A Noise-Robust Method with Smoothed \ell_1/\ell_2 Regularization for Sparse Moving-Source Mapping

The method described here performs blind deconvolution of the beamforming output in the frequency domain. To provide accurate blind deconvolution, sparsity priors are introduced with a smooth \ell_1/\ell_2 regularization term. As the mean of the noise in the power spectrum domain is dependent on its variance in the time domain, the proposed method includes a variance estimation step, which allows more robust blind deconvolution. Validation of the method on both simulated and real data, and of its performance, are compared with two well-known methods from the literature: the deconvolution approach for the mapping of acoustic sources, and sound density modeling

Localisation et contribution de sources acoustiques de navire au passage par traitement d’antenne réduite

Since the surface ship radiated noise is the main contribution to the underwater acoustic noise in coastal waters, The Marine Framework Strategy Directive of the European Commission recommends the development of the monitoring and the reduction of the impact of the traffic noise. The need for developing an industrial system for the noise mapping of the surface ship have motivated this study, it will allow the naval industries to identify which part of the ship radiates the stronger noise level.In this context, this research work deals with the development of passive noise mapping methods of a surface ship passing-by above a static linear array with a reduced number of hydrophones. Two aspects of the noise mapping are considered: the localization of acoustic sources and the identification of the relative contribution of each source to the ship acoustic signature.First, a bibliographical study concerning the acoustic radiation of a passing-by surface ship is conducted in order to list the main acoustic sources and then to simulate representative ship sources. The acoustic propagation is simulated according to the ray theory and takes the source motion into account. The simulator of the acoustic radiation of a passing-by ship is built in order to validate the proposed noise mapping methods and to design an experimental set-up. A study about the influence of the source motion on the noise mapping methods led to the use of the beamforming method for moving sources for the source localization and a deconvolution method for the identification of the source contribution. The performances of both methods are assessed considering measurement noise and uncertainties about the propagation model in order to know their limitations. A first improvement of the beamforming method consists of a passive synthetic aperture array algorithm which benefits from the relative motion between the ship and the antenna in order to improve the spatial resolution at low frequencies. Then, an algorithm is proposed to acoustically correct the trajectography mismatches of a passing-by surface ship. Finally, the last part of this thesis concerns a pass-by experiment of a towed-ship model in a lake. These measurements allowed us to validate the proposed noise mapping methods and their proposed improvements, in a real and controlled environment.Le bruit rayonné par le trafic maritime étant la principale source de nuisance acoustique sous-marine dans les zones littorales, la Directive-Cadre Stratégie pour le Milieu Marin de la Commission Européenne promeut le développement de méthodes de surveillance et de réduction de l'impact du bruit du trafic maritime. Le besoin de disposer d'un système industriel d'imagerie du bruit rayonné par les navires de surface a motivé la présente étude, il permettra aux industriels du naval d'identifier quels éléments d'un navire rayonnent le plus de bruit.Dans ce contexte, ce travail de recherche porte sur la mise en place de méthodes d'imagerie acoustique sous-marine passive d'un navire de surface au passage au-dessus d'une antenne linéaire et fixe au nombre réduit d'hydrophones. Deux aspects de l'imagerie acoustique sont abordés : la localisation de sources acoustiques et l'identification de la contribution relative de chacune de ces sources dans la signature acoustique du navire.Tout d'abord, une étude bibliographique sur le rayonnement acoustique d'un navire de surface au passage est menée afin d'identifier les principales sources acoustiques et de pouvoir ensuite simuler des sources représentatives d'un navire. La propagation acoustique est simulée par la théorie des rayons et intègre le mouvement des sources. Ce simulateur de rayonnement acoustique de navire au passage est construit afin de valider les algorithmes d'imagerie acoustique proposés et de dimensionner une configuration expérimentale. Une étude sur l'influence du mouvement des sources sur les algorithmes d'imagerie acoustique a conduit à l'utilisation d'un algorithme de formation de voies pour sources mobiles pour la localisation des sources et une méthode de déconvolution pour accéder à l'identification de la contribution des sources. Les performances de ces deux méthodes sont évaluées en présence de bruit de mesure et d'incertitudes sur le modèle de propagation afin d'en connaître les limites. Une première amélioration de la méthode de formation de voies consiste en un traitement d'antenne à ouverture synthétique qui exploite le mouvement relatif entre le navire et l'antenne pour notamment améliorer la résolution en basses fréquences. Un traitement de correction acoustique de la trajectoire permet de corriger la trajectographie du navire au passage qui est souvent incertaine. Enfin, la dernière partie de cette thèse concerne une campagne de mesures de bruit de passage d'une maquette de navire de surface tractée en lac, ces mesures ont permis de valider les méthodes d'imagerie acoustique proposées ainsi que les améliorations proposées, dans un environnement réel maîtrisé

Modélisation temporelle des sources acoustiques d'un bâtiment marin ou sous-marin en mouvement dans le champ lointain

National audienceLes sources acoustiques sous-marines de bâtiment marin sont actuellement étudiées de façon individuelle au moyen de modèles numériques pour caractériser finement leur comportement. Cette approche ne répond pas aux problématiques des études acoustiques de champ lointain d'un bâtiment marin entier mobile qui nécessiteraient une modélisation numérique complète. Une démarche de modélisation analytique est proposée dans ce papier pour traiter ces problématiques. Des sources de nature spectrale différente sont modélisées analytiquement pour prédire le champ lointain de pression acoustique d'un bâtiment marin. À partir de ces données, les sources mobiles sont propagées par la théorie des rayons. Enfin, des simulations permettent de valider ces modèles

Array processing for the localization and the contribution of acoustic sources of a passing-by ship using a short antenna

Le bruit rayonné par le trafic maritime étant la principale source de nuisance acoustique sous-marine dans les zones littorales, la Directive-Cadre Stratégie pour le Milieu Marin de la Commission Européenne promeut le développement de méthodes de surveillance et de réduction de l'impact du bruit du trafic maritime. Le besoin de disposer d'un système industriel d'imagerie du bruit rayonné par les navires de surface a motivé la présente étude, il permettra aux industriels du naval d'identifier quels éléments d'un navire rayonnent le plus de bruit.Dans ce contexte, ce travail de recherche porte sur la mise en place de méthodes d'imagerie acoustique sous-marine passive d'un navire de surface au passage au-dessus d'une antenne linéaire et fixe au nombre réduit d'hydrophones. Deux aspects de l'imagerie acoustique sont abordés : la localisation de sources acoustiques et l'identification de la contribution relative de chacune de ces sources dans la signature acoustique du navire.Tout d'abord, une étude bibliographique sur le rayonnement acoustique d'un navire de surface au passage est menée afin d'identifier les principales sources acoustiques et de pouvoir ensuite simuler des sources représentatives d'un navire. La propagation acoustique est simulée par la théorie des rayons et intègre le mouvement des sources. Ce simulateur de rayonnement acoustique de navire au passage est construit afin de valider les algorithmes d'imagerie acoustique proposés et de dimensionner une configuration expérimentale. Une étude sur l'influence du mouvement des sources sur les algorithmes d'imagerie acoustique a conduit à l'utilisation d'un algorithme de formation de voies pour sources mobiles pour la localisation des sources et une méthode de déconvolution pour accéder à l'identification de la contribution des sources. Les performances de ces deux méthodes sont évaluées en présence de bruit de mesure et d'incertitudes sur le modèle de propagation afin d'en connaître les limites. Une première amélioration de la méthode de formation de voies consiste en un traitement d'antenne à ouverture synthétique qui exploite le mouvement relatif entre le navire et l'antenne pour notamment améliorer la résolution en basses fréquences. Un traitement de correction acoustique de la trajectoire permet de corriger la trajectographie du navire au passage qui est souvent incertaine. Enfin, la dernière partie de cette thèse concerne une campagne de mesures de bruit de passage d'une maquette de navire de surface tractée en lac, ces mesures ont permis de valider les méthodes d'imagerie acoustique proposées ainsi que les améliorations proposées, dans un environnement réel maîtrisé.Since the surface ship radiated noise is the main contribution to the underwater acoustic noise in coastal waters, The Marine Framework Strategy Directive of the European Commission recommends the development of the monitoring and the reduction of the impact of the traffic noise. The need for developing an industrial system for the noise mapping of the surface ship have motivated this study, it will allow the naval industries to identify which part of the ship radiates the stronger noise level.In this context, this research work deals with the development of passive noise mapping methods of a surface ship passing-by above a static linear array with a reduced number of hydrophones. Two aspects of the noise mapping are considered: the localization of acoustic sources and the identification of the relative contribution of each source to the ship acoustic signature.First, a bibliographical study concerning the acoustic radiation of a passing-by surface ship is conducted in order to list the main acoustic sources and then to simulate representative ship sources. The acoustic propagation is simulated according to the ray theory and takes the source motion into account. The simulator of the acoustic radiation of a passing-by ship is built in order to validate the proposed noise mapping methods and to design an experimental set-up. A study about the influence of the source motion on the noise mapping methods led to the use of the beamforming method for moving sources for the source localization and a deconvolution method for the identification of the source contribution. The performances of both methods are assessed considering measurement noise and uncertainties about the propagation model in order to know their limitations. A first improvement of the beamforming method consists of a passive synthetic aperture array algorithm which benefits from the relative motion between the ship and the antenna in order to improve the spatial resolution at low frequencies. Then, an algorithm is proposed to acoustically correct the trajectography mismatches of a passing-by surface ship. Finally, the last part of this thesis concerns a pass-by experiment of a towed-ship model in a lake. These measurements allowed us to validate the proposed noise mapping methods and their proposed improvements, in a real and controlled environment

Localization and Contribution of Underwater Acoustical Sources of a Moving Surface Ship

International audienceWith the advent of new standards for the regulation of acoustic radiation from ships, the measurement of the underwater acoustical radiation of surface ships has become a new concern. This paper proposes array signal-processing methods for loca-lization and estimation of the spectral contributions of underwater acoustic-noise sources of moving surface ships. Beamforming for moving sources is used for localization of the acoustic-noise sources. Then, deconvolution of the point-spread function in the beamforming is performed to estimate the noise-source contributions in this underwater application. Among the classical methods of deconvolution in an aerial environment, the source density modeling method is chosen. However, weighting of the beamform-ing for moving sources is not adapted to the study of large vessels such as ships, which induces the localization of nonphysical sources. A new beamforming weighting strategy is proposed to deal with this issue. In addition, as beamforming for moving sources suffers from poor resolution at low frequencies, a passive synthetic aperture array algorithm is proposed here to successfully improve the resolution. A unique experiment was performed to validate the proposed methods, on Castillon Lake, Alpes-de-Haute-Provence, France, with a towed surface ship and controlled noise sources. In these experiments, the localization performance of the beam-forming for moving sources is improved by the synthetic aperture algorithm. Moreover, the new weighting strategy provides better estimation of the contribution of the sources from the deconvolu-tion results. Index Terms-Beamforming, noise mapping, pass-by noise, underwater acoustics

Acoustic trajectory correction to improve mapping of moving sources

International audienc

Passive synthetic aperture array to improve noise mapping of a moving ship

International audienc

A theoretical and experimental comparison of the deconvolution methods for moving sources

International audienc

A theoretical and experimental comparison of the iterative equivalent source method and the generalized inverse beamforming

International audienc

Sparse Deconvolution for Moving-Source Localization

International audienceIn this paper, we propose a method for moving-source localization based on beamforming output and on sparse representation of the source positions. The goal of this method is to achieve spatial deconvolution of the beamforming, to provide accurate source localization for pass-by experiments. To perform this deconvolution, we use a smooth approximation of L1/L2 [1], which is well suited for the recovery of sparse signals. We validate this method on simulated data, and compare it to the DAMAS-MS method [2], one of the classical methods used in beamforming deconvolution