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12 décembre 2017

SIGNAL POUR L'ACOUSTIQUE SOUS-MARINE Identification des modes de propagation en cuve par un réseau de transducteurs


Catégorie : Stagiaire


Contexte

Dans l'océan, les sons à (ultra) basses fréquences (UBF) se propagent sur plusieurs centaines de kilomètres. L'étude de ces signaux acoustiques et la caractérisation de leur propagation couvrent des intérêts à la fois liés à la défense (lutte anti sous-marine) et à la biologie (bioacoustique et écologie) qu'il s'agisse de localiser des sources ou de mieux connaître l'environnement marin. Pour être menées à bien, ces tâches requièrent des méthodes dédiées, exploitant à la fois des modèles physiques et des outils évolués du traitement du signal.

Les travaux de l'équipe de recherche en acoustique passive à l'ENSTA Bretagne s'intéressent, entre autres, à la propagation en milieux petits fonds [1]. Dans ce contexte, la propagation du champ acoustique est régie

par la théorie des modes : l'environnement se comporte comme un guide d'onde dispersif, les différentes fréquences se propageant à différentes vitesses. Après propagation, un signal UBF reçu sur une antenne peut donc être formalisé comme une somme de plusieurs composantes appelées « modes ». Ces modes sont porteurs d'information sur l'environnement et sur la configuration source/récepteur. Et de nombreuses contributions se sont intéressées à leur estimation [2].

Parmi ces contributions, les méthodes exploitant une « acquisition compressée » des signaux acoustiques (compressed sensing en anglais [3]), déjà bien maîtrisées dans l'équipe [4,5], se sont révélées très prometteuses : l’acquisition compressée permet en effet d'estimer les modes à partir d'un faible nombre de capteurs (hydrophones) et dans des contextes bruités. Ces qualités sont particulièrement appréciables dès lors que l'on s'intéresse à une mise en œuvre pratique, i.e. sur des données acquises en mer, dans des contextes d'acquisition potentiellement peu favorables.

Avant d'envisager leur application généralisée, ces méthodes doivent être validées sur des simulations et des mesures [1]. Si les simulations ne posent pas de problème majeur, l'obtention de mesures acquises en milieu réel, maîtrisées et permettant une validation complète des approches, est plus délicate. Cependant en utilisant une règle de mise à l'échelle, i.e. en diminuant les dimensions, les fréquences d'intérêt augmentent, et les mesures en cuve ultrasonore présentent alors une alternative réaliste et pertinente pour tester les algorithmes [6,7].

Objectifs du stage

L’objectif de l’étudiant est de concevoir et d'élaborer une série d’expériences, dans la logique de l’acquisition comprimée. Pour cela, la propagation modale sera reproduite à échelle réduite en cuve : à partir d’une source et d’un réseau de transducteurs haute fréquence (2011 Mhz), l’étudiant reproduira le phénomène équivalent à celui de la propagation en mer peu profonde. Dans un deuxième temps, ces données seront utilisées pour valider l'intérêt des méthodes basées sur une acquisition compressée.

Le stagiaire aura donc un objectif double : (1) un travail expérimental qui nécessitera de maîtriser les instruments du banc de manip en cuve, et (2) un travail théorique, sur l’acquisition comprimée pour concevoir les expériences et prendre en main les algorithmes à analyser. Il pourra s'appuyer sur l'expérience de l'équipe encadrante.

Profil recherché

De formation Bac + 5, (école d’ingénieur, master de recherche,...), les candidat (e)s doivent avoir une aptitude au travail en équipe, autonomes et animé (e) s d’un esprit d’initiative. Les compétences techniques souhaitées sont :
  • une formation généraliste avec un cursus en acoustique ou traitement du signal ;
  • un intérêt fort pour l'expérimentation ;
  • des connaissances en acoustique sous-marine ou en ultrason constituent un atout ;
  • un bon niveau en anglais scientifique est requis ;
  • la maîtrise des environnements de Matlab et/ou Python ;
  • l’aptitude à la rédaction scientifique.

Informations pratiques

Envoyer CV et lettre de motivation à charles@vanwynsberghe.eu avec angelique.dremeau@ensta- bretagne.fr et florent.le.courtois@shom.fr en copie avant le 20 janvier 2018.

Laboratoire d'accueil : Lab-STICC (UMR 6285), ENSTA Bretagne, 2 rue François Verny, Brest
Encadrement : Dr. Charles Vanwynsberghe, Dr. Angélique Drémeau, Dr. Florent Le Courtois (SHOM)
Date de début de stage : à partir de février 2017

Contacts

Références

[1] F. Jensen, W. Kuperman, M. Porter, H. Schmidt – Computational Ocean Acoustics (chap. 5) – Springer, Second Edition, 2011.

[2] E. Conan, J. Bonnel – Using the trapped energy ratio for source depth discrimination with a horizontal line array: Theory and experimental results – The Journal of the Acoustical Society of America, vol. 140, no. 5, pp.434 – 440, 2016.

[3] E. J. Candes, M. B. Wakin – An introduction to compressive sampling – IEEE Sig. Proc. Mag., 2008.

[4] F. Le Courtois, J. Bonnel – Compressed sensing for wideband wavenumber tracking in dispersive shallow water – The Journal of the Acoustical Society of America, vol. 138, no. 2, pp. 575-583, 2015.

[5] A. Drémeau, F. Le Courtois, J. Bonnel – Reconstruction of dispersion curves in the frequency- wavenumber domain using compressed sensing on a random array – IEEE Journal of Oceanic Engineering, Vol. 60, No. 7, pp. 3425- 3438, 2012.

[6] J. B. Harley, C. Liu, I. J. Oppenheim & J. M. Moura - Managing Complexity, Uncertainty, and Variability in Guided Wave Structural Health Monitoring. SICE Journal of Control, Measurement, and System Integration, 10(5), 325-336, 2017 [7] P. Roux, B. Roman, M. Fink - Time-reversal in an ultrasonic waveguide. Applied Physics Letters, 70(14), 1811-1813, 1997.

[8] J. P. Sessarego, R. Guillermin, A. Jarnac, A. Houard, Y. Brelet, J. Carbonnel, D. Fattaccioli - Utilisation d'une source laser pulsée à haute energie comme source acoustique large bande en milieu liquide Source acoustique générée par un laser pulsé intense. Traitement du Signal, 33(1), 95-111, 2016.

 

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