaire est détaillé, avec son modèle analytique et les choix mécaniques associés. / Currently, there is no reference standard for the dynamic infrasonic pressures physical quantity. The request for calibration of such a quantity has recently appeared, in response to geophysical issues, studying the propagation of acoustic waves in the atmosphere between 20 Hz and 0.001 Hz, supported by the monitoring of the respect of the Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty (CTBT). In order to meet this challenge, the aim of this thesis is to realize a primary standard for this quantity. The metrological context and some existing calibration benches, using infrasonic dynamic pressure generators, are presented. To design the primary calibration bench, the amplitude and phase responses of the CEA infrasound generator are characterized analytically and experimentally. In addition, the definition of the standard model is based on the primary method models for pressure calibration of standard microphones in the acoustic pressure range, using cylindrical cavities. The limits of the acoustic transfer admittance standard formulations for these cavities are identified for frequencies below 100 Hz. Two alternative solutions are proposed, allowing the frequency range to be extended to the infrasound domain. The validity of these formulations is demonstrated experimentally. Finally, based on this work, the development of the primary bench is detailed, with its analytical model and the associated mechanical choices.

La localisation des sources infrasonores est un exercice difficile, de par les grandes distances de propagation en jeu et en raison de la complexité du milieu atmosphérique. La compréhension de la propagation des ondes, le rôle et l'influence de l'atmosphère et de ses variations spatiales et temporelles, la connaissance des sources et des différents paramètres de détection, mais aussi la configuration et la répartition des stations du réseau de surveillance sont autant d'informations essentielles pour appréhender cet exercice. Dans l'optique de de l'obtention de localisations précises des évènements infrasonores, deux méthodes de construction de tables de propagations dépendant des stations, de la date et de l'heure sont introduites. Ces tables se basent sur des simulations par tracé de rayons par WASP-3D Sph (Windy Atmospheric Sonic Propagation), outil intégrant l'estimation de l'amplitude à l'aide de rais paraxiaux et la prise en compte des champs de vents horizontaux, en espace et en temps, le longs des trajectoires des rais. Les deux méthodes sont ensuite discutées et leurs performances comparées. Les tables sont centrées sur le récepteur, elles décrivent les variations spatiales des principaux observables infrasonores. Celles-ci offrent alors un instantané de la propagation atmosphérique dépendant de la distance entre la source et le récepteur, pour tout type de phases simulées. Pour chaque trajectoire de rai, les paramètres de propagation tels que la célérité, la déviation d'azimut, l'atténuation et l'altitude de retour sont prédits et permettent la construction des tables. Ces dernières aident à identifier les phases détectées et sont intégrées dans une démarche précise de localisation de source. La procédure de localisation est ensuite testées sur plusieurs cas d'études, tels que l'explosion d'une conduite de gaz à Ghislenghien, Belgique, le 30 juillet 2004, l'explosion d'une usine militaire à Novaky, Slovaquie, le 2 mars 2007 ou encore l'explosion du dépôt de carburant de Buncefield, Angleterre, le 11 décembre 2005. Les spécificités de chacun des évènements, les paramètres de propagations et les configurations utilisées pour les trois cas sont également introduites. L'accent est mis sur la précision de la localisation et son optimisation. Une étude de validation des tables de propagation est enfin abordée en considérant des stations du Système de Surveillance Internationale (SSI) situées le long d'un méridien - I18DK (Groenland, Danemark), I51UK (Bermudes, Angleterre), I25FR (Guyane, France), I08BO (La Paz, Bolivie), I01AR (Paso Flores, Argentine), I02AR (Ushuaia, Argentine), I54US (Antarctique, États-Unis). Ces tables permettent d'évaluer les variabilités spatiales, saisonnières et quotidiennes obtenues pour différents modèles atmosphériques empiriques HWM-93/MSISE-90 et réalistes ECMWF.