Tomographie acoustique sous-marine

ENST Bretagne
Département Signal & Communications
Tomographie acoustique sous-marine
E.C. : Thierry Chonavel - Doctorant : Olivier Rabaste, F. Porée
Introduction
La tomographie acoustique sous-marine envisage
le problème de l'estimation de paramètres
physiques de l'océan. L’approche retenue pour
réaliser cette opération consiste à transmettre des
signaux acoustiques entre un émetteur immergé et
un ou plusieurs capteurs distants. Le canal
acoustique océanique se comporte comme un
guide d’ondes et la propagation du signal
s'effectue suivant des trajets multiples. Le temps
de retard entre les différents trajets observés est lié
aux paramètres physiques du canal et leur
connaissance permet de les évaluer.
En environnement grand fond, les signaux se
propageant vers le fond sont réfractés vers la
surface et les paramètres physiques mis en jeux
lors de la propagation ne font pas intervenir les
propriétés du fond ; on s’intéresse alors à des
grandeurs internes à la colonne d’eau
(température, salinité, vitesse des courants,...). Au
contraire, en environnement petit fond, typiquement
jusqu’à une centaine ou quelques centaines
de mètres, certains trajets sont réfléchis par le
fond et le canal observé est également susceptible
de renseigner sur la nature du fond.
L’activité de tomographie acoustique océanique
du département a fait l’objet de deux thèses. La
première thèse, réalisée par Fabienne POREE,
concernait la tomographie par grand fond et la
deuxième qui est en cours de réalisation par
Olivier RABASTE concerne plutôt la
tomographie en environnement petit fond avec
une contrainte supplémentaire de faible niveau
sonore. Dans les deux cas, l’étude réalisée porte
exclusivement sur la caractérisation du canal
acoustique, l’inversion qui permet de remonter
aux paramètres physiques étant traitée plus
particulièrement par les partenaires auxquels nous
sommes associés dans ce projet. Notons
également que, outre la connaissance du milieu
physique, l’estimation du canal à trajets multiples
présente aussi un intérêt par elle-même dans
l’optique de la mise en œuvre de systèmes de
communications sous-marines.
Réalisations
Les techniques usuelles de tomographie mettent
en œuvres des filtres adaptés aux signaux émis.
Afin d’améliorer la résolution des techniques de
filtrage adapté et d’éviter les problèmes liés à la
méconnaissance du nombre de trajets de
propagation et d’optima locaux du critère
d’estimation qui sont rencontrés par les approches
de type maximum de vraisemblance, de nouvelles
approches ont été proposées.
Fabienne POREE s’est penchée sur une approche
bayesienne mise en œuvre après filtrage adapté et
détection quadratique des signaux. On est ainsi
conduit à minimiser la norme L1 sur l’erreur d’un
système linéaire, ce qui conduit à un traitement
rapide et performant. Afin d’éviter la formulation
non linéaire du problème exact en sortie du
détecteur quadratique, Olivier RABASTE a
développé une technique inspirée des travaux que
nous avons menés par ailleurs en déconvolution
sismique : le canal, de type impulsif, est modélisé
par un mélange de gaussiennes. L’estimation du
canal est réalisée au moyen d’un algorithme MPM
appliqué en sortie de filtrage adapté. L’algorithme
a été adapté pour prendre en compte la corrélation
du bruit. Cette approche est utile à la détection de
trajets nombreux comme c’est souvent le cas en
tomographie acoustique par petit fond. En vue
d’assurer la furtivité ou l’innocuité pour la vie
marine des signaux tomographiques, des travaux
complémentaires sur leur détection ont été
réalisés.
L’association de traces représentant le canal de
propagation discret estimé à intervalles de temps
réguliers conduit à une image qui montre
l’évolution des retards des différents trajets.
L’étude de ce suivi a conduit Fabienne POREE à
mettre en oeuvre des techniques spécifiques de
suivi de trajectoires. Nous avons ainsi pu gérer les
problèmes de la séparation de traces proches et de
la disparition momentanée de certaines traces.
Cette étude sera poursuivie par Olivier RABASTE
suivant des approches complémentaires.

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Département Signal & Communications
Conclusion
Les travaux de tomographie initialisés dans le
contexte grand fond en collaboration avec
l'IFREMER se poursuivent en relation avec
l'EPSHOM pour l’étude en petit fond et avec un
projet ACI du CNRS pour une étude du choix des
signaux tomographiques. Ces travaux ont fait
l'objet de plusieurs publications dont une en revue.