Analyse de la diffusion par des surfaces rugueuses anisotropes : une contribution à la caractérisation des fonds marins

par Virginie Jaud

Thèse de doctorat en Électronique

Sous la direction de Ali Khenchaf.

Soutenue en 2010

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

• Propagation acoustique
• Diffusion de surface
• Rugosité
• Anisotropie
• Fonction de structure
• Interférences
• Diffusion (physique)
• Rugosité
• Anisotropie
• Acoustique sous-marine

Résumé

L’analyse de la diffusion acoustique par des surfaces rugueuses s’avère être une tâche importante mais rendue complexe par les phénomènes engendrés dans le processus de diffusion ainsi que par les paramètres environnementaux qui s’articulent autour. Nous démontrons dans le présent travail que la diffusion acoustique par des surfaces et notamment par des types de fonds anisotropes, c’est-à-dire des structures sédimentaires avec un arrangement particulier des grains, peut faire apparaître des interférences. Selon le plan de propagation choisi entre l’émetteur et le récepteur, le caractère plus ou moins rugueux d’une interface a pour conséquence des variations du niveau de diffusion. La forme de la structure rugueuse entraîne également l’apparition d’extrema plus ou moins marqués selon les configurations ondulatoires et les caractéristiques du sédiment. On s’applique donc, selon un cheminement déductif, à faire ressortir ces aspects par la modélisation du niveau de diffusion en adoptant l’approximation des faibles pentes (dite aussi SSA) à l’ordre 1 associée à une fonction de structure analytique prenant en compte les statistiques de surfaces Le mécanisme de diffusion de surface pour des structures anisotropes spécifiques est en conséquence analysé, delimité et enfin confronté à des données réelles de diffusion acoustique obtenues en cuve. Les interférences observées dans les plans transversaux des rides se retrouvent tant en simulation que sur les données mesurées, ce qui valide notre approche. Une étude numérique a été réalisée afin de mieux cerner le domaine de validité du modèle SSA. Même si une validation expérimentale complète n’a pu être menée, ce domaine de validité est cohérent avec les données en cuve dans plusieurs configurations expérimentales, ce qui permet de borner avec plus de conviction l’utilisation du modèle. Ces travaux mettent en perspective la possibilité d’améliorer par l’utilisation du modèle SSA, les techniques de caractérisation des fonds marins, notamment par une meilleure prise en compte des aspects marqués, engendrés par la diffusion de surface pour des structures sédimentaires anisotropes.

Titre traduit

Analysis of the scattering by rough anisotropic surfaces : a contribution to the characterization of seabeds

Résumé

The analysis of the acoustic scattering by rough surfaces turns out to be a task important but made complex by the phenomena engendered in the process of scattering as well as by the environmental parameters which articulate all around. We demonstrate in the present work that the acoustic scattering by rough surfaces in particular by rough types with anisotropic features, that is sedimentary structures with a particular arrangement of grains, can create interferences. According to the propagation plane chosen between the transmitter and the receiver, the more or less rough character of an interface has for consequence the variations of the scattering strength. The shape of the rough structure also pulls the appearance of extrema more or less marked according to the acoustic wave configurations and the characteristics of the sediment. According to a deductive progress, we highlight these aspects by the modelling of the scattering strength by adopting the small slopes approximation (said also SSA) in the order 1 combined with au analytical structure function taking into account the statistics of surfaces. The mechanism of scattering by surfaces for specific anisotropic structures is analyzed, bounded and confronted finally with real data of acoustic scattering obtained in tank. The interferences observed m the transversal plane of ripples meet both m simulation and on the real data, what f confirms our approach A numerical study was realized to encircle better the domain of validity of the model SSA. Even if an experimental complete validation was not able to be led, this domain of validity is coherent with the data m tank in several experimental configurations what allows to innit with more conviction the use of the model. These works put in perspective the possibility of improving by the use of the model SSA, the techniques of characterization of sea bed, in particular by a better consideration of strongly visible aspects, engendered by the bottom scattering for sedimentary anisotropic structures.