Potentialités de l'inversion géoacoustique de données multicapteurs de sonars cartographiques pour la caractérisation des fonds marins

par Cécile Berron

Thèse de doctorat en Traitement du signal

Sous la direction de Ali Khenchaf et de Xavier Lurton.

Soutenue en 2008

à Brest , dans le cadre de École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère) , en partenariat avec Laboratoire E3I2 - Extraction et exploitation de l'information en environnements incertains (Brest, Finistère) (laboratoire) et de École nationale supérieure des ingénieurs des études et techniques d'armement (autre partenaire) .

mots clés

• Inversion géoacoustique
• Estimation d'incertitude
• Rétrodiffusion acoustique
• Caractérisation sédimentaire
• Mesures sonar multicapteurs
• Shape from shading
• Ondes sonores
• Sonar

Résumé

Ce travail propose d’analyser les potentialités d’une démarche d’inversion géoacoustique sur des données multicapteurs de sonars cartographiques, dans un but de caractérisation sédimentaire. Contrairement à une démarche qualitative d’imagerie, l’étude se base sur l’analyse des complémentarités et des redondances des caractéristiques acoustiquès quantitatives observées sur plusieurs fréquences et plusieurs rasances. Après le choix justifié d’un modèle de rétrodiffusion basé sur l’approche physique de l’interaction de l’onde acoustique avec le sédiment, une étude théorique permet de prouver le gain de précision attendu par le choix optimal d’une configuration d’inversion, qui privilégie une grande diversité d’angles et de fréquences d’insonification. Cette approche est appliquée sur le jeu de données expérimentales de la campagne CALIMERO, fournissant des données d’échosondeur à 33 et 210 kHz, ainsi que des données de sondeurs multifaisceaux à 12, 30 et 95 kHz. L’application pratique de la démarche, dont l’intérèt a été prouvé théoriquement, est rendue difficile par une méconnaissance du mode de formation de la mesure, ainsi qu’une richesse sédimentaire nôn prise en compte dans le modèle retenu- Des simulations quantifient alors les effets de ces hypothèses décart au modèle sur les incertitudes des paramètres géoacoustiques estimés. La diyérsité du comportement de la rétrodiffusion volumique, ainsi que l’influence de la rugosité sont en particulier abordées- A cet effet, une procédure d’estimation des paramètres du spectre de rugosité de l’interface sédimentaire est développée, basée sur l’exploitation de la donnée d’imageié haute résolution du sonar latéral déployé sur la campagne. Des algorithmes de Shape froïn Shading (forme à partir de l’ombre) sont adaptés, afin de fournir un modèle bathymétrique haute résolution à partir des variations relatives de la réfiectivité enregistrée. Les particularités des conditions expérimentales du jeu de données restreignent cependant la qualité des résultats de cette approche, en raison de la présence d’artéfacts d’imagerie dus à des thermoclines.

Titre traduit

Potentialities of geacoustical parameters inversion from cartographic sonar measurements for seafloor characterization

Résumé

This study deals with potentialities analysis of geoacoustical parameters inversion from cartographic sonar measurements, for seafloor characterization. In contrast with usual qualitative image analysis techniques, a study of complementarities and redundancies 6f calibrated acoustic measurements is here proposed. The approach focuses on data issued from a set of diverse graring angles and frequencies measurements. In a first step, the choice of a backscattering model, based on the physics of interaction between an acoustic wave and the sediment is justified. A theoretical study then quantifies and proves the benefit of choosing an optimal design of experiment for the inversion procedure, that favours a wide diversity of insonification angles and frequencies This process is applied on the CALIMERO experimental data set, providing single bearn echo sounder measurements at 33 and 210 kHz, and multibearn echo sounder measurements at 12, 30 and 95 kHz. Implementation of the enticing theoretical approach cannot be carried through a successful conclusion because of a lack of understanding of measurement forming, and a sediment structure that is not taken into account by the chosen inversion model. Simulations are hence run to quantify the consequences of hypotheses potentially explaining these model / data discrepancies on inverted geoacoustical parameters. Diversity of the volume backscattered component, as well as the seafloor roughness influence are specifically studied. By the way, a methodology for roughness parameters estimation is developed, based on a dedicated processing of high resolution side scan sonar data. Shape from Shading algorithms are adjusted to provide a high resolution bathymetric model of the seafloor, given the relative variations of reflectivity. Efficiency of this process is nevertheless mitigated when applied on real data, because of artefacts brought by thermocline affects on sonar images.