Modélisation des signaux émis par les mammifères marins

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 sous-
marin. 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 temps-
fréquence 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 sous-
marin 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 of new technologies, ENSIETA).
D. Fattaccioli (C. TSN, Toulon)
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.