Thèse Amélioration de la Détection Acoustique en Mileu Sous-Marin par Recours à des Méthodes Bio-Mimétiques H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Institut Polytechnique de Paris Télécom SudParis École doctorale : Ecole Doctorale de l'Institut Polytechnique de Paris Laboratoire de recherche : SAMOVAR - Services répartis, Architectures, Modélisation, Validation, Administration des Réseaux Direction de la thèse : Jérome BOUDY ORCID 000000020306091X Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-09-08T23:59:59 Les sonars biomimétiques sont développés depuis deux à trois décennies sur le principe supposé du fonctionnement d'un sonar de dauphin. En effet, sur la base d'une écholocation avec une série de clicks temporellement variable, le dauphin dispose de moyens de détection présentant une très bonne résolution angulaire dans l'espace en comparaison avec les sonars électroniques traditionnels. Cela lui permet de détecter ses cibles (ex. poissons) avec une résolution angulaire supérieure à celles des SONAR réalisés par l'homme. Les travaux visés par cette thèse viennent dans la suite d'un projet d'élèves-ingénieurs de 2ème année à Telecom SudParis (TSP) et de trois stages d'études réalisés en laboratoire à l'école sur le sujet (année universitaire 2024-25), travaux qui ont trouvé à mi-parcours le soutien précieux du Pôle Mer à Brest (1). Ces travaux préliminaires ont permis de dégager une recherche bibliographique pertinente sur le sujet et de les orienter vers deux réalisations algorithmiques, d'une part vers une approche de post-traitement bio-mimétique basée sur le principe du 'compressive sensing' (Vishnu et al. 2022), d'autre part vers une approche fondée sur la prise en compte de la réverbération acoustique d'une onde sonore propagée dans un crâne de dauphin pour une meilleure qualité de détection (Nooghabi et al. 2021). Il est à préciser que les travaux de Nooghabi s'inscrivent dans la suite des travaux de Michael Reinwald qui a soutenu sa thèse sur le sujet au Laboratoire d'Imagerie Biomédicale de Sorbonne Université en Octobre 2018.
L'objectif de la thèse que nous proposons est d'étudier et de développer un nouvel algorithme de détection impliquant des techniques récentes d'IA (apprentissage machine profond, modèles sémantiques...) avec une vision « embarquée » et sa mise en oeuvre pour améliorer les performances de l'approche biomimétique de Nooghabi actuellement mise en oeuvre, cette dernière étant fondée sur une détection de sources par intercorélation des signaux reçus et traités avec leurs composantes réverbérées au sein d'un crâne de dauphin (Nooghabi, Reiwald), ce dernier jouant en quelque sorte le rôle d'un guide d'ondes. Un deuxième axe de recherche sera mené en parallèle de l'intégration de l'IA et consitera à identifier le lien existant entre, d'une part, le concept de traitements par retournement chaotique temporel introduit par Mathias Fink dans les années 1990 à 2010, et, d'autre part, le fonctionnement des ondes de réverbarations dans le crâne du dauphin telles qu'exposées précédemment. Comme M. Reinwald l'a esquissé dans ses travaux de thèse, cela devrait nous permettre de formaliser et de mieux caractériser le phénomène des ondes réverbérées dans le crâne de dauphin comme guide d'ondes pour atteindre une meilleure détection d'objets en eaux peu profondes, ainsi que le font très bien les dauphins. Le but final de la thèse sera de réaliser un démonstrateur de sonar biomimétique à l'échelle réduite et de l'évaluer en bassin équipé de moyens de mesure et l'ensemble des travaux pourra faire l'objet d'une évaluation en situation réelle.

(1) : Le Pôle Mer de Brest nous a invitatés à la DGA de Brest puis au forum de l'Ecole Navale, ce qui a permis à l'équipe du laboraroire de TSP de mieux apréhender l'éco-système des acteurs de la Mer et des Océans, en particulier de rencontrer des entreprises françaises développant des produits de haute-technologie dans le domaine de la détection sous-marine. Les sonars biomimétiques sont développés sur le principe supposé du fonctionnement d'un sonar de dauphin [Au-1993]. En effet, sur la base d'une écholocation avec une série de clicks temporellement er dynamiquement variable [Au, Benoit-Bird 2004], le dauphin dispose de moyens de détection présentant une très bonne résolution angulaire dans l'espace en comparaison avec les Sonars électroniques traditionnels [Vishnu-2022]. Il est à noter que le dauphin a le système de détection acoustique le plus perfectionné parmi les cétacés et mammifères marins. Cela lui permet en effet de détecter des cibles, comme les poissons, avec une très bonne précision à la fois en azimut et en élévation à la différence de l'homme qui a une moins bonne précision en élévation qu'en azimut [Nooghabi et al.-2021]. On estime le pouvoir séparateur angulaire d'un cétacé comme le dauphin à environ moins d'un degré (0,7 degrés) sachant qu'à dimensions égales la limite atteignable serait de l'ordre de 3,5 degrés pour un dispositif technique traditionnel [Vishnu et al. 2022]. Les objectifs de cette thèse se décline en 3 principaux axes de récherche et développement :
- le premier axe sera d'étudier et développer, en se basant sur l'environnement logiciel existant au laboratoire (simulateurs et algorithmes de détection bio-mimétiques de Nooghabi et Vishnu) un nouvel algorithme de détection impliquant des techniques d'IA (apprentissage machine profonds de type CNN et RNN, modèles sémantiques...) avec une vision « embarquée » et sa mise en oeuvre. Le critère sera l'amélioration des performances de l'approche biomimétique de [Nooghabi et al. 2021] fondée sur une détection par intercorélation des signaux reçus et traités avec leurs composantes réverbérées au sein d'un crâne de dauphin simulé. Ce travail s'appuiera sur un état de l'art du domaine remis à jour.
- le deuxième axe de recherche, mené, en parallèle et de manière combinée au précédent, s'intéressera particulièrement aux traitements par retournement chaotique temporel s'appuyant sur les travaux fondamentaux de M. Fink des années 1990 à 2010. Il consistera tout d'abord en une étude approfondie de ces approches afin de mieux comprendre le lien conceptuel et son exploitation potentielle avec le phénomène des échos réverbérés engendrés dans un crâne simulé de dauphin.
- le troisième et dernier axe consistera à réaliser in fine un démonstrateur de sonar biomimétique mettant en oeuvre l'algorithme de détection optimisé à l'issue des étapes précédentes, ceci à l'échelle réduite. Une évaluation sera faite en bassin équipé de moyens de mesure et en situation réelle.

Références :
[Nooghabi et al.-2020] 'Contribution of bone-reverberated waves to sound localization of dolphins: A numerical model', Acta Acustica, 2021, 5, 3
[Reinwald-2018] Wave propagation in mammalian skulls and its contribution to acoustic source localization, Sorbonne Université, Octobre 2018https://theses.hal.science/tel-02475825/
[Fink - 1992] Time reversal of ultrasonic fields. I. Basic principles. In: IEEE
transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control 39.5, pp. 555-566.
[Fink - 2001] Acoustic Time-Reversal Mirrors. In: Imaging of Complex Media with Acoustic and Seismic Waves 17, pp. 17-43.
Les travaux visés par cette proposition de thèse se proposent d'étudier et de développer un nouvel algorithme de détection pour un sonar de type bio-mimétique, dont les performances pourraient permettre de détecter, voire d'identifier des objets en fonds marins peu profonds et/ou troubles par analogie avec le sonar de cétacés comme les dauphins.
Cet algorithme de détection proposé sera fondé sur une approche exploitant les propriétés du signal réverbéré dans le crâne de dauphin. En effet cette approche, que l'on peut caractériser de type HRTF (Head Related Transfer Function) très utilisée dans le domaine de la spatialisation sonore pour la réalité virtuelle et spécifiquement renommée SRTF dans le cas du dauphin (Skull Related Transfer Function) par [Reinwald-2018], permet de prendre en compte les propriétés de propagation acoustique au sein du crâne de dauphin (comme pour l'homme avec le HRTF) et d'expliquer la capacité du dauphin à traiter les signaux acoustiques reçus avec une très bonne finesse, à la fois en azimut (plan horizontal) et en élévation (plan vertical). En effet Reinwald a mis en évidence le fait que les signaux traités dans leur totalité (signaux directs perçus et réverbérés transmis de manière interne dans le crâne), voire même restreint à la partie réverbérée, permet au dauphin d'affiner sa vision acoustique (écholocation). On retrouve ce phénomène acoustique très intéressant pour l'homme qui exploite aussi de manière implicite les signaux sonores se propageant au sein des os du crâne, et il semble établi que la supériorité du dauphin en matière de détection angulaire proviendrait de la morphologie spécifique de son crâne (dents incluses, les odontocés ayant un système de détection plus performant que les autres cétacés comme les baleines), allant jusqu'à jouer potentiellement le rôle de guide d'ondes. Lors de ses travaux de stage de 6 mois en 2025, au sein de notre laboratoire, L. Mennrath a étudié en détails les travaux de Reinwald et Nooghabi et, sur la base de leurs travaux, il a proposé un premier simulateur, programmé en Matlab, de détecteur de cibles sous K-wave (programme développé en Matlab pour simuler la propagation des ondes acoustiques sous-marines dans des environnements divers) [Mennrath-2025].
Par ailleurs, compte-tenu du fait que le dauphin puisse intégrer par apprentissage des modèles différents d'écholocation - cela pouvant expliquer ses hautes performances de détection - selon [Nooghabi-2021], l'introduction de techniques d'apprentissage machine (ou d'IA) pourrait être intéressante à étudier dans le cadre de cette thèse. L'intérêt serait ici de voir dans quelle mesure les algorithmes d'IA, dont le type et l'architecture devra être défini dans le cadre de cette thèse, couplés au système de détection par corrélation en entrée, pourraient apporter non seulement une information de position sur les objets à détecter mais aussi de les identifier par leur forme. La mise en oeuvre de l'algorithme validé en simulations sera ensuite effectuée sous forme d'un démonstrateur de sonar biomimétique à l'échelle réduite, afin de l'évaluer en bassin équipé de moyens de mesure et l'ensemble des travaux pourra faire l'objet d'une évaluation en situation réelle.