Un banc d'essai ultrasonore pour reproduire la dégradation de performance sonar en milieu marin fluctuant

Abstract

This thesis focuses on wave propagation in random media. Especially, the ocean medium is subject to many sources of fluctuations. The most critical ones were found to be internal waves, occurring frequently and inducing fluctuations of the spatial distribution of the sound speed field. Because of the fairly long period of this phenomenon as compared to the propagation time of acoustic waves for sonar applications (typically for frequencies of 1 to 15 kHz and propagation ranges of 1 to 10 km), the process can be considered frozen in time for each stochastic realization of the medium. The intrinsic objective of this project is to develop and benchmark corrective signal processing techniques allowing to mitigate the degradation of performance induced by the medium fluctuations. The development of testbenches allowing to reproduce the effect of atmospheric turbulence on optic waves propagation under laboratory conditions lead to considerable advancements in the field of adaptive optics. We therefore see a vivid interest in being able to reproduce the effects of internal waves on sound propagation in controlled environments. An experimental protocol in a water tank is proposed: an ultrasonic wave is transmitted through a randomly rough acoustic lens, producing distortions of the received wavefront. The induced signal fluctuations are controlled by tuning the statistical parameters of the roughness of the lens. Especially, they are linked to dimensional parameters allowing to classify the configurations into regimes of fluctuations and to predict the statistical moment of the acoustic pressure up to the fourth order. A remarkable relevance of our experimental scheme is found when compared to theoretical and simulation results.The degradation of classical signal processing techniques when applied to our acquired data highlights the need for corrective detection techniques. A review of the existing techniques in other domains is proposed.Ces travaux concernent la propagation d’ondes en milieu aléatoire. En particulier, le milieu océanique est sujet à de nombreuses sources de fluctuations. Les plus importantes sont les ondes internes, très fréquentes et entrainant des fluctuations de la distribution spatiale du champ de célérité du son. En raison de la longue période de ces phénomènes comparée au temps de propagation des ondes acoustiques pour des applications sonar (typiquement pour des fréquences dans la bande 1-15 kHz et pour des distances de 1 à 10 km), le processus peut être considéré figé dans le temps pour chaque réalisation stochastique du milieu. L'objectif intrinsèque de ce projet est de développer et valider des techniques de traitement correctif promettant de compenser la dégradation de performances induites par les fluctuations du milieu.Le développement de bancs d'essais permettant de reproduire les effets de la turbulence atmosphérique sur la propagation d'ondes optiques a permis des avancées considérables dans le domaine de l'optique adaptative. Nous voyons donc un fort intérêt dans la possibilité de reproduire les effets des ondes internes sur la propagation du son en environnement contrôlé. Un protocole expérimental dans une cuve d'eau est proposé: une onde ultrasonore est transmise à travers une lentille acoustique aléatoirement rugueuse, ce qui produit des distorsions du front d’onde reçu. Les fluctuations des signaux reçus sont contrôlées en modifiant les paramètres statistiques de rugosité de la lentille. Ces paramètres sont reliés à l’analyse dimensionnelle permettant de classifier les configurations étudiées selon des régimes de fluctuations et de prédire les moments statistiques du champ acoustique jusqu'à l'ordre quatre. Une excellente correspondance est observée entre notre protocole expérimental et des résultats théoriques et numériques.La dégradation des performances des techniques de détection classiques appliquées à nos données expérimentales souligne le besoin de techniques correctives. Un état de l’art des techniques existantes dans divers domaines est proposé