Marine mammal's directivity in geoacoustic inversion scheme

International audienceGervaise & al 2011 and Barazzutti & al 2013 described the general structure of a scheme to estimate the nature of superficial sediment in shallow waters using marine mammal's whistles and a single receiver. The multipath structure of calls given by a spectrogram is used to estimate the source characteristics and the superficial sea bottom features. A field application of this method was presented in [11] using controlled signals similar to marine mammal's vocalizations in a shallow water environment on a sandy bottom. However, contrary to the source used during that experiment, marine mammals are directive sources and the directivity loss underwent by the multipath must be taken into account in our inversion process. Indeed, the directivity is a function of frequency and emission angle (sound-source azimuth), and impacts each path differently. Thus the bottom path, once corrected from transmission loss, must be corrected from directivity loss before being used to estimate the bottom features. The emission angle can easily be geometrically related to the arrival angle and a specific unknown angle we called attitude (source orientation in space during the emission). However, the directivity patterns of marine mammals are not well studied yet, especially for vocalizations (e.g. directivity model assumption - Au 1993[4], directivity pattern measurement - Au & al 2012[9], etc.) and contrary to other mammals the unknown "attitude" parameter is not that easy to observe (e.g. Dantzker & al 1999). Our communication aims at describing different methods to estimate the "attitude" angle and the directivity loss for marine mammals. Their performances and limits are evaluated using simulated data

Utilisation de warping temporel pour étendre le domaine de fonctionnement d’un procédé d’inversion géoacoustique passive

National audienceThis paper presents new tools to improve a geoacoustic inversion scheme relying on the inversion of marine mammals vocalizations recorded on a single hydrophone. This method makes best use of the multipath propagation and time-frequency signature of vocal calls. The classical signal processing tools based on spectrogram limit both the range of the scheme and the signals panel that can be processed. In this paper, we introduce new tools based on temporal warping that allow high resolution paths separation. Each echo has to be transformed into a pure frequency. Therefore, they are warped according to the frequency law of the signal estimated according to the first echo. The warping tools enable a high resolution of each echo in the time-frequency warped domain. Applying the warping on a moving window, one can estimate the impulsive response (IR) of the channel and deduce the source location, grazing angle and transmission losses. Then, as warping operators conserve energy, the path levels can be estimated using the time-frequency warped representation. Through the processing of several signals, we get a curve of an estimation of the reflection coefficient that feeds the inversion algorithm. The theory of this extended method is described and its performances are evaluated on a controlled real data set in the Gulf of Lion. The range and the recording duration have been improved (range from 300 to 900 meters and duration multiplied by 2.5). With the new scheme, we have access to a set of geoacoustic parameters allowing to better describe the bottom features.Cet article introduit de nouveaux outils pour le traitement de signal dans le cadre d’un schéma d’inversion géoacoustique passive s’appuyant sur des modulations de fréquence de mammifères marins captés sur un unique hydrophone. La méthode se base sur l’utilisation de la propagation multitrajet pour extraire l’information nécessaire à l’estimation du coefficient de réflexion du sédiment superficiel. Jusqu’à présent, l’utilisation d’outils de traitement du signal basés sur le spectrogramme limitait la portée et les signaux candidats à l’inversion, ceux-ci devant présenter des échos résolus dans le plan temps-fréquence au regard des outils mis en œuvre. Ce papier propose l’ajout d’une nouvelle étape de traitement basée sur des opérateurs de déformation temporelle (warping) permettant la séparation haute résolution des échos. Les échos sont transformés en composantes de fréquences pures par application d’un opérateur de déformation avec pour loi de déformation, la loi de fréquence instantanée du signal. En contexte passif, cette loi est estimée à partir du premier écho reçu. L’application de l’opérateur de déformation sur une fenêtre temporelle glissante permet d’obtenir la réponse impulsionnelle (RI) du canal. Celle-ci est ensuite utilisée pour estimer la position de la source, l’angle de rasance et les pertes de transmission. Le warping conservant l’énergie, le niveau de chaque écho peut être alors estimé sur le signal déformé sans devoir revenir dans l’espace temporel initial. A l’instar de la méthode d’inversion de base, le traitement d’une série d’émissions fournit une courbe estimée du coefficient de réflexion en fonction des angles de rasance. Cette courbe sert d’observable à l’algorithme d’inversion. Le résultat important de cette étude est que ces nouveaux outils permettent d’augmenter la portée et la diversité des signaux candidats à la méthode d’inversion. Les performances et la validité du schéma d’inversion étendu ont été évaluées sur données synthétiques puis confrontées avec succès aux émissions réelles dans le golfe du Lion sur lesquelles la méthode d’origine avait été précédemment évaluée. La portée a été triplée et la durée d’enregistrement utile multipliée par un facteur 2,5 grâce aux nouveaux outils. Avec ces nouveaux outils, nous avons accès à un ensemble de paramètres géoacoustiques permettant de mieux décrire les caractéristiques du fond marin

Inversion géoacoustique passive en milieux petits fonds à partir de signaux représentatifs des émissions de cétacés

International audienceCet article présente un procédé d'inversion géoacoustique passif à partir de signaux représentatifs de vocalises de mammifères marins et d'un unique hydrophone en milieux petits fonds. Notre méthode utilise au mieux la propagation en multitrajets des vocalises et leur signature temps-fréquence pour extraire un observable permettant d'estimer par inversion les propriétés du fond marin. Il s'applique aux vocalises présentant au moins trois trajets résolus (direct, fond, surface) ce qui implique une portée d'environ 300 m autour de l'hydrophone pour des hauteurs d'eau de 100 m. A partir d'outils temps fréquence, chaque émission est localisée et permet d'estimer le couple (rasance, coefficient de réflexion) lui correspondant. Le cumul d'un ensemble d'émissions permet de mesurer une courbe du coefficient de réflexion en fonction des angles de rasance. Cette donnée alimente un algorithme d'inversion géoacoustique mis en oeuvre à travers un algorithme génétique. Dans cet article, nous détaillons la théorie de la méthode et nous étudions ses performances. Nous démontrons la validité de la méthode sur des signaux génériques réels émis par une source contrôlée dans le Golfe du Lion (rampes de fréquences de 1 kHz à 2 kHz de durée 10 ms). Ces données permettent de valider la méthode sur des signaux aux caractéristiques très proches de celles de vocalises de mysticètes (baleines à bosse par exemple). Le cas des sifflements de delphinidés (ex : dauphins communs), plus hauts en fréquence, est également abordé

Inversion géoacoustique passive pour l'évaluation rapide de l'environnement : utilisation de sources d'opportunité

The geoacoustic inversion aims at giving an estimate of the oceanographic properties impacting the acoustic propagation. Most of the current geoacoustic inversion methods are active methods. However, the environment protection policy as well as military necessity of discretion is leading the community into working on less invasive and more discrete inversion schemes. The main idea of passive geoacoustic inversion is to take advantage of opportunity sources by listening to the effect of the environmental properties on their propagation. This PhD work focuses on the development and the validation of a new passive geoacoustic inversion scheme relying on marine mammals frequency modulations recorded on a single hydrophone in shallow waters. This mono-receiver method uses the multipath propagation. The processing of a set of calls provide an estimate of the reflexion coefficient regarding the grazing angle. High resolution separation tools based on bespoke time warping operators have been developed to improve the range of the method in case of not reported multipaths. When the paths remains unresolved (thus unidentified), others tools have been implemented that allows to locate the source with groups of unidentified paths. This localisation can be reached in 3D using only one receiver in varied bathymetry. We analyse the directivity for the high-frequency signals we planed to use and demonstrate how to take into account the directivity as soon as the source directivity pattern is available.L’inversion géoacoustique permet d’estimer les propriétés du milieu marin à partir de ses effets sur la propagation acoustique. Les politiques de protection de l’environnement, mais également les besoins militaires liés à la discrétion, ont conduit la communauté à se pencher sur des alternatives discrètes et moins invasives que les méthodes actuelles actives. En contexte passif, l’environnement est étudié à partir de son impact sur la propagation de signaux émis par des sources d’opportunité déjà présentes dans le milieu. Les travaux présentés dans ce manuscrit sont consacrés au développement et à l’évaluation d’une méthode d’inversion géoacoustique passive à partir de modulations de fréquences de mammifères marins enregistrées sur un unique hydrophone. Cette méthode monocapteur exploite la propagation multitrajets de ces modulations de fréquences, propagées en environnement petits fonds pour en extraire l’information nécessaire à l’estimation du coefficient de réflexion du fond. Le traitement d’une collection de signaux permet de décrire une courbe du coefficient de réflexion en fonction de l’angle de rasance sur le fond. La méthode est dotée d’outils permettant l’extraction des observables nécessaires à l’inversion. Des outils de séparation haute résolution des trajets ont été développés pour les cas de propagation multitrajets non résolue. Avec un unique capteur, la localisation en 3D est rendue possible grâce à l’apport de la bathymétrie, même lorsque les trajets d’arrivée sont non séparables et non identifiables. La directivité des sources hautes fréquences, ciblées pour l’inversion, a été analysée et sa prise en compte dans le cas d’un diagramme de directivité connu est présentée

Transmute : un outil interactif pour assister l’extraction de connaissances à partir de traces

National audienceAlors que l'extraction de connaissances à partir de données (ECD) est un processus qualifié d'interactif et d'itératif, l'interactivité des outils est souvent limitée et son étude est relativement récente.Elle est pourtant déterminante lors de l'interprétation pour choisir les motifs qui deviendront des connaissances. Nous proposons Transmute, un outil d'assistance à l'interprétation dans le processus d'ECD dans le cadre de la recherche d'épisodes séquentiels à partir de traces. La phase d'interprétation est itérative et à chaque itération les résultats de la fouille sont mis à jour dynamiquement en fonction des interactions avec l'analyste. Des outils de visualisation et des mesures de qualité indépendantes du domaine permettent de caractériser l'intérêt des motifs à interpréter pour faciliter leur choix et accompagner le travail de l'analyste afin de l'aider à se focaliser plus rapidement sur les motifs potentiellement intéressants

Un outil d’extraction interactive de connaissances à partir de traces : Transmute

National audienceUn outil d’extraction interactive de connaissances à partir de traces : Transmut

Interprétation visuelle et interactive d'épisodes séquentiels

National audienceDurant le processus d'extraction de connaissances à partir de données (ecd), de nombreuses interactions ont lieu avec un utilisateur humain expert du domaine ou ana-lyste qui y joue un rôle moteur. Pour aider l'analyste dans sa tâche, de nombreux outils permettent toutes sortes de visualisations réalistes des résultats, mais leurs capacités d'interaction restent souvent limitées à des manipulations graphiques. Nous proposons une approche interactive et visuelle de l'ecd supportée par un système de gestion de traces. Nous nous focalisons dans un premier temps sur l'étape d'interprétation. 1 Traces et système à base de traces Nous nous plaçons dans le cadre de l'étude des traces modélisées (Champin et al., 2013) où une trace est issue de l'observation d'un phénomène et est constituée d'une séquence d'éléments observés temporellement situés que nous appelons des obsels. Une trace est modélisée c'est-à-dire qu'elle se conforme à un modèle de trace décrivant les types d'obsels, leurs attributs et leurs relations et permettant d'interpréter la trace afin de faciliter son exploitation ultérieure. Les traces sont manipulées par des opérations élémentaires appelées transformations qui sont de différents types : filtrage d'obsels, fusion de traces, etc. Parmi ces transformations, la réécriture est une opération qui crée une nouvelle trace appelée trace transformée qui vise à augmenter progressivement le niveau de compréhension et d'abstraction de la trace initiale. La réécriture consiste à construire une nouvelle trace t 2 à partir d'une trace primaire t 1 en remplaçant dans t 2 des motifs, c'est-à-dire des séquences d'obsels, de t 1 par de nouveaux types d'obsels résumant chaque motif et en constituant une interprétation. Un système à base de traces est un système permettant de collecter, de traiter et de visualiser des traces. La réécriture de traces se situe au coeur du dispositif mis en place dans l'interprétation interactive. Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet OFS-Open Food System, programme investisse-ments d'avenir

Transmute : un outil interactif pour assister l’extraction de connaissances à partir de traces

National audienceAlors que l'extraction de connaissances à partir de données (ECD) est un processus qualifié d'interactif et d'itératif, l'interactivité des outils est souvent limitée et son étude est relativement récente.Elle est pourtant déterminante lors de l'interprétation pour choisir les motifs qui deviendront des connaissances. Nous proposons Transmute, un outil d'assistance à l'interprétation dans le processus d'ECD dans le cadre de la recherche d'épisodes séquentiels à partir de traces. La phase d'interprétation est itérative et à chaque itération les résultats de la fouille sont mis à jour dynamiquement en fonction des interactions avec l'analyste. Des outils de visualisation et des mesures de qualité indépendantes du domaine permettent de caractériser l'intérêt des motifs à interpréter pour faciliter leur choix et accompagner le travail de l'analyste afin de l'aider à se focaliser plus rapidement sur les motifs potentiellement intéressants

Transmute: an Interactive Tool for Assisting Knowledge Discovery in Interaction Traces

Analysis of traces is an increasingly active issue in knowledge discovery (kd). Unfortunately, to date, few tools are designed to help interactively the analyst during the knowledge discovery process. In this paper, we present Transmute, a tool to assist the analyst throughout an interactive kd process in traces. Transmute displays the results of the mining together with the source trace so that it is easier for the analyst to understand them and thus to refine the parameters of the algorithm accordingly. Transmute is developed as a web platform and relies on a Python implementation of the kd process

Un outil d’extraction interactive de connaissances à partir de traces : Transmute

National audienceUn outil d’extraction interactive de connaissances à partir de traces : Transmut