Approche matricielle de l'imagerie passive par ondes de volume

par Rita Touma

Projet de thèse en Terre Solide

Sous la direction de Michel Campillo et de Alexandre Aubry.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (laboratoire) depuis le 29-10-2018 .


  • Résumé

    Un grand nombre de capteurs sont actuellement déployés sous la forme de réseaux denses. Avec les enregistrements continus de bruit ambiant avec des capteurs purement passifs, il est possible de construire la matrice de réponse, c'est-à-dire le signal à chaque capteur qui serait produit par une source à chaque autre capteur (e.g. Campillo and Paul, 2003). Cette matrice de réponse contient toutes les informations disponibles sur le milieu étudié. Ces réponses sont dominées par les ondes de surface mais contiennent également les faibles contributions des ondes de volume, y compris les ondes réfléchies et diffractées en profondeur. Alors que les ondes de surface ont été largement utilisées pour l'imagerie tomographique, il y a peu de tentatives pour effectuer une imagerie à haute résolution avec des ondes de volume (e.g. Poli et al., 2012). L'une des raisons n'est pas inhérente à l'approche passive. La diffusion multiple dans les couches peu profondes empêche en fait l'utilisation de la plupart des approches standard basées sur l'hypothèse de diffusion unique et la rétropropagation. Dans ce régime de diffusion multiple , les méthodes d'imagerie conventionnelles fournissent une image de tavelures (speckle), sans connexion directe avec la réflectivité du milieu. Nous proposons une nouvelle stratégie pour cartographier en 3D la distribution des sources de diffraction les plus fortes dans le milieu. La méthode vise à séparer les contributions de la diffusion simple de celles de la diffusion multiple dans un ensemble de données, ce qui nous permet d'améliorer l'imagerie dans des milieux hétérogènes (comme si nous pouvions voir à travers un épais brouillard). La méthode de séparation est basée sur le traitement de la matrice de réponse. L'idée a été proposée par Aubry et Derode (2009) en acoustique et a été développée avec succès dans le contexte de l'échographie et de l'imagerie optique à l'Institut Langevin. Des études préliminaires avec des données sismiques ont montré la capacité de cette approche à révéler la structure interne d'un volcan et d'une zone de failles. Ces résultats sont particulièrement encourageants car l'approche matricielle peut révéler des structures absolument indétectables avec les techniques actuelles. Le projet de thèse comprendra d'abord une étude numérique de la résolution de cette approche en présence de variations de diffusion et de vitesse (aberrations). Les applications seront axées sur les zones de failles à différentes échelles en fonction des ensembles de données existants.

  • Titre traduit

    Matrix approach to body wave passive seismic imaging


  • Résumé

    Large numbers of sensors are currently deployed in the form of dense arrays. With the continuous records of ambient noise with purely passive sensors, it is possible to construct the response matrix of the array, that is the signal at each sensor that would be produced by a source at each other sensor (e.g. Campillo and Paul, 2003). This response matrix contains all of the information available on the scattering medium under investigation. These responses are dominated by surface waves but also contain the weak contributions of body waves, including waves reflected and scattered at depth. While the surface waves have been extensively used for tomographic imaging, there is few attempts to performed high resolution imaging with body waves (e.g. Poli et al., 2012). One of the reasons is not inherent of the passive approach. Multiple scattering in the shallow layers actually prevents the use of most of the standard approaches that are based on the single scattering hypothesis and back-propagation. In this regime, conventional imaging methods provide a speckle image, with no direct connection with the medium reflectivity. We propose a novel strategy to map in 3D the distribution of the strongest scattering sources in the medium. The method aims to separate the contributions of single scattering from those of multiple scattering in a dataset, thus allowing us to improve imaging in heterogeneous media (as if we can see through thick fog). The separation method is based on the processing of the response matrix. The idea was proposed by Aubry and Derode (2009) in laboratory acoustics and has been successfully developed in the ultrasound and optical-imaging context at the Langevin Institute. Preliminary studies with seismic data have shown the capability of this approach to reveals the internal structure of a volcano and of a fault zone. These results are particularly encouraging as the matrix approach can reveal structures that were absolutely undetectable with state-of-the-art techniques. The PhD project will include a numerical study of the resolution of this approach in presence of scattering and velocity variations (aberrations). The applications will be focused on fault zones at different scales based on existing data sets.