Tomographie Océanique en zone peu profonde : nouvelle perspectives en Traitement du Signal – TOTS

The first key point in our approach is to introduce array-to-array signal processing as a way to significantly increase the number of acoustic observables extracted in a multipath oceanic environment. The nature of these observable will evolve comparing to classical ones (travel times) and we will introduce receive-launch angles as well as amplitudes.
The second key point concern the developed tomography inversion algorithms, which will be based on the use of sensitivity kernels in contrast to classical ray approach. Travel-time Sensitivity kernels, Amplitude Sensitivity Kernels adapted to array-to-array configuration have to be developed and integrated in the tomography process. We will also focus on full-wave inversion methods.
Inversion algorithms are then validated on (1) real at-sea data using two existing data set provided by the Scripps Institute of Oceanography and (2) laboratory scale data that result from the development of a research group on acoustics at LGIT.

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TOTS signifie Tomographie Océanique en zone peu profonde : nouvelles perspectives en Traitement du Signal et propose de s'intéresser aux 3 problèmes suivants :
- Tomographie classique, estimant la carte spatio-temporelle des variations de vitesse dans une tranche d'océan,
- Détection-Localisation de cibles en eaux peu profondes, réalisées à partir d'une tomographie d'impédance,
- Tomographie de surface.

Alors que ces problèmes sont généralement traités de manière séparée, nous proposons ici de les étudier conjointement car certaines méthodes permettant de les résoudre sont similaires.

Réaliser une tomographie des milieux petits fonds, encore méconnus actuellement, présente un enjeu capital car celle-ci permettra une meilleure compréhension de nombreux phénomènes physiques tels que les courants, marées ou pollutions dans les zones côtières. Par ailleurs, les autres tomographies (détection-localisation et tomographie de surface) constituent également des problèmes intéressants à résoudre de par leurs applications potentielles (barrières acoustiques dans les ports par exemple).

Le tomographie acoustique océanique, introduite par Munk, "consiste à estimer, à partir de mesures précises des temps d'arrivée ou d'autres observables de la propagation acoustique, l'état de l'océan traversé par le champ acoustique". La première étape pour réaliser la tomographie consiste donc à choisir les observables les plus appropriées et à les mesurer le plus précisément possible. Ensuite, le modèle direct liant les observables acoustiques aux paramètres physiques à estimer doit être établi. Enfin, la dernière étape consiste à inverser le modèle pour obtenir l'estimation spatio-temporelle des paramètres physique comme la vitesse de propagation ou les variations d'impédance du milieu.

La limitation principale des méthode de tomographie concerne les difficultés à séparer et identifier les différentes arrivées dans le signal multi trajets enregistré. Un des but de ce projet est de repousser cette limitation en tirant profit de l'acquisition sur deux antennes d'émetteurs-récepteurs. Différentes approches seront développées : double formation de voies, double formation de voies adaptative, méthodes haute résolution.

L'autre difficulté majeure est d'établir un lien entre les observables acoustiques et les paramètres à estimer. Ce lien est classiquement établi dans le cadre de la théorie des rayons mais cette approximation fréquence infinie ne prend pas en compte les phénomènes de diffraction. Une autre approche possible est d'utiliser les Noyaux de Sensibilité, couramment utilisé en sismique. Etudier les Noyaux de Sensibilité et leur application en tomographie petits fonds permettra d'améliorer la précision de la tomographie.

Enfin, toutes ces méthodes seront validées sur des données réelles. Nous aurons accès aux données des campagnes FAF03 et FAF05 fournies par le Marine Physical Laboratory. Nous réaliserons également des expériences petites échelles en cuve ultrasonore, développée par P. Roux au LGIT Grenoble, pour valider les méthodes proposées dans un environnement parfaitement contrôlé.

Par conséquent, ce projet, porté par des chercheurs issus de différents champs scientifiques, a un fort caractère pluri-disciplinaire et permettra d'aller du développement des méthodes (extraction d'observables et modélisation du problème direct) à leur application sur des données réelles (données de mer et données petites échelles) pour réaliser une tomographie haute résolution en milieux petits fonds.

A travers ce projet, nous souhaitons créer, autour de B. Nicolas, jeune chargée de recherche CNRS à Gipsa-lab, un groupe de travail dédié à l'étude de la tomographie en milieux petits fonds à partir de méthodes avancées de traitement du signal. Les deux laboratoires impliqués seront Gipsa-lab et le LGIT-Grenoble.