Modélisation des signaux émis par les mammifères marins Directeurs de thèse : Mars (GIPSA-Lab), C. Ioana (GIPSA-Lab) Collaborateurs directs: C. Gervaise (Laboratoire Développement des technologies nouvelles, ENSIETA). D. Fattaccioli (C.TSN, Toulon) I. Contexte En raison de l'augmentation importante du trafic maritime côtier, l'impact de cette activité humaine sur la faune sous-marine est devenu un sujet d'intérêt majeur afin d'éviter la diminution des espèces animales (intérêt écologique) et/ou des destructions matérielles (intérêt économique). D'autre part, le nombre de plus en plus important d'opérations militaires en environnement côtier implique une prise en compte judicieuse de l'impact d'émissions SONAR sur la vie des mammifères sous-marins. En effet, les signaux émis par les systèmes sonar actuels sont souvent caractérisés par des puissances élevées et des formes d'onde (structures tempo-spectrales) définies dans les mêmes bandes de fréquence que celles des mammifères sous-marins. En conséquence, l'analyse des signaux de mammifères sous-marins permettrait d'obtenir des informations riches en ce qui concerne l'impact des activités militaires sur le comportement des animaux marins. Ainsi, une première motivation pour cette étude repose sur la protection de l’environnement sousmarin. De plus, lors des nombreuses études concernant les mammifères marins, les scientifiques ont pu observer les hautes performances des vocalises de mammifères en terme de précision de localisation, portée, robustesse aux perturbations de tout genre (bruit, interférences, Doppler, …), langage de communication, etc. Il est donc naturel de penser que l’étude approfondie des vocalises de mammifères pourrait apporter des éléments intéressants lors de la conception des formes d’ondes sonar en offrant ainsi des meilleures performances de détection, estimation et localisation. L’utilisation des formes d’ondes sonar proches des signaux naturels constitue l’idée force du concept de sonar environnemental. Enfin, la richesse de l’information portée par les signaux de mammifères sous-marins est unanimement appréciée dans le domaine maritime. Ils constituent ainsi l’élément clé de l’exploration du milieu marin en définissant ainsi le concept des signaux d’opportunité. Les informations extraites, via le traitement et l’analyse adéquats, sont très diverses pouvant conduire à des applications très diverses. Par exemple, l’analyse des trajectoires de mammifères (fournies par la localisation des mammifères réalisée grâce aux traitements de leurs vocalises) constituerait une information pertinente pour la détection des courants marins et, ainsi, à l’optimisation des conditions de déplacement des navires. Par ailleurs, les sources d’opportunité permettraient, via le concept de tomographie océanique passive, l’estimation des paramètres du milieu sous-marin pouvant accroître les performances des systèmes sonar et/ou de communications. II. Problématiques traitement du signal abordées dans cette thèse Afin d’aboutir aux objectifs présentés des méthodologies avancées de traitement du signal doivent être mise en place. Nous présentons, les contraintes traitement du signal à être prises en compte et qui conduiront sans doute à des nouvelles approches dans le domaine du traitement du signal : - En raison du caractère inconnu de la forme d’onde de la vocalise ainsi que de la position inconnue de la source (ie mammifère sous-marin), la méthodologie de traitement sera conçue en contexte entièrement passif. Ceci constitue une contrainte forte car aucune hypothèse n’est autorisée. La considération des architectures multi-capteurs semble envisageable mais la minimisation du nombre de capteur (possible par des traitements performants) est fortement souhaitable ; - Etant donnée la diversité de types de signaux (les vocalises peuvent avoir des formes tempsfréquence très variées, généralement transitoires et non-linéaires) la méthodologie d’analyse devra être capable à gérer, via des modèles temps-fréquence généraux, une large gamme des vocalises. La méthodologie réalisera l’étape de détection, caractérisation et extraction des paramètres tout en tenant compte du caractère transitoire des vocalises. La mise en place de ces modèles généraux ainsi que des méthodes de détection, caractérisation et extraction associées sera validé sur des bases de données réelles ; - Le contexte de l’application des méthodologies e traitement du signal est spécifique à celui sousmarin caractérisé par des perturbations de type interférences (l’existence, dans la même bande que le signal utile, à des signaux cohérents correspondant à des activités humaines et/ou naturelles), bruit (état de la mer, bruit de capteur, fluctuations) et de type effet de propagation (multi-trajet, dispersion, absorption,..). Un effet particulièrement important est celui du mouvement sachant que les mammifères sont des sources mobiles et que ceci se traduit par un mélange entre la modulation source (que nous cherchons à estimer) et l’effet Doppler généralisé. Compte tenu de ce contexte, la méthodologie d’analyse du signal devra être capable à prendre en compte ces effets. Une piste envisageable serait la prise en compte lors de l’étape de conception, des modèles physiques associés aux phénomènes mentionnés ci-dessus. Modelization of signal and sound emitted by marine mammals Thesis directors: Mars (GIPSA-Lab), C. Ioana (GIPSA-Lab) Collaborators: C. Gervaise (Laboratory Development D. Fattaccioli (C. TSN, Toulon) of new technologies, ENSIETA). Due to the significant increase in coastal shipping, the impact of human activity on wildlife has become a topic of major interest. Furthermore operations in coastal environment require a careful consideration of the impact of emissions SONAR on the underwater mammals. Indeed, signals emitted by existing sonar systems are often characterized by high power and waveforms (spectral temporary structures) with same frequency bands as those of underwater mammals. Consequently, the mammals signal analysis would provide rich information regarding the impact of activities on the behavior of marine animals. First motivation for this study is based on protection the underwater environment. Moreover, scientists have observed the high performance of vocalizations of mammals in terms of location accuracy, range, robustness to disturbances of any kind (noise, interference, Doppler, ...), language communication, etc.. It is therefore natural to think that study of vocalizations of mammals may provide interesting elements in the design of sonar waveforms in offering the best performance for detection, estimation and localization. The use of sonar waveform close to natural signals is the thrust of the concept of environmental sonar. Finally, information carried by the signals of underwater mammals is widely prized in the maritime domain. It can be the key for exploration of the marine environment as we can define the concept of signals of opportunity With this signal of opportunity, we can for example, analysis of the trajectories of mammals (provided by the localization of mammalian achieved through treatment of their vocalizations) would be relevant information for the detection of sea currents and thus to optimize conditions for movement of ships. Furthermore, sources of opportunity would, via the concept of oceanic passive tomography, parameter estimation of underwater environment can increase the performance of sonar systems and / or communications. To achieve the objectives advanced signal processing must be implemented. - Due to the unknown nature of the waveform of the vocalization and the unknown position of the source (ie underwater mammal), processing will be designed in context entirely passive. This is a strong constraint because no assumptions are allowed. The consideration of multi-sensor architectures seems feasible but minimizing the number of sensor (possible by effective treatments) is highly desirable; - Due to the diversity of types of signals, processing will be able to manage, via time-frequency models, a large range of vocalizations. The methodology will achieve the stage of detection, characterization and parameter extraction while taking into account the transient nature of vocalizations. The implementation of these general models and methods for detection, characterization and associated extraction will be validated on the basis of real data; - The signal processing will take into account disturbances such interference (same band as the useful signal), noise (sea state, sound sensor, fluctuations) and error propagation effects (multipath, dispersion, absorption ,..). An important task is the movement as mammals are mobile sources. In this context, methodology should be able to take these effects into account. One possible direction would be taken into account during the design phase, models physical phenomena associated with the above.