Inversion géoacoustique temps réel de signaux large bande par grands fonds

Les travaux présentés dans cette thèse visent à développer une méthode globale d’inversion géoacoustique temps réel de signaux large-bande par grands fonds. 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 TBF.

Contexte général : De la nécessité de la mesure en transmission

La connaissance des fonds marins est une problématique essentielle de l’exploration des océans. Longtemps les moyens d’investigation étaient basés sur des observations directes dans le milieu ou des prélèvements. L’utilisation de l’acoustique sous-marine a permis d’améliorer ces technologies. Elle est assez récente puisque les premières réalisations pratiques viables datent du début du 20e siècle. Les ondes acoustiques se propagent extrêmement bien sous l’eau. Elles permettent ainsi de véhiculer facilement des informations, en particulier des informations utiles à la mesure des caractéristiques des différents constituants du milieu marin, et tout particulièrement la forme et la nature du fond [Lurton 1998]. Les systèmes acoustiques de mesure des caractéristiques des fonds marins sont majoritairement de type actif et monostatique : écho-sondeur, sondeur multifaisceau, sondeur de sédiment, sonar latéral … Ils émettent un signal sonore ; celui-ci se réfléchi sur le fond, revient vers la surface et est enregistré par une antenne. Si celle ci est placée au voisinage de la source sonore, on parle de système monostatique.

L’analyse de l’écho de ce signal après réflexion sur le fond permet d’en extraire des informations sur les caractéristiques des fonds, telles que la profondeur, la dureté, la rugosité… Une première phase consiste à traiter l’écho temporel mesuré pour en extraire la donnée observée. Les caractéristiques des fonds sont des paramètres qui modifient cette donnée observée. Trouver ces paramètres revient à trouver la fonction de transfert inverse associant les paramètres aux mesures.

Trouver la bonne valeur du paramètre revient donc à chercher le modèle inverse de celui utilisé pour la simulation, la notion de paramètres n’ayant de sens qu’associée à celle de modèle. L’intérêt de cette approche est qu’elle permet ensuite de réaliser très rapidement une inversion à partir de nouvelles mesures. On parle pour cette approche d’inversion directe. Le modèle utilisé pour la simulation, c’est-à-dire le modèle direct, est cependant rarement assez simple pour pouvoir être inversé analytiquement. Il faut donc généralement recourir à une inversion purement numérique, le modèle direct servant alors uniquement à générer un ensemble de couples (paramètres, données observées). Ce sont ensuite ces données, prises dans le sens (données observées, paramètres), qui vont permettre de trouver le modèle inverse recherché.

Les méthodes associées aux appareillages du type suivant : écho-sondeur, sondeur multifaisceau, sondeur de sédiment, sonar latéral sont basées sur l’exploitation de mesures acoustiques directes ou de type monostatique.

Elles admettent généralement des modèles directs simples donc facilement inversibles et exploitent donc des méthodes inverses directes. Elles sont très fiables et de ce fait ces informations, que l’on peut associer en plus à des prélèvements et à des observations visuelles, constituent ce que l’on appelle la vérité terrain. Elles sont stockées dans des bases de données d’environnement.

Toutefois les informations recueillies par ce type de méthodes sont très générales et inadaptées à l’utilisation particulière que constitue l’emploi d’un système sonar. En effet les informations obtenues sont valables pour l’angle de visée du sondeur, typiquement à la verticale du navire, alors que le système sonar, fonctionne en transmission, c’est-à-dire après réflexion vers l’avant, pour des angles de rasance très faibles, typiquement inférieurs à 20°. La configuration de mesure de paramètres, pour renseigner les forces opérationnelles doit donc admettre des angles rasants, proches de l’horizontale et du fonctionnement en détection lointaine du sonar. Ces informations sont de plus valables à la fréquence du système acoustique de mesure, c’est-à-dire typiquement quelques centaines de kilo Hertz pour un sondeur multifaisceaux. Or les caractéristiques du fond dépendent de la fréquence et une information de dureté ou de rugosité du fond obtenue par une mesure à 200 kHz, n’est pas forcément valable à une fréquence de 2 kHz. La connaissance des caractéristiques du fonds marins est donc liée à la fréquence d’utilisation et il est nécessaire de mesurer les caractéristiques du fond à la fréquence d’usage des sonars. Notons enfin que les méthodes précédentes sont longues et lourdes à mettre en œuvre, ce qui les rend difficiles à appliquer dans un contexte opérationnel d’évaluation rapide de l’environnement.

Contexte scientifique : De la nécessité d’une méthode d’inversion indirecte 

Le modèle direct est alors complexe. Pour répondre à un besoin d’inversion dans ce cas, une seconde famille de méthodes inverses a été développée par la communauté des acousticiens sonaristes. Elles consistent à comparer les résultats d’une simulation de propagation avec la mesure réalisée, puis à modifier les paramètres de la simulation jusqu’à obtenir un bon accord avec la mesure. On parle alors d’inversion indirecte ou encore de matched-field processing qui signifie littéralement processus d’ajustement de champ, le champ étant la donnée observée [Hermand 1999] [Siderius et Nielsen 2002] [Le Gac 2003]. Cette approche est la plus étudiée et la plus riche en variantes. Elle ne résout pas à proprement parler le problème de l’inversibilité du modèle direct, mais garantit l’obtention d’une solution correcte.

La simplicité analytique du modèle direct n’a plus d’importance, puisqu’on ne va pas en chercher une expression inverse. Par contre, il doit être rapide puisqu’il va être appelé un certain nombre de fois pour chaque inversion. Dans notre cas la donnée observée est la réponse impulsionnelle du milieu en transmission, obtenue à partir de la mesure de la pression sur le ou les capteurs d’une antenne. Les paramètres à inverser renseignent sur la nature du fond ; ce sont la porosité ou le triplet (vitesse, atténuation et densité) du sédiment. Le modèle direct décrit la façon dont le son se propage en transmission depuis la source jusqu’aux récepteurs [Stéphan 1996].

Les travaux effectués dans cette thèse s’inscrivent dans le cadre du Programme d’Etudes Amont de la DGA « Evaluation Rapide de l’Environnement », et tout particulièrement dans son volet REA acoustique STEREO. Ce programme contribue à répondre au besoin opérationnel d’information temps-réel de l’environnement METOC. Cette information doit être élaborée dans des délais très courts et concerne des milieux complexes, mal connus a priori et variables dans l’espace et le temps. Le concept de REA repose sur la capacité des systèmes de mesures à recueillir, exploiter et fusionner l’information METOC afin de représenter de manière la plus pertinente possible l’environnement à l’échelle d’un théâtre d’opération et à l’échelle de l’environnement local d’une unité. Le REA conventionnel fournit un modèle d’environnement résultant de la fusion des informations contenues en base de données, des mesures in-situ disponibles et des modèles de prévisions océaniques. Ce modèle d’environnement est ensuite injecté dans les modèles acoustiques pour un calcul de performances. La fusion étant établie en dehors du contexte opérationnel, cela rend difficile l’appréhension des paramètres pertinents, ainsi que leur précision et résolution. De plus le découplage environnement-acoustique cumule les erreurs dues à la description de l’environnement et celles dues à la modélisation acoustique. Le REA acoustique permet d’améliorer la connaissance environnementale fournie par le REA conventionnel en renseignant des champs inaccessibles à la mesure directe (paramètres géoacoustiques, pertes de propagation et fluctuations associées). Il utilise les informations contenues dans les signaux acoustiques propagés ou réverbérés dans le milieu et les exploite pour valider la pertinence d’un modèle d’environnement ou pour améliorer la description de l’environnement (ajout des nouveaux paramètres, estimation de milieux « équivalents »…).

Un volet du plan d’études amont (PEA) de l’EPSHOM est consacré au REA acoustique. Ce volet, qui a débuté en Mars 2006, a pour objectif la réalisation d’un prototype de système d’évaluation rapide de l’environnement océano-acoustique, dans la gamme TBF. Il doit permettre en particulier d’évaluer en temps réel les paramètres d’environnement et en particulier les paramètres géoacoustiques.

Table des matières

CHAPITRE 1 INTRODUCTION
1.1. Contexte général : De la nécessité de la mesure en transmission
1.2. Contexte scientifique : De la nécessité d’une méthode d’inversion indirecte
1.3. Contexte opérationnel : Du besoin opérationnel au besoin d’inversion
1.4. Objet des travaux : Mise au point d’une méthode globale d’inversion
1.5. Historique et justifications de l’orientation des travaux
1.6. Paramètres et originalité de la méthode globale d’inversion développée
1.7. Description du document
CHAPITRE 2 DEFINITION DE L’APPROCHE GLOBALE
2.1. Besoin opérationnel et contraintes associées
2.2. Analyse de la démarche d’inversion
2.2.1. Méthodologie d’analyse de la démarche d’inversion
2.2.2. Critères hiérarchisés de qualification de la démarche d’inversion
2.3. Application de la démarche globale d’inversion
2.4. Intérêt de la démarche globale d’inversion
CHAPITRE 3 DONNEES PHYSIQUES : REELLES ET SIMULEES
3.1. Présentation des données réelles : la campagne HERACLES
3.1.1. Données environnementales
3.1.2. Schéma instrumental de la campagne HERACLES
3.1.3. Conditions de propagation
3.1.4. Système d’acquisition des signaux
3.1.5. Chaîne de traitement des données
3.1.6. Données acoustiques : Sorties de filtrage adapté
3.2. Simulations numériques de la propagation sonore océanique
3.2.1. Modèle de rayons sonores
3.2.1.1. Logiciel RAYSON
3.2.1.2. Amplitude complexe et perte d’un rayon sonore
3.2.2. Calcul des pertes des rayons sonores
3.2.2.1. Perte par divergence géométrique
3.2.2.2. Perte par atténuation fréquentielle
3.2.2.3. Pertes par réflexion sur les obstacles (Surface ou fond)
3.2.2.4. Optimisation du calcul des pertes
3.2.3. Modèle large bande : Calcul de la réponse impulsionnelle
3.2.3.1. Rayons propres
3.2.3.2. Insuffisance de la pseudo-réponse impulsionnelle et nécessité d’un modèle large bande
3.2.3.3. Réponse impulsionnelle
3.2.3.4. Calcul de la réponse impulsionnelle
3.2.3.5. Optimisation du calcul de l réponse impulsionnelle
3.2.3.6. Remarque
3.2.3.7. Lien entre réponse impulsionnelle et sortie de filtrage adapté
3.2.3.8. Remarque : prise en compte de la directivité
3.2.4. Traitements complémentaires aux simulations de la réponse impulsionnelle
3.2.5. Génération et lecture des réponses impulsionnelles
3.3. Outils d’analyse et d’identification des réponses impulsionnelles
3.4. Conclusions
CHAPITRE 4 METHODOLOGIE GLOBALE D’INVERSION
4.1. Principe de la méthode globale d’inversion
Introduction Inversion Géoacoustique
Inversion géoacoustique temps réel de signaux large bande par grands fonds
4.1.1. Fonction de coût des méthodes MIR
4.1.2. Méthode d’inversion de type Matched Impulse Response par Exploration Exhaustive (MIR EE)
4.1.3. Développement d’une méthode d’inversion de type MIR Simplex
4.1.3.1. Temps de calcul
4.1.3.2. Remarque : intérêts respectifs des méthodes MIR EE et MIR Simplex
4.1.4. Comparaison MIR EE et MIR Simplex le long de la radiale R2
4.1.5. Analyse de la fonction de coût
4.1.6. Améliorations à envisager
4.2. Description du MNT de synthèse
4.2.1. Rôle du MNT : synthèse des résultats
4.2.2. Hypothèse Couche Homogène
4.2.3. Couche Evolutive (en fonction de la distance)
4.2.4. Illustration des méthodes en milieu monocouche homogène ou évolutive
4.3. Maquette logicielle et dossier numérique de résultats
4.4. Conclusions
CHAPITRE 5 INVERSION DE DONNEES SYNTHETIQUES
5.1. Principe du test de la méthode d’inversion sur données synthétiques
5.2. Méthode de génération des signaux synthétiques
5.2.1. Principe
5.2.2. Module Temps-Réel de RAYSON
5.2.3. Paramètres du milieu marin synthétique
5.2.4. Calibration du calcul du signal propagé
5.3. Résultats de l’inversion des données synthétiques
5.3.1. Résultats de l’inversion des données synthétiques en point fixe
5.3.2. Description des simulations numériques en mouvement
5.3.3. Analyse comparative des RI synthétiques et simulées
5.3.4. Résultats de l’inversion des données synthétiques en mouvement
5.3.5. Analyse complémentaire de l’impact de l’effet Doppler
5.4. Conclusions
CHAPITRE 6 INVERSION DE DONNEES REELLES
6.1. Résultats de l’inversion de données réelles avec la méthode MIR EE
6.1.1. Vérité terrain de la Radiale R1_100
6.1.2. Données mesurées de la Radiale R1_100
6.1.3. Inversion des données de la Radiale R1_100
6.1.4. Inversion des données de la Radiale R2_100
6.1.5. Conclusions
6.2. Résultats de l’inversion de données réelles avec la méthode MIR Simplex
6.2.1. Inversion de toutes les radiales avec une maille de 5 Nm
6.2.2. Inversion de la radiale R1 avec une maille de 1 Nm
6.2.3. MIR Simplex – Maille 1 Nm – Radiales R1 et R2 – 3 réflexions
6.3. Conclusions des essais d’inversion sur données réelles
CHAPITRE 7 CONCLUSIONS

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