Détection et suivi de navires par des observations sismologiques et hydroacoustiques de fond de mer

Ship detection and tracking from ocean-bottom seismometer observations

• Auteur / Autrice : Alister Trabattoni
• Direction : Guilhem Barruol, Abdel-Ouahab Boudraa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 07/01/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Eléonore Stutzmann
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eléonore Stutzmann, Karin Sigloch, Philippe Roux, Julie Perrot, Anthony Sladen, Gaetano Festa
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Karin Sigloch, Philippe Roux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Statistique bayésienne

Acoustique sous-marine

La Réunion (France ; île)

Sismologie

Mots clés libres

Bruit des navires

Sismomètre de fond de mer

Analyse cepstrale

Capteur vectoriel acoustique

Azigramme

Surveillance passive acoustique

Détection et localisation

Ship noise

Ocean-bottom seismometer

Cepstrum

Acoustic vector-sensor

Azigram

Bayesian inference

Seismology

Underwater acoustics

Passive surveillance monitoring

Detection and localization

Résumé

Dans le cadre de l'expérience RHUM-RUM (Réunion Hotspot and Upper Mantle - Unterer Mantel Meetings), 57 sismomètres ont été déployés autour de l'île de la Réunion. L'analyse des enregistrements montre que ces instruments ont enregistré de nombreux signaux identifiés comme étant dus aux passages des navires. A partir des archives des trajectoires des navires ayant croisé dans l'Océan Indien non loin de ces instruments, cette thèse développe des méthodes visant à détecter et localiser des sources acoustiques dans une gamme de fréquence frontière entre le domaine de la sismologie et de l'acoustique sous-marine (1-50 Hz). Un premier travail de calibration des sismomètres pour cette tâche est développé et se base sur la connaissance de la trajectoire des navires pour retrouver l'orientation et la localisation exacte des instruments au fond de l'océan. Cette tâche est par nature difficile lors du déploiement et nécessite souvent des méthodes chronophages. Une méthode de détection et de suivi applicable aux navires marchands passant à moins de 100 kilomètres est ensuite mise au point. Cette méthode est adaptable à d'autres sources acoustiques océaniques comme les baleines. Pour reconstituer les trajectoires de sources acoustiques, ce travail s'appuie sur : une étude détaillée de la propagation des ondes par trajets multiples de la surface des océans à leur fond ; l'utilisation combinée du sismomètre à trois composantes et de l'hydrophone comme capteur acoustique vectoriel ; des méthodes capables de traiter des signaux continus et intrinsèquement aléatoires tel le bruit émis par les navires. L'utilisation d'une approche Bayésienne permet la construction de détecteurs optimaux au regard des a priori physiques et statistiques disponibles. Cette thèse inaugure l'étude du bruit des navires par les sismomètres de fond de mer en deux manières. Le bruit des navires peut être utilisé comme une source d'opportunité et permet des inversions sur les paramètres d'intérêt. Les sismomètres de fond de mer peuvent être utilisés comme observateurs passifs des océans et servir d'outil de surveillance maritime.

Within the framework of the RHUM-RUM (Réunion Hotspot and Upper Mantle - Unterer Mantel Meetings) experiment, 57 seismometers have been deployed around La Réunion Island. The analysis of the recordings shows that these instruments recorded many signals identified as being due to the passage of ships. Based on the archives of the trajectories of ships crossing in the Indian Ocean, this thesis develops methods aiming at detecting and locating acoustic sources in a frequency range located between the field of seismology and underwater acoustics (1-50 Hz). A first work of calibration of the seismometers for this task is developed and is based on the knowledge of the trajectory of ships to find the orientation and the exact localization of the devices on the bottom of the ocean. This task is by nature difficult when deploying this type of device and often requires time-consuming methods. A detection and tracking method applicable to merchant ships passing less than 100 kilometres away is then developed. This method is adaptable to other oceanic acoustic sources such as whales. To reconstruct the trajectories of acoustic sources, this work is based: on a detailed study of the multi-path propagation of waves from the surface of the oceans to their bottom; on the combined use of the three-component seismometer and the hydrophone as an acoustic vector-sensor; on methods capable of dealing with continuous and inherently random signals such as the noise emitted by ships. The use of a Bayesian approach allows the construction of optimal detectors with regard to the physical and statistical a priori available. This thesis inaugurates the study of ship noise by seafloor seismometers in two ways. Ship noise can be used as a source of opportunity and allows inversions on parameters of interest. Seafloor seismometers can be used as ocean passive observers and can serve as maritime surveillance tools.