Analyse temps-fréquence de signaux sonar très large bande : contribution à l'identification de la réponse impulsionnelle des fonds marins

= Time-frequency analysis of wideband sonar signals : contribution to the identification of sea bottom impulse response

• Auteur / Autrice : Ning Ma
• Direction : Didier Vray
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance en 1996
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CREATIS - Centre de Recherche et d'Application en Traitement de l'Image et du Son, UMR5515 (Lyon, Rhône ; 1995-2006)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sonar

Ondes sonores -- Diffusion

Fonds marins

Résumé

Ce travail concerne la caractérisation du fond marin au moyen d'un sonar très large bande à directivité constante. L'originalité de l'étude repose d'une part sur la mise en œuvre d'un système sonar expérimental capable d'émettre et de recevoir des signaux ''chirp'' (modulation linéaire de fréquence entre 20-140 kHz) et d'autre part sur le développement de méthodes de modélisation, d'identification et de classification adaptées à l'analyse des signaux rétrodiffusés par le fond marin. Dans une première partie, les signaux collectés sur 5 types de fonds différents sont analysés par la fonction d'ambiguïté pour laquelle on compare les performances des formulations large bande et bande étroite ainsi que les relations existant avec les représentations temps-fréquence. Dans une deuxième partie, la répartition de l'énergie rétrodiffusée par le fond est analysée dans le plan temps fréquence ce qui permet de rendre compte des phénomènes de diffusion de l'onde acoustique d'un point de vue spatial et fréquentiel. Afin d'améliorer la lisibilité des représentations temps-fréquence de type Wigner-Ville, nous avons proposé une représentation originale adaptée aux signaux ''chirp'' et la comparaison avec les autres représentations de la classe de Cohen montre l'amélioration apportée par notre méthode. Enfin, dans une 3ème partie, un modèle de rétrodiffusion par une surface rugueuse est développé. Nous montrons que ce modèle est la convolution entre la réponse impulsionnelle d'un fond plan et la densité de probabilité des rugosités. Une procédure d'estimation de la rugosité à partir des données expérimentales est proposée. Ce modèle est bien adapté aux fonds de sable, graviers et galets alors que le fond de vase nécessite un modèle prenant en compte la propagation de l'onde acoustique dans la couche sédimentaire. Dans chaque situation, les résultats des analyses des signaux sont confrontés aux analyses géotechniques réalisées durant l'étude.

This work is concerned with the characterisation of the sea bottom by means of a constant beamwidth wideband sonar. The originality of this work is: firstly, the development of an experimental wideband sonar system which transmits linear chirp signal (20-140 kHz). Secondly, modelization, identification and classification methods adapted to the bottom backscattering signals have been developed. In the first part, backscattered signals from 5 types of bottoms have been analyzed by the ambiguity function. The performances of the wideband ambiguity function and the narrow band ambiguity function are compared for the chirp signal, and the relationship with the time-frequency representations is presented. In the second part, la distribution of the bottom backscattered energy is analyzed in the time-frequency plane which permits to consider the acoustic diffusion phenomena. In order to improve the comprehension of the Wigner time-frequency representation, we propose an original time-frequency representation adapted to chirp. The comparison with other Cohen's class representations shows the improvement given by our method. At last, in the third part, a rough surface backscattering model is developed. We have shown that the statistical average of the impulse response is a convolution between the impulse response of a plane and the probability density function of the roughness. A roughness estimation method is therefore proposed. This model is well adapted to sand, gravel, and pebbles bottoms. For the silt bottom, a volume backscattering model is developed. In each situation, the results of the estimation are compared with the geotechnical analysis.