L’exploitation du signal en fond sous marin pour mesurer le séisme
Le séisme ou tremblement de terre est un phénomène naturel qui engendre beaucoup de perturbations tant sur le plan matériel (les différentes infrastructures) que sur le plan géologique (glissement ou éboulement de terrain).
Des scientifiques ne cessent de faire des recherches dans le but de comprendre ces phénomènes et d’étudier de près ces secousses. Pour cela des laboratoires et des stations observatoires ont été mis en places, équipés des matériels et des méthodes adéquats.
Pour commencer, la sismologie fait partie des techniques de mesures indirectes à l’étude des caractéristiques physiques de la Terre ou simplement la géophysique.
Cette technique permet d’étudier les séismes et la propagation des ondes sismiques ou élastiques à l’intérieur de la Terre.
Dans le but de bien décrire et comprendre le séisme plusieurs étapes ainsi que des méthodes théoriques et pratiques sont utilisés. Cette description et cette compréhension peuvent être un outil qu’on peut utiliser pour l’exploitation du séisme, par exemple la prédiction sismique ou encore l’étude de structure profond de la Terre. Les résultats obtenus dans la pratique sont basés sur des données en acoustique sous-marine.
On peut constater différentes sortes d’événements sismiques, mais ceux que l’on rencontre souvent sont le séisme ou tremblement de terre et l’explosion sous-marine.
Quand un événement sismique se manifeste, ce dernier émet une onde sismique. À l’aide du phénomène de propagation, cette onde sera reçue par les scientifiques via un récepteur dans un point donné. Entre le point source de l’événement sismique, qui n’est pas encore localisé dans un premier temps, et le point de réception les ondes sismiques suivent le trajet des ondes.
La modélisation du mouvement du sol, produit par un événement sismique s’exprime donc comme la convolution des trois termes suivants : terme de source, terme de propagation et terme effet de site.
Pour exploiter le séisme, il faut avoir la capacité de déterminer et évaluer un par un ces trois termes.
Dans le cadre de l’identification de la nature et du point source de l’événement sismique, les principaux éléments utilisés sont, comme décrits un peu plus haut, les ondes sismiques incluant sa propagation, le trajet des ondes ainsi que le récepteur.
L’étude de ces trois éléments clés avec les méthodes théoriques et pratiques permettent aux scientifiques d’obtenir des informations nécessaires pour estimer la fonction source de types d’événement sismique voire l’estimation de la profondeur, de la charge d’explosion (en cas d’explosion sous-marine) et du moment sismique du séisme.
Les méthodes et disciplines relatives à cette étude du séisme se basent aux sciences de l’ingénieur et nécessitent certains domaines de compétences.
On y rencontre le domaine des mathématiques appliquées, par exemple « la statistique d’ordre supérieur à deux ».
Il y a aussi le domaine des sciences appliquées qui est utilisé dans :
- la démarche duale
- la théorie de la robustesse statistique
- l’estimateur séquentiel du mouvement image, basé sur le filtre de kalman, etc.
Il y a également le domaine des sciences appliquées-physique telles que :
- le traitement d’antenne actif, estimation retard Doppler, estimation active spatio-temporelle haute résolution
- l’estimateur séquentiel du mouvement image, basé sur le filtre de Kalman
- l’algorithme aux ordres supérieurs
- les propriétés énergétiques des sources non-gaussiennes, etc.
Toutes les données sont donc traitées et calculées en suivant les méthodes.
Entre l’intervalle émission et réception, les ondes sont exploitées comme porteurs de signal physique. Le signal étant une grandeur physique, permet d’accéder à une information. C’est pour cela qu’il faut le traiter et l’identifier.
Les signaux peuvent venir de plusieurs sources différentes. Ils peuvent venir d’une source biologique comme les mammifères marins, mais aussi d’une source mécanique comme les bâtiments marins. C’est justement là la raison de les traiter, car il permet de distinguer, dans un premier temps l’origine du signal et aussi d’identifier sa nature.
Outre le fait de déterminer et d’identifier la source, ce traitement permet aussi d’estimer les grandeurs à mesurer sur un signal. Le traitement des signaux est donc exploité et interprété selon l’objectif de son utilisateur.
Dans notre cas, on s’intéresse plutôt au traitement signaux sismiques appliqués à des données sous-marines.
Comme on peut rencontrer diverses sources, différentes méthodes contribuent au traitement de signaux sismiques selon les recherches effectuées.
D’abord, le milieu marin reste à présent une zone non accessible en information étant donné qu’on peut y rencontrer différentes sources de signaux. Par conséquent, le modèle systématique caractérisant les signaux en domaine temporel est indisponible. La conversion de représentation des signaux temporels en temps fréquentiels est donc une option possible.
Cette option est basée à la description de la structure énergétique d’un signal non stationnaire en fonction du temps et de la fréquence. Ceci est dans le but de reconnaître ou de classifier les signaux acoustiques. Des méthodes d’analyse temps-fréquences des signaux vibratoires permettent d’avoir une représentation temps-fréquence du signal ou séquence d’images. Cette dernière conduit à la perception du mouvement.
Ensuite, leur séparation est nécessaire afin de reconstituer les signaux émis reçus simultanément à partir du mélange convolutif de signaux à large bande de fréquence enregistré sur le réseau de capteurs. L’objectif est simplement d’obtenir les paramètres d’ondes qui vont caractériser chaque onde. Mais cela n’est plus valable avec les techniques classiques au cas où le modèle de propagation du signal n’est pas défini.
Cette séparation demande, d’une part, l’application des techniques récentes de séparation de sources non-gaussiennes s’appuyant sur la théorie de la robustesse statistique en analysant les performances d’une technique utilisant un critère construit par l’approche du maximum de vraisemblance. Les paramètres estimés sont la lenteur apparente, l’amplitude, la forme de l’onde, la phase et l’angle d’incidence.
D’autre part, la séparation aveugle de sources indépendantes est utilisée dans le domaine fréquentiel. Cette séparation a pour but d’étendre le traitement fréquentiel de séparation de signaux à bande étroite de fréquence. Il faut alors identifier les signaux périodiques.
Par contre, pour les signaux qui n’ont pas la caractéristique d’être traités à partir de la fréquence, on évalue leur vitesse de convergence vers la gaussianité. À partir de là, on a recours au style de séparation basé sur l’hypothèse de non-gaussianité des signaux temporels.
D’un autre côté, quand les sources ne sont plus fréquentiellement séparables, on procède à la reconstruction de spectre ou à l’exploitation de la matrice spectrale des entrées de signaux à bande large suite à des composantes fréquentielles extraites à chaque canal de fréquence. D’où l’introduction de système d’aide à l’analyse spectrale de signaux.
Ce système permet à l’utilisateur de choisir une méthode appropriée relative aux paramètres du signal et à interpréter le spectre estimé selon le domaine d’application et la méthode d’analyse.
Cela-dit, il y a une petite remarque concernant les signaux exposés à la non-gaussianité.
La séparation de signaux gaussiens est une application classique au traitement de signal. Mais dans le cas où les signaux sont non gaussiens la séparation est impossible. Pour résoudre ce problème on fait appel aux statistiques d’ordre supérieur en décrivant une indépendance précise des signaux par le développement de Gram-Charlier des densités de probabilité.
D’ailleurs, des nouveaux outils de traitement de signal sont établis en utilisant les statistiques d’ordre supérieur basés par différentes études comme l’étude bispectre qui mesure la gaussianité et linéarité du processus.
Toujours dans le cadre du traitement de signal, l’estimation des données et la récupération de porteuse est un problème à résoudre dans la transmission numérique surtout dans les transmissions acoustiques sous-marines. Particulièrement le cas où le canal de transmission est non-stationnaire. Face à ce problème, les chercheurs ont établi des algorithmes de récupération de porteuse et/ou d’égalisateur asymptotique optimal en poursuite de non stationnarité lentes. Ces algorithmes sont simulés pour démontrer leur efficacité et robustesse.
L’évolution et la progression d’une onde dans un milieu donné résultent du phénomène physique appelé propagation. Pour identifier ce milieu de propagation à des trajets multiples, les paramètres inconnus sont estimés comme : les retards, amplitudes et phases relatives aux différents trajets. Cette estimation est basée à la démarche bayesienne.
Le milieu de propagation joue un important rôle dans la transmission d’onde surtout dans le domaine acoustique sous-marine. De ce fait, une expérience de l’influence du fond marin sur la propagation acoustique océanique a été effectuée. Cette étude est basée sur des ultra basses fréquences. Aux termes des 5 à 50 Hertz les ondes pénètrent dans le sous-sol et s’y propagent. Ce qui amène aux deux rôles du fond marin sur la propagation : le pouvoir de réflexion et la caractérisation de propagation des ondes.
La croissance des techniques des télécommunications numériques a engendré des méthodes dites de déconvolution aveugle. Comme expliqué auparavant, trois termes modélisent le mouvement du sol. Les méthodes de déconvolution aveugle consistent à évaluer les différents termes de la modélisation du mouvement du sol.
Cette évaluation est faite par l’estimation des trois termes : source, propagation et effets de site. Cette déconvolution aveugle utilisant les statistiques d’ordre supérieur à deux peut être appliquée à des données sismiques.
Les nouvelles techniques à la localisation de sources exploitent les réseaux de capteurs. Ces derniers servent à estimer les caractéristiques des sources comme ses coordonnées et directions d’arrivée. Les méthodes appliquées viennent du traitement d’antenne.
Une antenne, par définition, est un capteur pouvant être orienté en facilitant en conséquence une direction d’écoute.
Le traitement d’antenne apporte de l’amélioration aux performances des liaisons radioélectriques et de minimiser l’interférence multi-utilisateur et égalisateur. Dans l’acoustique sous-marine, quand on traite les signaux enregistrés, le progrès du rapport signal sur bruit et l’accroissement de la directivité de l’antenne dépendent de la considération des déformations des signaux.
Le traitement d’antenne accroît donc le niveau de ces performances de liaisons élémentaires. On distingue le traitement d’antenne à large bande de fréquence qui permet de caractériser les sources rayonnantes en propagation acoustique sous-marine.
La perception de bruit fait partie de la réception du signal par les récepteurs grâce à l’utilisation de l’antenne. Le bruit étant un élément perturbateur empêche la perception du signal. C’est une composante aléatoire. Les sources de ces bruits sont variées. Ils proviennent par exemple du trafic maritime, les émissions de sonar, les travaux ou ouvrages en mer.
Dans un récepteur cohérent, l’effet des bruits est aggravé et la sensibilité réception est endommagée. Pour résoudre ce problème, une étude a été faite sur les récepteurs cohérents des transmissions par un canal bruité à trajets multiples. Cette étude est appliquée aux communications acoustiques sous-marines.
Toutefois, en utilisant les soustracteurs de bruits, la perception peut être améliorée. Le principe est d’utiliser diverses références de bruits. Puis on estime le signal utile et on fait appel à la technique de filtrage fréquentiel des signaux qui peuvent être analogique ou numérique. C’est parmi les moyens efficaces pour supprimer ces signaux nuisibles.
Nous avons évoqué auparavant que la modélisation du mouvement du sol est décrite en trois termes : terme de source, terme de propagation et terme effet de site. Toutefois, les phénomènes physiques ont aussi une influence sur les propriétés acoustiques du milieu.
Dans notre cas, l’étude du séisme est dans le milieu sous-marin. Dans ce milieu, il est probable d’étudier ces événements sismiques passant par la mesure acoustique du canal océanique. On fait appel alors à la tomographie acoustique océanique (TAO) qui est une méthode de mesure acoustique du canal en propageant une onde acoustique dans le milieu sous-marin et en observant les distorsions émises par cette propagation.
Tout cela est dans le but de connaître les propriétés du canal. Ainsi, la tomographie acoustique océanique permet de déduire les propriétés des océans sur des échelles spatiales et temporelles variables (température, salinité et pression) et de surveiller leurs évolutions.
Divers outils et méthodes ont été élaborés par les chercheurs afin de faciliter cette mesure ou tomographie acoustique océanique. On peut, par exemple utiliser l’analyse spatio-temporelle des signaux à large bande comme outil. Cette analyse permet d’étudier la structure à grande échelle de l’océan suite à la propagation des ondes acoustiques dans l’eau de mer. Elle consiste à introduire des méthodes d’analyse spatio-temporelle haute résolution.
Le traitement des signaux issus de la tomographie acoustique océanique ou de sonar peut être effectué par les méthodes actives spatio-temporelles en se référant sur les impulsions à large bande. Ce sont les signaux les plus fréquentés dans la tomographie acoustique océanique dont la particularité est sa localisation en temps. Ces méthodes englobent le traitement d’antenne actif, l’estimation de Doppler, l’estimation active spatio-temporelle haute résolution et l’évaluation de la perte de performances.
Ces méthodes et outils sont utilisés au traitement des signaux sismiques. En revanche l’introduction du système sonar aide à détecter les cibles immergées telles que les mammifères marins et les sous-marins par l’intermédiaire du traitement des signaux émis. En d’autres termes, le sonar est l’un des moyens acoustiques actifs permettant de classifier les cibles immergées et surtout de les distinguer par rapport aux signaux sismiques.
Comme l’indique alors, le sonar est un appareil exploitant les propriétés distinctes de la propagation acoustique sous-marine pour cibler des objets sous l’eau en dévoilant sa position : direction et distance. On distingue les sonars actifs dont la technique est d’émettre un son et d’écouter en retour son écho. Quant aux sonars passifs, ils se basent sur l’écoute des bruits.
Une approche de méthodes d’identification des cibles mobiles sous-marines a été élaborée à partir de traitement des signaux ayant une fonction d’auto ambiguïté. Si le pouvoir de résolution obtenu n’est pas suffisant, on introduit les méthodes de déconvolution ou méthodes de filtrage inverse généralisé et méthodes itératives.
Des scientifiques ne cessent de faire des recherches dans le but de comprendre ces phénomènes et d’étudier de près ces secousses. Pour cela des laboratoires et des stations observatoires ont été mis en places, équipés des matériels et des méthodes adéquats.
Pour commencer, la sismologie fait partie des techniques de mesures indirectes à l’étude des caractéristiques physiques de la Terre ou simplement la géophysique.
Cette technique permet d’étudier les séismes et la propagation des ondes sismiques ou élastiques à l’intérieur de la Terre.
Dans le but de bien décrire et comprendre le séisme plusieurs étapes ainsi que des méthodes théoriques et pratiques sont utilisés. Cette description et cette compréhension peuvent être un outil qu’on peut utiliser pour l’exploitation du séisme, par exemple la prédiction sismique ou encore l’étude de structure profond de la Terre. Les résultats obtenus dans la pratique sont basés sur des données en acoustique sous-marine.