High resolution shallow water Ocean Acoustic Tomographie
Tomographie acoustique haute résolution dans un guide d'onde océanique
Résumé
This thesis deals with Ocean Acoustic Tomography by propagation time to estimate the water temperature from acoustic measurements. As propagation time is strongly related to temperature, we solve the following inverse problem: estimating the wave velocity using measurements of acoustic wave propagation time. In this thesis, we focus on acquisitions with two coplanar source-receive arrays, placed in a shallow water waveguide. In these waveguides, time propagation measurements and identification task is difficult to achieve due to multipath propagation. Using two antennas, we propose a Double Beamforming algorithm to separate the contributions of different paths, depending on their emission and reception angles. This method leads to more accurate time propagation measurements and facilitate the identification task. Additionally to measurements of propagation time, tomography needs a physical model linking the propagation time to the velocity. Two models have been analyzed: the classical Ray theory, and the Time Sensitivity Kernel (TSK) obtained under the Born approximation. A TSK adaptation to the measurements obtained by double beamforming was performed. The developed methods were validated on synthetic data and on small scale data where guide propagation is produced in an ultrasonic tank. Using these data, we also studied some physical phenomena: convection and surface waves.
Cette thèse porte sur la Tomographie Acoustique Océanique qui permet d'estimer la température de l'eau dans une tranche d'océan à partir de mesures acoustiques. Les vitesse de propagation des ondes étant fortement liée à la température, la tomographie consiste à estimer la célérité à partir des mesures des temps de propagation des ondes acoustiques. Nous nous intéressons à des acquisitions réalisées avec deux antennes, une d'émetteurs et une de récepteurs, placées verticalement face à face, dans un guide d'ondes côtier. Dans ces guides peu profonds, la mesure des temps de propagation ainsi que leur identification sont difficiles à réaliser à cause de la propagation multi-trajets. Avec une acquisition à deux antennes, nous proposons un algorithme de Double Formation de Voies permettant de séparer les contributions des différents trajets, en fonction de leurs angles d'émission et de leurs angles de réception. En plus des mesures des temps de propagation, la tomographie a besoin d'un modèle physique reliant les temps de propagation à la célérité. Deux modèles ont été analysés pendant ces travaux: la théorie classique des rayons, et les Noyaux de Sensibilité du Temps de Propagation (NSTP) obtenus sous l'approximation de Born. Une adaptation des NSTP au cas des mesures obtenues par Double Formation de Voies (D-FV) a été réalisée. Les méthodes développées ont été validées sur des données synthétiques et sur des données "petites échelles" reproduisant la propagation des guides océaniques dans une cuve d'eau de dimensions réduites. L'étude des données ''petites échelles'' a par ailleurs permis d'étudier certains phénomènes physiques: la convection et les vagues de surface.