Inversion géoacoustique passive à partir des bruits rayonnés par les navires
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Abstract EN:
The geoacoustic inversion can be defined as a way to obtain an image of the oceanic environment (specifically the properties of the bottom) using acoustics waves. By measuring the distortion of a signal which propagated between sources and receivers, it is possible to estimate some physical parameters of the ocean via an inversion process. However, accurate estimates of acoustic properties require the emission of powerful and recurrent signals, but we would rather not send these hard active sounds through the water column in a potential (would-be) military underwater warfare context, or if mammal species health is considered. We explore the use of low frequency noise emitted by moving ships in shallow water environment in order to perform the geoacoustic inversion from a limited number of receivers. The ship movement can be used in order to estimate the water column (sound speed profile) and sea bed properties (sediment layers). We propose to exploit the two components of the ship noise: monochromatic sound and wide-band noise, and those two noises require two different models and inversion schemes. The direct model consists in describing the properties of the source and of the sound propagation in the ocean. As shallow waters and low frequencies are studied, we chose normal mode modelling for propagation. Thanks to this, we were able to identify some interesting parameters to extract from the data: the absolute dispersion curves (for the monochromatic sound) and the relative dispersion curves of the channel (for the wide-band noise). As a pre-processing stage of measurements, we propose several approaches to extract those dispersion curves from the signal we measure: to do so we exploit the modal dispersion phenomenon both for monochromatic and wide-band noises. The modal propagation and the ship movement generate some interferences pattern (BathTub Effect) in the time-frequency domain, winch are directly related to the properties of the environment, and can be used to see the evolution of the radial wave number differences according to frequency. On the other side, for monochromatjc sounds, the Doppler effect can be used de separate the propagation modes and allows us to estimate the radial wave numbers of the channel. Once the relevant dispersion curve are estimated, the inversion is cast as an optimization process in winch a cost function, comparing model and estimation, is used to assess candidate geoacoustic parameters. Finally, our inversion processes are tested and validated by quantifying their performances on synthetic realistic data and on real data from 3 different at sea trials from very shallow water (15 meters) to shallow water environments (135 and 300 meters).
Abstract FR:
L’inversion géoacoustique peut se définir comme un procédé permettant d’obtenir une image du milieu océanique par l’utilisation des ondes acoustiques. Entre un couple émetteur-récepteur, on fait transiter un signal dont les distorsions mesurées permettent de remonter par inversion, aux caractéristiques physiques de l’environnement. Toutefois, l’émission active d’un signal dans le milieu, en plus d’interdire toute discrétion dans le cadre d’applications militaires, peut s’avérer très dangereuse pour la faune marine. Mes travaux de thèse proposent donc d’utiliser les bruits basses fréquences émis par les navires transitant en eaux peu profondes afin de réaliser l’inversion géoacoustique à partir d’un nombre restreint de capteurs. En l’occurrence, on cherche à exploiter le mouvement du navire, qui fournit une diversité spatiale intéressante, afin d’estimer les propriétés aussi bien du fond océanique (propriétés des couches sédimentaires) que de la colonne d’eau (profil de célérité). L’étude proposée s’articule autour de deux axes : la formulation du problème directe et l’inversion à proprement parler. On s’applique à traiter les deux composantes du bruit de navire, à savoir les raies spectrales et le bruit large bande qui conduisent à deux familles de modèles et d’algorithmes d’inversion. L’étude du modèle direct servira à identifier quels sont les paramètres pertinents à extraire des mesures, à savoir les courbes de dispersion absolues si on utilise les raies spectrales et les courbes de dispersion relatives du canal si on utilise le bruit large bande. Après avoir démontré que ces paramètres contiennent suffisamment d’informations pour opérer l’inversion des paramètres de l’environnement, nous proposons plusieurs approches pour les extraire des mesures. Pour ce faire, le mouvement du navire ainsi que les phénomènes de dispersion modale sont exploités aussi bien pour les raies spectrales émises par les navires que pour le bruit large bande émis par ces derniers. En l’occurrence pour le bruit large bande, on exploite le phénomène d’interférences entre modes (BathTub Effect) lié aux propriétés de la propagation ainsi qu’au mouvement du navire qui permet de construire une représentation de l’évolution des différences entre nombres d’onde en fonction de la fréquence. Quant aux raies spectrales, on exploite la modulation doppler qui permet de séparer les différents modes, on propose ainsi plusieurs approches permettant d’estimer les nombres d’onde du canal. Une fois les observables pertinents estimés, leur inversion est opérée par optimisation d’une fonction coût comparants ces derniers à ceux fournis par les modèles de propagation océanique. Finalement nos procédés d’inversion géoacoustique sont testés et validés via la quantification de leurs performances sur données synthétiques réalistes et sur données réelles issues de 3 campagnes expérimentales allant du très petits fonds (15 m) aux petits fonds (135 et 300m).