Caractérisation quantitative des fonds marins à l'aide des sondeurs de sédiment (1 khz-10 khz) : modélisation directe pour l'inversion sur données réelles

Seafloor remote sensing with sub-bottom profiling systems (1 khz-10 khz) : direct modelling for sediment parameters estimation, on in situ data

• Auteur / Autrice : Sandrine Rakotonarivo
• Direction : Ali Khenchaf
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire E3I2 - Extraction et exploitation de l'information en environnements incertains (Brest, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : École nationale supérieure des ingénieurs des études et techniques d'armement (1971-2010)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Rétrodiffusion

Sédiments marins

Sondage par ultrasons

Acoustique sous-marine

Mots clés libres

Caractérisation acoustique

Problème direct

Modèle de rétrodiffusion

Sondeur de sédiment

Sédiments marins

Modèle multicouche

Inversion

Résumé

Ce travail de thèse propose d’analyser les signaux issus des sondeurs de sédiment et renvoyés par le sol marin en vue de caractériser quantitativement les sédiments marins aux moyennes fréquences (entre 1 kHz et 10 kHz) et en incidence normale. L’étude se décline donc en deux volets l’analyse du problème direct puis l’inversion. La première partie du travail est focalisée sur la détermination d’un modèle direct de rétrodiffusion en considérant : la configuration de mesure (monostatique, incidence normale, antennes d’émission/réception très ouvertes), les caractéristiques des signaux (chirps à modulation de fréquence linéaire travaillant entre 1 kHz et 10 kHz), les propriétés du fond (stratification, atténuation, rugosité, couches aléatoires et inhomogènes), et en prenant en compte la problématique inverse. Après avoir montré la prédominance des retours d’énergie cohérente sur la diffusion, cette analyse mène sur la formulation d’un modèle multicouche modifié pour l’approche directe afin d’offrir le meilleur compromis entre les possibilités d’inversion et les paramètres pris en compte (coefficient de réflexion pour la stratification, coefficient d’atténuation, écart-type des hauteurs de rugosité et épaisseur de couche inhomogène). La précision du modèle multicouche modifié est calculée puis il est validé expérimentalement grâce à des mesures en laboratoire sur des plaques multicouches absorbantes, puis avec des données in situ acquises avec le sondeur Echoes 3 500 de la société IXSEA pour un fond stratifié comportant des gradients continus d’impédance. Enfin, l’inversion du modèle est effectuée de manière itérative sur chaque pic de réflexion : les paramètres dépendant de la fréquence (atténuation, rugosité, gradient d’impédance) sont d’abord évalués par filtrage adapté en minimisant l’erreur absolue afin de rendre le problème direct linéaire puis, le coefficient de réflexion est évalué au sens du maximum de vraisemblance équivalent au critère de moindres carrés. Finalement, la procédure d’inversion est testée sur deux exemples synthétiques afin d’apprécier dans quelle mesure l’opération inverse est performante.

This work deals with sub-bottom profiling signals backscattered by the seafloor and aims at remotely characterize marine sediments at middle frequencies (1 kHz - 10 kHz) and at normal incidence. For that, the study is divided into two parts: the direct modelling analysis and the inverse problem. The work firstly focuses on determining a direct backscattering model which may take into account: measurement geometry (monostatic, normal incidence, and low directive antennas), signal’s properties (linear chirp defined between 1 kHz and 10 kHz), seafloor’s features (layering, attenuation, rough interfaces, inhomogeneous and random layers) and the inverse problem. After justifying predominance of specular energy returns on scattering, the analysis leads to a direct modified layered model which may offer the best compromise between inversion possibility and seafloor parameters accounted for (reflection loss for layering, attenuation coefficient, standard deviation of roughness heights and thickness of an inhomogeneous layer). Accuracy of modified layered model is also calculated and it is experimentally validated with laboratory measurements on absorbent layered plates, and then, with in situ data recorded with sub-bottom profiler Echoes 3 500 from the firm IXSEA on a layered seabed with continuous impedance variations. Then, model inversion is applied with an iterative process on each echo. Frequency dependent parameters (attenuation, roughness, and continuous impedance variations) are firstly evaluated with a wavelet modelling approach while minimising absolute error in order to get a direct linear problem. Next, reflection coefficient is estimated thanks to the method of maximum likelihood equivalent to least square minimisation criteria. Finally, inversion algorithm is implemented on two synthetic examples in order to evaluate efficiency of the inverse operation.