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1. Matched-Field Performance Prediction with Model Mismatch

Author

Francois-Xavier Socheleau, Julien Bonnel, Yann Le Gall, Thales Underwater Systems (Thalès) ( TUS ), Lab-STICC_TB_CACS_COM, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance ( Lab-STICC ), École Nationale d'Ingénieurs de Brest ( ENIB ) -Université de Bretagne Sud ( UBS ) -Université de Brest ( UBO ) -Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques ( IBNM ), Université de Brest ( UBO ) -Université européenne de Bretagne ( UEB ) -ENSTA Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris]-Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -École Nationale d'Ingénieurs de Brest ( ENIB ) -Université de Bretagne Sud ( UBS ) -Université de Brest ( UBO ) -Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques ( IBNM ), Université de Brest ( UBO ) -Université européenne de Bretagne ( UEB ) -ENSTA Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris]-Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Département Signal et Communications ( SC ), Université européenne de Bretagne ( UEB ) -Télécom Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris], Lab-STICC_ENSTAB_CID_TOMS, Pôle STIC_AP, ENSTA Bretagne, Thales Underwater Systems (Thalès) (TUS), Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Département Signal et Communications (SC), Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-Télécom Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), and École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)

Subjects
Field (physics), 010505 oceanography, Applied Mathematics, Replica, 020206 networking & telecommunications, [ SPI.SIGNAL ] Engineering Sciences [physics]/Signal and Image processing, 02 engineering and technology, Interval (mathematics), 01 natural sciences, Signal, Data modeling, symbols.namesake, Signal Processing, Statistics, 0202 electrical engineering, electronic engineering, information engineering, Performance prediction, Taylor series, symbols, Applied mathematics, Pairwise comparison, Electrical and Electronic Engineering, [SPI.SIGNAL]Engineering Sciences [physics]/Signal and Image processing, 0105 earth and related environmental sciences, Mathematics
Abstract

International audience; Matched-field estimation is known to be sensitive to mismatch between the assumed replica of the acoustic field and the actual field. An interval error-based method (MIE) is proposed to predict the mean-squared error (MSE) performance for multisnapshot and multifrequency maximumlikelihood matched-field estimation under model mismatch. The source signal is assumed deterministic unknown. Global errors are predicted by deriving exact expressions of pairwise error probabilities with model mismatch in conjunction with the use of the Union bound. Local errors are approximated using a Taylor expansion of the MSE. Numerical examples show the accuracy of the method.

Published
2016
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2. Do commercial fisheries display optimal foraging? The case of longline fishers in competition with odontocetes

Author

Gaëtan Richard, Nicolas Gasco, Christophe Guinet, Julien Bonnel, Paul Tixier, Centre d'Études Biologiques de Chizé - UMR 7372 (CEBC), Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Université de La Rochelle (ULR)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Lab-STICC_ENSTAB_CID_TOMS, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Muséum d’Histoire Naturelle de Paris ( UMS 403), Pôle STIC_AP, École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne), Centre for Integrative Ecology, Deakin University [Burwood], Biologie des Organismes et Ecosystèmes Aquatiques (BOREA), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université des Antilles (UA)-Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Sorbonne Université (SU)-Université de Caen Normandie (UNICAEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU), and Université de La Rochelle (ULR)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)

Subjects
0106 biological sciences, media_common.quotation_subject, Changing fishing practices, Aquatic Science, Biology, 010603 evolutionary biology, 01 natural sciences, Competition (biology), Depredation levels, Optimal foraging theory, Crozet, 14. Life underwater, Ecology, Evolution, Behavior and Systematics, Consequences, media_common, Ecology, 010604 marine biology & hydrobiology, Populations, Killer whales, Fishery, Anthropology, Marine mammals, [SDE]Environmental Sciences, %22">Fish , Sperm whales, Whales Orcinus orca
Abstract

International audience; Depredation in longline fisheries by odontocete whales is a worldwide growing issue, having substantial socio-economic consequences for fishers as well as conservation implications for both fish resources and the depredating odontocete populations. An example of this is the demersal longline fishery operating around the Crozet Archipelago and Kerguelen Island, southern Indian Ocean, where killer whales (Orcinus orca) and sperm whales (Physeter macrocephalus) depredate hooked Patagonian toothfish (Dissostichus eleginoides). It is of great interest to better understand relationships of this modern fishery with its environment. Thus, we examined the factors influencing the decision making process of fishers facing such competition while operating on a patch. Using optimal foraging theory as the underlying hypothesis, we determined that the probability captains left an area decreases with increasing fishing success whereas, in presence of competition from odontocete whales, it increases. Our study provides strong support that fishers behave as optimal foragers in this specific fishery. Considering that captains are optimal foragers and thus aim at maximising the exploitation of the resources, we highlight possible risks for the long-term sustainability of the local ecosystems

Published
2018
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3. Model Reduction from Partial Observations

Author

Herzet , Cédric, Drémeau , Angélique, Héas , Patrick, Fluid Flow Analysis, Description and Control from Image Sequences ( FLUMINANCE ), Institut de Recherche Mathématique de Rennes ( IRMAR ), Université de Rennes 1 ( UR1 ), Université de Rennes ( UNIV-RENNES ) -Université de Rennes ( UNIV-RENNES ) -AGROCAMPUS OUEST-École normale supérieure - Rennes ( ENS Rennes ) -Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique ( Inria ) -Institut National des Sciences Appliquées ( INSA ) -Université de Rennes 2 ( UR2 ), Université de Rennes ( UNIV-RENNES ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université de Rennes 1 ( UR1 ), Université de Rennes ( UNIV-RENNES ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture ( IRSTEA ) -Inria Rennes – Bretagne Atlantique, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique ( Inria ), Pôle STIC_AP, ENSTA Bretagne, Université de Rennes ( UNIV-RENNES ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Applications of interacting particle systems to statistics ( ASPI ), Université de Rennes ( UNIV-RENNES ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Inria Rennes – Bretagne Atlantique, ANR-13-JS03-0002,GERONIMO,Conception de techniques avancées pour la construction de modèles réduits géophysiques à partir de données images ( 2013 ), Institut de Recherche Mathématique de Rennes (IRMAR), AGROCAMPUS OUEST, Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Université de Rennes 1 (UR1), Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes 2 (UR2), Université de Rennes (UNIV-RENNES)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA), Inria Rennes – Bretagne Atlantique, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Lab-STICC_ENSTAB_CID_TOMS, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), SIMulation pARTiculaire de Modèles Stochastiques (SIMSMART), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-AGROCAMPUS OUEST, Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Inria Rennes – Bretagne Atlantique, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Agence Nationale de la Recherche, ANR-13-JS03-0002,GERONIMO,Conception de techniques avancées pour la construction de modèles réduits géophysiques à partir de données images(2013), Université de Rennes (UR)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Université de Rennes 2 (UR2)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-INSTITUT AGRO Agrocampus Ouest, Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique (IMT Atlantique), Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Université de Rennes (UR)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Inria Rennes – Bretagne Atlantique, and ANR-11-LABX-0020,LEBESGUE,Centre de Mathématiques Henri Lebesgue : fondements, interactions, applications et Formation(2011)

Subjects
[ INFO.INFO-NA ] Computer Science [cs]/Numerical Analysis [cs.NA], FOS: Mathematics, Numerical Analysis (math.NA), Mathematics - Numerical Analysis, [INFO.INFO-NA]Computer Science [cs]/Numerical Analysis [cs.NA]
Abstract

This paper deals with model-order reduction of parametric partial differential equations (PPDE). More specifically, we consider the problem of finding a good approximation subspace of the solution manifold of the PPDE when only partial information on the latter is available. We assume that two sources of information are available: i) a "rough" prior knowledge, taking the form of a manifold containing the target solution manifold, ii) partial linear measurements of the solutions of the PPDE (the term partial refers to the fact that observation operator cannot be inverted). We provide and study several tools to derive good approximation subspaces from these two sources of information. We first identify the best worst-case performance achievable in this setup and propose simple procedures to approximate the corresponding optimal approximation subspace. We then provide, in a simplified setup, a theoretical analysis relating the achievable reduction performance to the choice of the observation operator and the prior knowledge available on the solution manifold.

Published
2018
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4. Using the trapped energy ratio for source depth discrimination with a horizontal line array: Theory and experimental results

Author

Barbara Nicolas, Julien Bonnel, Ewen Conan, Thierry Chonavel, Lab-STICC_ENSTAB_CID_TOMS, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL), Pôle STIC_AP, École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne), GIPSA - Signal Images Physique (GIPSA-SIGMAPHY), Département Images et Signal (GIPSA-DIS), Grenoble Images Parole Signal Automatique (GIPSA-lab ), Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut Polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut Polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Grenoble Images Parole Signal Automatique (GIPSA-lab ), Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut Polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut Polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019]), Imagerie Ultrasonore, Centre de Recherche en Acquisition et Traitement de l'Image pour la Santé (CREATIS), Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Hospices Civils de Lyon (HCL)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Hospices Civils de Lyon (HCL)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), Lab-STICC_IMTA_CID_TOMS, Département Signal et Communications (IMT Atlantique - SC), IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), and Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL)

Subjects
Signal processing, Acoustics and Ultrasonics, Computer science, Aperture, Acoustics, Monte Carlo method, 02 engineering and technology, 01 natural sciences, Horizontal line test, Signal, Optics, Acoustic transducers, Arts and Humanities (miscellaneous), 0103 physical sciences, 0202 electrical engineering, electronic engineering, information engineering, 14. Life underwater, 010301 acoustics, [SPI.ACOU]Engineering Sciences [physics]/Acoustics [physics.class-ph], Ecology, business.industry, Estimator, 020206 networking & telecommunications, Monte Carlo methods, Acoustic wave, Waves and shallow water, Acoustic waves, business, Energy (signal processing)
Abstract

International audience; The problem of acoustic source depth discrimination was introduced as a way to get basic information on source depth in configurations where accurate depth estimation is not feasible. It is a binary classification problem, aiming to evaluate whether the source is near the surface or submerged. Herein, the classification relies on a signal measured with a horizontal line array in shallow water. Knowing the source-array distance is not required but the source bearing has to be close to the array endfire. Signal processing relies on a normal-mode propagation model, and thus requires prior knowledge of the mode characteristics. The decision relies on an estimation of the trapped energy ratio in mode space. The performance is predicted with simulations and Monte Carlo methods, allowing one to compare several estimators based on different mode filters, and to choose an appropriate decision threshold. The impact on performance of frequency, noise level, horizontal aperture, and environmental mismatch is numerically studied. Finally, the approach is validated on experimental data acquired with a horizontal line array deployed off the coast of New Jersey, and the impact of errors in the environmental model is illustrated. The investigated approach successfully identifies a surface ship and a submerged towed source.

Published
2017
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5. Sub-antenna processing for coherence loss in underwater direction-of-arrival estimation

Author

Gaultier Real, Rémi Emmetiere, Angélique Drémeau, Sabrina Bourmani, Riwal Lefort, Département Signal et Communications (SC), Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-Télécom Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Lab-STICC_ENSTAB_CID_TOMS, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Pôle STIC_AP, École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne), DGA Tech.Navales, Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), and Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)

Subjects
Physics, [SPI.ACOU]Engineering Sciences [physics]/Acoustics [physics.class-ph], Mutual coherence, Acoustics and Ultrasonics, Acoustics, Direction of arrival, 020206 networking & telecommunications, 02 engineering and technology, A-weighting, Acoustic signal processing Acoustic waveguides Antennas Lenses Acoustical properties, 01 natural sciences, Multiplicative noise, Weighting, Arts and Humanities (miscellaneous), 0103 physical sciences, 0202 electrical engineering, electronic engineering, information engineering, Coherence (signal processing), 14. Life underwater, Underwater, 010301 acoustics, Multipath propagation
Abstract

International audience; This paper deals with the loss of coherence in underwater direction-of-arrival estimation. The coherence loss, which typically arises from dynamical ocean fluctuations and unknown environmental parameters, may take the form of a multiplicative colored random noise applied to the measured acoustic signal. This specific multiplicative noise needs to be addressed with methodological developments. This paper proposes a weighting process that locally mitigates the effects of the coherence loss. More specially, a set of coherent sub-antennas is designed from the so-called Mutual Coherence Function (MCF). The assessed source position results from the combination of each sub-antenna by using a mixed norm. Two experiments are considered in the paper: either a random noise is sampled to simulate the effect of random ocean fluctuations, or a synthetic acoustic waveguide is used in which the coherence loss is due to some multipath interferences. It is shown that the weighting process allows for a decrease in the estimation error in comparison to a Conventional Beamformer (CB).

Published
2017
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6. Sub-Antenna Sparse Processing for Coherence Lossin Underwater Source Localization

Author

Angélique Drémeau, Riwal Lefort, Lab-STICC_ENSTAB_CID_TOMS, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Pôle STIC_AP, École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), and Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)

Subjects
[SPI.ACOU]Engineering Sciences [physics]/Acoustics [physics.class-ph], Computer science, Acoustics, Source localization, 0202 electrical engineering, electronic engineering, information engineering, Plane wave, 020206 networking & telecommunications, Inversion (meteorology), 02 engineering and technology, Underwater, Underwater acoustics, Coherence (physics)
Abstract

International audience; In underwater acoustics, inversion tech-niques, also called "Matched Field" processing, remainthe best methods for locating acoustic sources. But thisis without counting on the environmental parameterfluctuations that lead to injurious coherence loss.We have shown in a previous work that a sub-antennaapproach could be well suited to deal with such coher-ence loss, however at the expense of a lower resolution.In this paper, we propose to solve this drawback byconsidering sparse priors.In the experimental part of this paper, by usingnumerical simulations of plane waves subject to coher-ence loss, we demonstrate that the proposed methodnot only outperforms a classical beamformer in termsof source localization performance, but also, that itimproves the antenna resolution.

Published
2017
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7. Using nonlinear time warping to estimate North Pacific right whale calling depths in the Bering Sea

Author

Jessica L. Crance, Julien Bonnel, Catherine L. Berchok, Christopher M. Verlinden, Margaux Thieury, Dana L. Wright, Aileen Fagan, Aaron Thode, Scripps Institution of Oceanography (SIO), University of California [San Diego] (UC San Diego), University of California-University of California, Lab-STICC_ENSTAB_CID_TOMS, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL), Pôle STIC_AP, École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne), United States Coast Guard Academy, National Marine Mammal Laboratory (MML), Alaska Fisheries Science Center (AFSC), NOAA National Marine Fisheries Service (NMFS), National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)-National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)-NOAA National Marine Fisheries Service (NMFS), and National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)-National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)

Subjects
Dynamic time warping, Sound Spectrography, Acoustics and Ultrasonics, Wilcoxon signed-rank test, Bioacoustics, 01 natural sciences, 03 medical and health sciences, 0302 clinical medicine, Arts and Humanities (miscellaneous), Species Specificity, Seas, Resampling, 0103 physical sciences, Oceans, Acoustic analysis, Range (statistics), Animals, 14. Life underwater, 030223 otorhinolaryngology, 010301 acoustics, Ecosystem, [SPI.ACOU]Engineering Sciences [physics]/Acoustics [physics.class-ph], biology, Hydrophone, Endangered Species, Whales, Signal Processing, Computer-Assisted, Acoustics, Geodesy, biology.organism_classification, Agroacoustics, Oceanography, Nonlinear Dynamics, Speed of sound, Vocalization, Animal, Right whale, Null hypothesis, Geology, Environmental Monitoring
Abstract

International audience; Calling depth distributions are estimated for two types of calls produced by critically endangered eastern North Pacific right whales (NPRWs) in the Bering Sea, using passive acoustic data collected with bottom-mounted hydrophone recorders. Nonlinear time resampling of 12 NPRW "upcalls" and 20 "gunshots" recorded in a critical NPRW habitat isolated individual normal mode arrivals from each call. The relative modal arrival times permitted range estimates between 1 and 40 km, while the relative modal amplitudes permitted call depth estimates, provided that environmental inversions were obtained from high signal-to-noise ratio calls. Gunshot sounds were generally only produced at a few meters depth, while upcall depths clustered between 10 and 25 m, consistent with previously published bioacoustic tagging results from North Atlantic right whales. A Wilcoxon rank sum test rejected the null hypothesis that the mean calling depths of the two call types were the same (p = 2.9 × 10-5); the null hypothesis was still rejected if the sample set was restricted to one call per acoustic encounter (p = 0.02). Propagation modeling demonstrates that deeper depths enhance acoustic propagation and that source depth estimates impact both NPRW upcall source level and detection range estimates.

Published
2017
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8. Waveguide mode amplitude estimation using warping and phase compensation

Author

Salvatore Caporale, Aaron Thode, Julien Bonnel, Pôle STIC_AP, École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne), Lab-STICC_ENSTAB_CID_TOMS, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Heriot-Watt University [Edinburgh] (HWU), Scripps Institution of Oceanography (SIO), University of California [San Diego] (UC San Diego), University of California-University of California, Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), and Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)

Subjects
[SPI.ACOU]Engineering Sciences [physics]/Acoustics [physics.class-ph], Acoustics and Ultrasonics, Computer science, Modal analysis, Acoustics, Phase (waves), Time series analysis, Speed of sounds, 01 natural sciences, Signal, Time–frequency analysis, 03 medical and health sciences, 0302 clinical medicine, Amplitude, Arts and Humanities (miscellaneous), 13. Climate action, 0103 physical sciences, Waveguide (acoustics), 14. Life underwater, Image warping, low-frequency propagation, 030223 otorhinolaryngology, 010301 acoustics, Geoacoustic Inversion
Abstract

International audience; In shallow water, low-frequency propagation can be described by modal theory. Acoustical oceanographic measurements under this situation have traditionally relied on spatially filtering signals with arrays of synchronized hydrophones. Recent work has demonstrated how a method called warping allows isolation of individual mode arrivals on a single hydrophone, a discovery that subsequently opened the door for practical single-receiver source localization and geoacoustic inversion applications. Warping is a non-linear resampling of the signal based on a simplistic waveguide model. Because warping is robust to environmental mismatch, it provides accurate estimates of the mode phase even when the environment is poorly known. However, the approach has issues with mode amplitude estimation, particularly for the first arriving mode. As warping is not invariant to time shifting, it relies on accurate estimates of the signal's time origin, which in turn heavily impacts the first mode's amplitude estimate. Here, a revised warping operator is proposed that incorporates as much prior environmental information as possible, and is actually equivalent to compensating the relative phase of each mode. Warping and phase compensation are applied to both simulated and experimental data. The proposed methods notably improve the amplitude estimates of the first arriving mode.

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2017
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9. Phase Retrieval with a Multivariate Von Mises Prior: From a Bayesian Formulation to a Lifting Solution

Author

Antoine Deleforge, Angélique Drémeau, Lab-STICC_ENSTAB_CID_TOMS, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Pôle STIC_AP, École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne), Parcimonie et Nouveaux Algorithmes pour le Signal et la Modélisation Audio (PANAMA), Inria Rennes – Bretagne Atlantique, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-SIGNAUX ET IMAGES NUMÉRIQUES, ROBOTIQUE (IRISA-D5), Institut de Recherche en Informatique et Systèmes Aléatoires (IRISA), Université de Rennes (UR)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Bretagne Sud (UBS)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT Atlantique (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Université de Rennes (UR)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut de Recherche en Informatique et Systèmes Aléatoires (IRISA), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Bretagne Sud (UBS)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT Atlantique (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), SIGNAUX ET IMAGES NUMÉRIQUES, ROBOTIQUE (IRISA-D5), Université de Rennes 1 (UR1), Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Bretagne Sud (UBS)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Université de Rennes 1 (UR1), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Inria Rennes – Bretagne Atlantique, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL), Université de Bretagne Sud (UBS)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Rennes 1 (UR1), Université de Rennes (UNIV-RENNES)-CentraleSupélec-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), and Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Rennes 1 (UR1)

Subjects
FOS: Computer and information sciences, Multivariate statistics, Computer Science - Information Theory, 0211 other engineering and technologies, Phase (waves), Markov process, multivariate Von Mises distribution, 02 engineering and technology, symbols.namesake, 0202 electrical engineering, electronic engineering, information engineering, Maximum a posteriori estimation, von Mises distribution, von Mises yield criterion, Applied mathematics, Mathematics, Phase retrieval, Mahalanobis distance, 021103 operations research, Information Theory (cs.IT), 020206 networking & telecommunications, Statistics::Computation, ComputingMethodologies_PATTERNRECOGNITION, symbols, lifting, [STAT.ME]Statistics [stat]/Methodology [stat.ME]
Abstract

In this paper, we investigate a new method for phase recovery when prior information on the missing phases is available. In particular, we propose to take into account this information in a generic fashion by means of a multivariate Von Mises dis- tribution. Building on a Bayesian formulation (a Maximum A Posteriori estimation), we show that the problem can be expressed using a Mahalanobis distance and be solved by a lifting optimization procedure., Preprint of the paper published in the proc. of ICASSP'17

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2017
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10. Acoustic measurements of post-dive cardiac responses in southern elephant seals (Mirounga leonina) during surfacing at sea

Author

Christophe Guinet, Julien Bonnel, Louise Day, Joffrey Jouma’a, Lab-STICC_ENSTAB_CID_TOMS, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Centre d'Études Biologiques de Chizé - UMR 7372 (CEBC), Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Université de La Rochelle (ULR)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Pôle STIC_AP, École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne), Université de La Rochelle (ULR)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL), and Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Université de La Rochelle (ULR)

Subjects
030110 physiology, 0301 basic medicine, Bradycardia, Tachycardia, Dive recovery, Physiology, Foraging, Heart rate, Passive acoustic monitoring, Aquatic Science, Biology, 03 medical and health sciences, Marine mammal, medicine, 14. Life underwater, Underwater, Molecular Biology, Short duration, Ecology, Evolution, Behavior and Systematics, [SPI.ACOU]Engineering Sciences [physics]/Acoustics [physics.class-ph], Dive recovery, Diving behaviour, Passive acoustic monitoring, Mirounga leonina, Heart rate, Diving behaviour, Oceanography, Insect Science, [SDE]Environmental Sciences, Breathing, Animal Science and Zoology, medicine.symptom, human activities, Mirounga leonina
Abstract

International audience; Measuring physiological data in free-ranging marine mammals remains challenging, owing to their far-ranging foraging habitat. Yet, it is important to understand how these divers recover from effort expended underwater, as marine mammals can perform deep and recurrent dives. Among them, southern elephant seals (Mirounga leonina) are one of the most extreme divers, diving continuously at great depth and for long duration while travelling over large distances within the Southern Ocean. To determine how they manage post-dive recovery, we deployed hydrophones on four post-breeding female southern elephant seals. Cardiac data were extracted from sound recordings when the animal was at the surface breathing. Mean heart rate at the surface was 102.4±4.9 beats.min(-1) and seals spent on average 121±20 s breathing. During these surface intervals, the instantaneous heart rate is increasing with time. Elephant seals are supposed to drastically slow their heart rate (bradycardia) while they are deep underwater, and increase it (tachycardia) during the ascent towards the surface. Our finding suggests that tachycardia continues while the animal stays breathing at the surface. Also, the measured mean heart rate at the surface was unrelated to the duration and swimming effort of the dive prior to the surface interval. Recovery (at the surface) after physical effort (underwater) appears to be related to the overall number of heart beats performed at the surface, and therefore total surface duration. Southern elephant seals recover from dives by adjusting the time spent at the surface rather than their heart rate

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2017
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11. Direct regressions for underwater acoustic source localization in fluctuating oceans

Author

Riwal Lefort, Gaultier Real, Angélique Drémeau, Lab-STICC_ENSTAB_CID_TOMS, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Pôle STIC_AP, École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne), DGA Techniques Navales, Direction générale de l'Armement (DGA), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), and Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)

Subjects
Beamforming, Engineering, Acoustics and Ultrasonics, Monte Carlo method, 02 engineering and technology, Machine learning, computer.software_genre, 01 natural sciences, Underwater source localization, 0103 physical sciences, 0202 electrical engineering, electronic engineering, information engineering, Underwater, 010301 acoustics, [SPI.ACOU]Engineering Sciences [physics]/Acoustics [physics.class-ph], business.industry, Local regression, 020206 networking & telecommunications, Inversion (meteorology), Regression analysis, Acoustic source localization, Regression, Kernel regression, Artificial intelligence, business, computer, Algorithm, Fluctuating ocean
Abstract

International audience; In this paper, we show the potential of machine learning regarding the task of underwater source localization through a fluctuating ocean. Underwater source localization is classically addressed under the angle of inversion techniques. However, because an inversion scheme is necessarily based on the knowledge of the environmental parameters, it may be not well adapted to a random and fluctuating underwater channel. Conversely, machine learning only requires using a training database, the environmental characteristics underlying the regression models. This makes machine learning adapted to fluctuating channels. In this paper, we propose to use non linear regressions for source localization in fluctuating oceans. The kernel regression as well as the local linear regression are compared to typical inversion techniques, namely Matched Field Beamforming and the algorithm MUSIC. Our experiments use both real tank-based and simulated data, introduced in the works of Real et al. Based on Monte Carlo iterations, we show that the machine learning approaches may outperform the inversion techniques.

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2017
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12. Measuring the marine soundscape of the indian ocean with southern elephant seals used as acoustic gliders of opportunity

Author

Dorian Cazau, Christophe Guinet, Julien Bonnel, Yves Le Bras, Joffrey Jouma’a, Lab-STICC_ENSTAB_CID_TOMS, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL), Pôle STIC_AP, École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne), Centre d'Études Biologiques de Chizé - UMR 7372 (CEBC), Université de La Rochelle (ULR)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), and Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Université de La Rochelle (ULR)

Subjects
0106 biological sciences, Atmospheric Science, Soundscape, Multivariate statistics, 010504 meteorology & atmospheric sciences, Meteorology, 010604 marine biology & hydrobiology, Ambient noise level, Ocean Engineering, 01 natural sciences, Acoustic response, Indian ocean, 13. Climate action, [SDE]Environmental Sciences, Environmental science, 14. Life underwater, Underwater, Sound pressure, ComputingMilieux_MISCELLANEOUS, 0105 earth and related environmental sciences, Remote sensing
Abstract

The underwater ambient sound field contains quantifiable information about the physical and biological marine environment. The development of operational systems for monitoring in an autonomous way the underwater acoustic signal is necessary for many applications, such as meteorology and biodiversity protection. This paper develops a proof-of-concept study on performing marine soundscape analysis from acoustic passive recordings of free-ranging biologged southern elephant seals (SES). A multivariate multiple linear regression (MMLR) framework is used to predict the measured ambient noise, modeled as a multivariate acoustic response, from SES (depth, speed, and acceleration) and environmental (wind) variables. Results show that the acoustic contributions of SES variables affect mainly low-frequency sound pressure levels (SPLs), while frequency bands above 3 kHz are less corrupted by SES displacement and allow a good measure of the Indian Ocean soundscape. Also, preliminary results toward the development of a mobile embedded weather sensor are presented. In particular, wind speed estimation can be performed from the passive acoustic recordings with an accuracy of 2 m s−1, using a rather simple multiple linear model.

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2017
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13. Bi-class classification of humpback whale sound units against complex background noise with deep convolution neural network

Author

Dorian, Cazau, Lefort, Riwal, Bonnel, Julien, Zarader, Jean-Luc, Adam, Olivier, Lab-STICC_ENSTAB_CID_TOMS, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Pôle STIC_AP, École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne), Institut des Systèmes Intelligents et Robotique (ISIR), Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique (IMT Atlantique), and Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique (IMT Atlantique)

Subjects
FOS: Computer and information sciences, Computer Science - Learning, Sound (cs.SD), [SPI]Engineering Sciences [physics], [SCCO]Cognitive science, Statistics - Machine Learning, Machine Learning (stat.ML), Computer Science - Sound, ComputingMilieux_MISCELLANEOUS, Machine Learning (cs.LG)
Abstract

Automatically detecting sound units of humpback whales in complex time-varying background noises is a current challenge for scientists. In this paper, we explore the applicability of Convolution Neural Network (CNN) method for this task. In the evaluation stage, we present 6 bi-class classification experimentations of whale sound detection against different background noise types (e.g., rain, wind). In comparison to classical FFT-based representation like spectrograms, we showed that the use of image-based pretrained CNN features brought higher performance to classify whale sounds and background noise., Comment: arXiv admin note: text overlap with arXiv:1702.02741 by other authors

Published
2017

14. Seasonal and Diel Vocalization Patterns ofAntarctic Blue Whale (Balaenopteramusculus intermedia) in the Southern IndianOcean: A Multi-Year and Multi-Site Study

Author

Julien Bonnel, Emmanuelle C. Leroy, Flore Samaran, Jean-Yves Royer, Université de Brest (UBO), Lab-STICC_ENSTAB_CID_TOMS, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Pôle STIC_AP, and École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)

Subjects
0106 biological sciences, Sound Spectrography, Population Dynamics, Marine and Aquatic Sciences, lcsh:Medicine, Oceanography, 01 natural sciences, Geographical Locations, Oceans, lcsh:Science, 010301 acoustics, Indian Ocean, Balaenoptera musculus, Mammals, Vocalizations, Multidisciplinary, Latitude, biology, Geography, Animal Behavior, Ecology, Physics, Circadian Rhythm, Background Noise (Acoustics), Longitude, Vertebrates, Physical Sciences, Seasons, Research Article, Cartography, Daytime, Antarctic Regions, Marine Biology, Passive acoustic monitoring, Subtropics, Species Specificity, Bodies of water, biology.animal, 0103 physical sciences, medicine, Animals, 14. Life underwater, Marine Mammals, Diel vertical migration, [SPI.ACOU]Engineering Sciences [physics]/Acoustics [physics.class-ph], Behavior, Balaenoptera, Whale, 010604 marine biology & hydrobiology, lcsh:R, Organisms, Whales, Reproducibility of Results, Biology and Life Sciences, Acoustics, Seasonality, biology.organism_classification, medicine.disease, Blue Whales, Amniotes, People and Places, Earth Sciences, Antarctica, Animal Migration, lcsh:Q, Vocalization, Animal, Zoology, Bioacoustics
Abstract

International audience; Passive acoustic monitoring is an efficient way to provide insights on the ecology of largewhales. This approach allows for long-term and species-specific monitoring over largeareas. In this study, we examined six years (2010 to 2015) of continuous acoustic recordingsat up to seven different locations in the Central and Southern Indian Basin to assessthe peak periods of presence, seasonality and migration movements of Antarctic bluewhales (Balaenoptera musculus intermedia). An automated method is used to detect theAntarctic blue whale stereotyped call, known as Z-call. Detection results are analyzed interms of distribution, seasonal presence and diel pattern of emission at each site. Z-callsare detected year-round at each site, except for one located in the equatorial Indian Ocean,and display highly seasonal distribution. This seasonality is stable across years for everysite, but varies between sites. Z-calls are mainly detected during autumn and spring at thesubantarctic locations, suggesting that these sites are on the Antarctic blue whale migrationroutes, and mostly during winter at the subtropical sites. In addition to these seasonaltrends, there is a significant diel pattern in Z-call emission, with more Z-calls in daytimethan in nighttime. This diel pattern may be related to the blue whale feeding ecology.

Published
2016
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15. Source depth discrimination with a vertical line array

Author

Barbara Nicolas, Julien Bonnel, Ewen Conan, Thierry Chonavel, Pôle STIC_AP, École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne), Lab-STICC_ENSTAB_CID_TOMS, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Lab-STICC_TB_CID_TOMS, Département Signal et Communications (SC), Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-Télécom Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), GIPSA - Signal Images Physique (GIPSA-SIGMAPHY), Département Images et Signal (GIPSA-DIS), Grenoble Images Parole Signal Automatique (GIPSA-lab ), Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut Polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut Polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Grenoble Images Parole Signal Automatique (GIPSA-lab ), Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut Polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut Polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019]), Imagerie Ultrasonore, Centre de Recherche en Acquisition et Traitement de l'Image pour la Santé (CREATIS), Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Hospices Civils de Lyon (HCL)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Hospices Civils de Lyon (HCL)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), and Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)

Subjects
Acoustics and Ultrasonics, Computer science, Monte Carlo method, Array processing, 02 engineering and technology, modal propagation, 01 natural sciences, Vertical bar, Source depth discrimination, Arts and Humanities (miscellaneous), Robustness (computer science), Normal mode, Depth discrimination, 0103 physical sciences, Normal modes, 0202 electrical engineering, electronic engineering, information engineering, 010301 acoustics, [SPI.ACOU]Engineering Sciences [physics]/Acoustics [physics.class-ph], mode filtering, binary classification, 020206 networking & telecommunications, Filter (signal processing), [PHYS.MECA.ACOU]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Acoustics [physics.class-ph], array processing, Binary classification, Algorithm, Classifier (UML), [SPI.SIGNAL]Engineering Sciences [physics]/Signal and Image processing
Abstract

International audience; Source Source depth estimation with a vertical line array generally involves mode filtering, then matched-mode processing. Because mode filtering is an ill-posed problem if the water column is not well-sampled, concerns for robustness motivate a simpler approach: source depth discrimination considered as a binary classification problem. It aims to evaluate whether the source is near the surface or submerged. These two hypotheses are formulated in terms of normal modes, using the concept of trapped and free modes. Decision metrics based on classic mode filters are proposed. Monte Carlo methods are used to predict performance and set the parameters of a classifier accordingly.

Published
2016
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16. Discrimination en immersion de sources ultra-basse fréquence à l'aide d'une antenne horizontale

Author

Conan, Ewen, Bonnel, Julien, Chonavel, Thierry, Nicolas, Barbara, Pôle STIC_AP, École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne), Lab-STICC_ENSTAB_CID_TOMS, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Lab-STICC_TB_CID_TOMS, Département Signal et Communications (SC), Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-Télécom Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Imagerie Ultrasonore, Centre de Recherche en Acquisition et Traitement de l'Image pour la Santé (CREATIS), Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Hospices Civils de Lyon (HCL)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Hospices Civils de Lyon (HCL)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), and Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)

Subjects
[SPI.ACOU]Engineering Sciences [physics]/Acoustics [physics.class-ph], Source depth discrimination, array processing, binary classification, mode filtering, modal propagation, [SPI.SIGNAL]Engineering Sciences [physics]/Signal and Image processing
Abstract

International audience; Source Source depth estimation with a vertical line array generally involves mode filtering, then matched-mode processing. Because mode filtering is an ill-posed problem if the water column is not well-sampled, concerns for robustness motivate a simpler approach: source depth discrimination considered as a binary classification problem. It aims to evaluate whether the source is near the surface or submerged. These two hypotheses are formulated in terms of normal modes, using the concept of trapped and free modes. Decision metrics based on classic mode filters are proposed. Monte Carlo methods are used to predict performance and set the parameters of a classifier accordingly.

Published
2016

17. Bayesian source localization with uncertain Green’s functionin an uncertain shallow water oceana

Author

Yann Le Gall, Julien Bonnel, Stan E. Dosso, Francois-Xavier Socheleau, Thales Underwater Systems (TUS), Thales Underwater Systems, Lab-STICC_ENSTAB_CID_TOMS, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Pôle STIC_AP, École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne), University of Victoria [Canada] (UVIC), Lab-STICC_TB_CACS_COM, Département Signal et Communications (SC), Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-Télécom Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Thales Underwater Systems ( TUS ), Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance ( Lab-STICC ), École Nationale d'Ingénieurs de Brest ( ENIB ) -Université de Bretagne Sud ( UBS ) -Université de Brest ( UBO ) -Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques ( IBNM ), Université de Brest ( UBO ) -Université européenne de Bretagne ( UEB ) -ENSTA Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris]-Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -École Nationale d'Ingénieurs de Brest ( ENIB ) -Université de Bretagne Sud ( UBS ) -Université de Brest ( UBO ) -Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques ( IBNM ), Université de Brest ( UBO ) -Université européenne de Bretagne ( UEB ) -ENSTA Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris]-Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), ENSTA Bretagne, University of Victoria [Canada] ( UVIC ), Département Signal et Communications ( SC ), and Université européenne de Bretagne ( UEB ) -Télécom Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris]

Subjects
Mathematical optimization, Acoustic source localization, Acoustics and Ultrasonics, Computer science, Multivariate random variable, Acoustics, Bayesian probability, Monte Carlo method, Probability density function, 01 natural sciences, Green's function methods, 03 medical and health sciences, 0302 clinical medicine, Arts and Humanities (miscellaneous), Probability theory, Robustness (computer science), 0103 physical sciences, Range (statistics), 030223 otorhinolaryngology, 010301 acoustics, [SPI.ACOU]Engineering Sciences [physics]/Acoustics [physics.class-ph], Matched field processing, [ SPI.ACOU ] Engineering Sciences [physics]/Acoustics [physics.class-ph], Covariance matrix, Acoustic waveguides, Marginal distribution
Abstract

International audience; Matched-field acoustic source localization is a challenging task when environmental properties of theoceanic waveguide are not precisely known. Errors in the assumed environment (mismatch) can causesevere degradations in localization performance. This paper develops a Bayesian approach to improverobustness to environmental mismatch by considering the waveguide Green’s function to be anuncertain random vector whose probability density accounts for environmental uncertainty. Theposterior probability density is integrated over the Green’s function probability density to obtain ajoint marginal probability distribution for source range and depth, accounting for environmentaluncertainty and quantifying localization uncertainty. Because brute-force integration in high dimensionscan be costly, an efficient method is developed in which the multi-dimensional Green’s functionintegration is approximated by one-dimensional integration over a suitably defined correlationmeasure. An approach to approximate the Green’s function covariance matrix, which represents theenvironmental mismatch, is developed based on modal analysis. Examples are presented to illustratethe method and Monte-Carlo simulations are carried out to evaluate its performance relative to othermethods. The proposed method gives efficient, reliable source localization and uncertainties withimproved robustness toward environmental mismatch

Published
2016
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18. A study of vocal nonlinearities in humpback whale songs: from production mechanisms to acoustic analysis

Author

Joy S. Reidenberg, Dorian Cazau, Thierry Aubin, Olivier Adam, Jeffrey T. Laitman, Lab-STICC_ENSTAB_CID_TOMS, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Pôle STIC_AP, École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne), Institut des Neurosciences Paris-Saclay (NeuroPSI), Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Icahn School of Medicine at Mount Sinai [New York] (MSSM)

Subjects
0106 biological sciences, Sound Spectrography, Speech recognition, Context (language use), Vocal Cords, Body size, Sound production, Models, Biological, 010603 evolutionary biology, 01 natural sciences, Article, Humpback whale, biology.animal, 0103 physical sciences, [SDV.BA.ZV]Life Sciences [q-bio]/Animal biology/Vertebrate Zoology, Madagascar, medicine, Animals, 14. Life underwater, 010301 acoustics, Humpback Whale, Multidisciplinary, biology, Whale, Acoustics, biology.organism_classification, Biomechanical Phenomena, medicine.anatomical_structure, Dynamics (music), Vocal folds, [SDV.NEU]Life Sciences [q-bio]/Neurons and Cognition [q-bio.NC], Vocalization, Animal, Algorithms
Abstract

Although mammalian vocalizations are predominantly harmonically structured, they can exhibit an acoustic complexity with nonlinear vocal sounds, including deterministic chaos and frequency jumps. Such sounds are normative events in mammalian vocalizations, and can be directly traceable to the nonlinear nature of vocal-fold dynamics underlying typical mammalian sound production. In this study, we give qualitative descriptions and quantitative analyses of nonlinearities in the song repertoire of humpback whales from the Ste Marie channel (Madagascar) to provide more insight into the potential communication functions and underlying production mechanisms of these features. A low-dimensional biomechanical modeling of the whale’s U-fold (vocal folds homolog) is used to relate specific vocal mechanisms to nonlinear vocal features. Recordings of living humpback whales were searched for occurrences of vocal nonlinearities (instabilities). Temporal distributions of nonlinearities were assessed within sound units, and between different songs. The anatomical production sources of vocal nonlinearities and the communication context of their occurrences in recordings are discussed. Our results show that vocal nonlinearities may be a communication strategy that conveys information about the whale’s body size and physical fitness, and thus may be an important component of humpback whale songs.

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2016
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19. Soundscape analysis in the Southern Ocean using elephant seals as acoustic glider of opportunity

Author

Dorian Cazau, Julien Bonnel, Yves Le Bras, Christophe Guinet, Lab-STICC_ENSTAB_CID_TOMS, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Pôle STIC_AP, École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne), Centre d'Études Biologiques de Chizé - UMR 7372 (CEBC), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Université de La Rochelle (ULR), Université de La Rochelle (ULR)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE), and Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Université de La Rochelle (ULR)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)

Subjects
Acoustics and Ultrasonics, biology, Meteorology, Underwater glider, Ambient noise level, Glider, biology.organism_classification, 01 natural sciences, Southern elephant seal, 03 medical and health sciences, Noise, 0302 clinical medicine, Arts and Humanities (miscellaneous), 13. Climate action, 0103 physical sciences, [SDE]Environmental Sciences, Environmental science, Satellite, 14. Life underwater, Underwater, 030223 otorhinolaryngology, Sound pressure, 010301 acoustics
Abstract

International audience; The underwater ambient sound field contains quantifiable information about the physical and biological marine environment. Since 2011, we have been annually collecting underwater data over the migratory routes of bio-logged Southern Elephant Seal (SES). As done with classical underwater gliders, we extract from these data very high resolution (approximately 30 min/400 m) ocean ambient noise measurements. In this conference, we present an overall picture of the low-to-medium frequency (10–6000 Hz) ambient noise distribution and its variability in time and space at a regional scale within the Indian Ocean. We detail our methodology to extract robustly the measurements usually performed on ocean ambient noise, such as sound pressure level over different frequency bands and their statistical percentiles. Also, we present our first attempts of exploiting acoustic recordings from bio-logged SES to infer surface wind speed. Wind maps from the ASCAT satellite (IFREMER, France) were used to study correlation relations between surface wind speed and acoustic content (e.g., the ratio of sound pressure levels at 1 and 6 kHz). In complement, we test SVM and Neural Network methods to estimate the presence of different classes of winds (e.g., below and above 10 m/s) from underwater ocean noise.

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2016
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20. Source depth discrimination: An evaluation and comparison of several classifiers

Author

Barbara Nicolas, Ewen Conan, Julien Bonnel, Thierry Chonavel, Pôle STIC_AP, École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne), Lab-STICC_ENSTAB_CID_TOMS, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Lab-STICC_TB_CID_TOMS, Département Signal et Communications (SC), Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-Télécom Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Imagerie Ultrasonore, Centre de Recherche en Acquisition et Traitement de l'Image pour la Santé (CREATIS), Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Hospices Civils de Lyon (HCL)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Hospices Civils de Lyon (HCL)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), and Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)

Subjects
Mathematical optimization, Acoustics and Ultrasonics, matched mode processing, Array processing, modal propagation, 01 natural sciences, Linear array, 03 medical and health sciences, Source depth discrimination, 0302 clinical medicine, Arts and Humanities (miscellaneous), Robustness (computer science), Normal mode, 0103 physical sciences, 030223 otorhinolaryngology, 010301 acoustics, Mathematics, [SPI.ACOU]Engineering Sciences [physics]/Acoustics [physics.class-ph], Receiver operating characteristic, binary classification, mode filtering, Modal, array processing, Binary classification, Algorithm, [SPI.SIGNAL]Engineering Sciences [physics]/Signal and Image processing, Subspace topology
Abstract

International audience; Source depth estimation with a vertical linear array generally involves mode filtering, followed by matched-mode processing. However, this method has two main limitations: the problem of mode filtering is ill-posed in the case of partially spanning arrays; matched-mode processing is sensitive to environmental mismatch. Therefore, concerns for robustness motivate a simpler approach. The problem of depth estimation is reduced to a binary classification problem: source depth discrimination. Its aim is to evaluate whether the source is near the surface or submerged. These two hypotheses are formulated in terms of normal modes, using the concept of trapped and free modes. Several classification rules, based on modal filtering or on subspace projections, are studied. Monte-Carlo methods are used to evaluate their performance and compute receiver operating characteristics. This allows the choice of a discrimination threshold according to some expected performance. The benefits of considering a source depth discrimination problem rather than a source localization one are highlighted. The influence of noise and environmental mismatch are investigated, as well as the choice of the discrimination depth and the choice of the limit between trapped and free modes.

Published
2015
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21. Discrimination en immersion : évaluation et comparaison de différents classifieurs

Author

Conan, Ewen, Bonnel, Julien, Chonavel, Thierry, Nicolas, Barbara, Lab-STICC_TB_CID_TOMS, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Département Signal et Communications (SC), Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-Télécom Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Pôle STIC_AP, École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne), Lab-STICC_ENSTAB_CID_TOMS, Imagerie Ultrasonore, Centre de Recherche en Acquisition et Traitement de l'Image pour la Santé (CREATIS), Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Hospices Civils de Lyon (HCL)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Hospices Civils de Lyon (HCL)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), and Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)

Subjects
[SPI.ACOU]Engineering Sciences [physics]/Acoustics [physics.class-ph], Matched mode processing, Array processing, Mode filtering, Binary classification, [SPI.SIGNAL]Engineering Sciences [physics]/Signal and Image processing, Modal propagation
Abstract

International audience; Source depth estimation with a vertical linear array generally involves mode filtering, followed by matched-mode processing. However, this method has two main limitations: the problem of mode filtering is ill-posed in the case of partially spanning arrays; matched-mode processing is sensitive to environmental mismatch. Therefore, concerns for robustness motivate a simpler approach. The problem of depth estimation is reduced to a binary classification problem: source depth discrimination. Its aim is to evaluate whether the source is near the surface or submerged. These two hypotheses are formulated in terms of normal modes, using the concept of trapped and free modes. Several classification rules, based on modal filtering or on subspace projections, are studied. Monte-Carlo methods are used to evaluate their performance and compute receiver operating characteristics. This allows the choice of a discrimination threshold according to some expected performance. The benefits of considering a source depth discrimination problem rather than a source localization one are highlighted. The influence of noise and environmental mismatch are investigated, as well as the choice of the discrimination depth and the choice of the limit between trapped and free modes.

Published
2015

22. Bayesian source localization with uncertain Green’s function

Author

Gall, Yann Le, Dosso, Stan E., Socheleau, François-Xavier, Bonnel, Julien, Département Signal et Communications ( SC ), Université européenne de Bretagne ( UEB ) -Télécom Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris], Lab-STICC_TB_CID_TOMS, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance ( Lab-STICC ), École Nationale d'Ingénieurs de Brest ( ENIB ) -Université de Bretagne Sud ( UBS ) -Université de Brest ( UBO ) -Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques ( IBNM ), Université de Brest ( UBO ) -Université européenne de Bretagne ( UEB ) -ENSTA Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris]-Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -École Nationale d'Ingénieurs de Brest ( ENIB ) -Université de Bretagne Sud ( UBS ) -Université de Brest ( UBO ) -Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques ( IBNM ), Université de Brest ( UBO ) -Université européenne de Bretagne ( UEB ) -ENSTA Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris]-Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), University of Victoria [Canada] ( UVIC ), Lab-STICC_TB_CACS_COM, Lab-STICC_ENSTAB_CID_TOMS, Pôle STIC_AP, ENSTA Bretagne, ISME, Département Signal et Communications (SC), Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-Télécom Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), University of Victoria [Canada] (UVIC), École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne), and Billon-Coat, Annick

Subjects
[SPI.ACOU]Engineering Sciences [physics]/Acoustics [physics.class-ph], [SPI.ACOU] Engineering Sciences [physics]/Acoustics [physics.class-ph], [ SPI.ACOU ] Engineering Sciences [physics]/Acoustics [physics.class-ph], Acoustic Signal Processing, MFP, Localization Method
Abstract

International audience; The localization of an acoustic source in the oceanicwaveguide is a difficult task because the oceanic environmentis often poorly known. Uncertainty in the environment resultsin uncertainty in the source position and poor localizationresults. Hence, localization methods dealing with environmentaluncertainty are required. In this paper, a Bayesian approach tosource localization is introduced in order to improve robustnessand obtain quantitative measures of localization uncertainty.The Green’s function of the waveguide is considered as anuncertain random variable whose probability density accountsfor environmental uncertainty. The uncertain distribution overrange and depth is then obtained through the integration of theposterior probability density (PPD) over the Green’s functionprobability density. An efficient integration technique makes thewhole localization process computationally efficient. Some resultsare presented for a simple uncertain Green’s function model toshow the ability of the proposed method to give reliable PPDs.

Published
2015

23. Source depth discrimination using the array invariant

Author

Rémi Emmetiere, Thierry Chonavel, Marie Gehant Pernot, Julien Bonnel, Département Signal et Communications (SC), Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-Télécom Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Pôle STIC_AP, École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne), Lab-STICC_ENSTAB_CID_TOMS, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL), Thales communications (Thalès), Lab-STICC_IMTA_CID_TOMS, École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), and Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)

Subjects
Acoustics and Ultrasonics, Array processing, Low frequency, 01 natural sciences, Horizontal line test, Source depth discrimination, 03 medical and health sciences, 0302 clinical medicine, Optics, Arts and Humanities (miscellaneous), 0103 physical sciences, Invariant (mathematics), Binary classification, 030223 otorhinolaryngology, 010301 acoustics, Mathematics, [SPI.ACOU]Engineering Sciences [physics]/Acoustics [physics.class-ph], business.industry, Mathematical analysis, Ranging, Invariant theory, Modal propagation, Matched mode processing, Modal, business, [SPI.SIGNAL]Engineering Sciences [physics]/Signal and Image processing
Abstract

International audience; In this study, low frequency (0-500 Hz) source depth discrimination in deep water is investigated using a horizontal line array (HLA). In this con- text, propagation is dispersive and can be described by modal theory. Array invariant theory is known to allow source ranging via the modal beam-time migration pattern. This pattern is defined by the evolution of a conventional beamformer output over time. Recently, it has been shown that the array invariant and the waveguide invariant are intrinsically related. In other words, the beam-time migration pattern can be derived using waveguide invariant theory. Utilizing this dependence, we pursue the link between the two invariants to perform source depth discrimination using a HLA. Since the waveguide invariant distribution is strongly related to source depth, the beam-time migration pattern also depends on source depth and would allow for source depth discrimination to be achieved. The proposed method is suc- cessfully applied on simulated data. As the classical array invariant method, it is restricted to short signals, away from the array broadside, but it could be used with minimal environmental knowledge in a multisource context.

Published
2017
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24. Matched-Field Processing Performance Under the Stochastic and Deterministic Signal Models

Author

Yann Le Gall, Francois-Xavier Socheleau, Julien Bonnel, Lab-STICC_ENSTAB_CID_TOMS, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance ( Lab-STICC ), École Nationale d'Ingénieurs de Brest ( ENIB ) -Université de Bretagne Sud ( UBS ) -Université de Brest ( UBO ) -Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques ( IBNM ), Université de Brest ( UBO ) -Université européenne de Bretagne ( UEB ) -ENSTA Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris]-Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -École Nationale d'Ingénieurs de Brest ( ENIB ) -Université de Bretagne Sud ( UBS ) -Université de Brest ( UBO ) -Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques ( IBNM ), Université de Brest ( UBO ) -Université européenne de Bretagne ( UEB ) -ENSTA Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris]-Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Pôle STIC_AP, ENSTA Bretagne, Département Signal et Communications ( SC ), Université européenne de Bretagne ( UEB ) -Télécom Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris], Lab-STICC_TB_CACS_COM, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne), Département Signal et Communications (SC), and Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-Télécom Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)

Subjects
Stochastic modelling, Computer science, Gaussian, Computation, Maximum likelihood, Bayesian probability, Cramèr–Rao bound, 02 engineering and technology, 01 natural sciences, symbols.namesake, Statistics, 0202 electrical engineering, electronic engineering, information engineering, matched-field processing, Electrical and Electronic Engineering, performance analysis, maximum likelihood, Pairwise error probability, 0105 earth and related environmental sciences, [SPI.ACOU]Engineering Sciences [physics]/Acoustics [physics.class-ph], Ziv–Zakai bound, 010505 oceanography, Stochastic process, [ SPI.ACOU ] Engineering Sciences [physics]/Acoustics [physics.class-ph], method of interval errors, 020206 networking & telecommunications, underwater acoustics, Quadratic form, Signal Processing, symbols, Algorithm, Cramér–Rao bound, Deterministic system
Abstract

International audience; Matched-field processing (MFP) is commonly used in underwater acoustics to estimate source position and/or oceanic environmental parameters. Performance prediction of the multisnapshot and multifrequency MFP problem is of critical importance. To this end, two signal models are usually considered: the stochastic model, which assumes that the source signal is a stochastic process, and the deterministic model, which assumes that the source signal is a deterministic quantity. The Ziv-Zakai bound (ZZB) and the method of interval errors (MIE), which both rely on the computation of a so-called pairwise error probability, proved to be useful tools for MFP performance prediction. However, only the stochastic model has been considered so far. This paper provides a method that allows to compute the pairwise error probability, hence to use the ZZB and MIE, under both the stochastic and deterministic signal models. The proposed approach, based on recent results on quadratic forms in Gaussian variables, unifies the two models under the same formalism. The results are illustrated through the computation of the ZZB and MIE performance analysis. The Bayesian and the hybrid Cramèr-Rao bounds are also given for comparison.

Published
2014
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25. Testing the Energy of Random Signals in a Known Subspace: An Optimal Invariant Approach

Author

Francois-Xavier Socheleau, Dominique Pastor, Socheleau, François-Xavier, Lab-STICC_ENSTAB_CID_TOMS, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Pôle STIC_AP, École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne), Département Signal et Communications (SC), Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-Télécom Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Lab-STICC_TB_CID_TOMS, Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-Télécom Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-Télécom Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), and Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)

Subjects
Mathematical optimization, Applied Mathematics, Detector, subspace detection, Invariant (physics), Random distortion testing, Gaussian random field, symbols.namesake, Additive white Gaussian noise, Gaussian noise, Signal Processing, symbols, Applied mathematics, Probability distribution, Electrical and Electronic Engineering, [SPI.SIGNAL]Engineering Sciences [physics]/Signal and Image processing, Subspace topology, UMPI tests, Mathematics, [SPI.SIGNAL] Engineering Sciences [physics]/Signal and Image processing
Abstract

International audience; We consider the problem of testing whether the energy of a random signal projected onto a known subspace exceeds some specified value \tau>=0. The probability distribution of the signal is assumed to be unknown and this signal is observed in additive and independent white Gaussian noise with known variance. The proposed theoretical framework relies on the invariance of the problem and the resulting test is shown to be uniformly most powerful invariant in an extended sense suitable for random signals. This work extends Scharf and Friedlander's matched subspace detector.

Published
2014

26. TIME-FREQUENCY ANALYSIS OF BROADBAND SOUND PULSE PROPAGATION IN 3-D OCEANIC WAVEGUIDES

Author

Sturm, Frederic, Bonnel, Julien, Laboratoire de Mecanique des Fluides et d'Acoustique (LMFA), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Lab-STICC_ENSTAB_CID_TOMS, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Pôle STIC_AP, École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne), and Billon-Coat, Annick

Subjects
[SPI.ACOU]Engineering Sciences [physics]/Acoustics [physics.class-ph], [SPI.ACOU] Engineering Sciences [physics]/Acoustics [physics.class-ph], [PHYS.MECA.ACOU] Physics [physics]/Mechanics [physics]/Acoustics [physics.class-ph], time-frequency, oceanic waveguide, [PHYS.MECA.ACOU]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Acoustics [physics.class-ph]
Abstract

International audience; When considering low-frequency sources, the oceanic environment can act as a very dispersive waveguide, especially in shallow-water long-range sound wave propagation. One efficient tool for studying dispersion effects is based on time-frequency (TF) analysis of the received signals using a single receiver [1,2] . However, theses studies only considered two-dimensional (2-D) waveguides. In the present paper, TF analysis is used to study the propagation of low-frequency broadband pulses in three-dimensional (3-D) shallow-water waveguides. In particular, the paper focuses on the 3-D ASA wedge benchmark for which the received signals present characteristic modal structures including multiple mode arrivals. Indeed, it is well known that, due to the presence of a tilted bottom, a single propagating mode can have two distinct arrivals on a single receiver located in the across-slope direction. One objective of the present study is to show that TF analysis can be a suitable tool to better understand and easily illustrate this phenomenon. The paper is organized as follows. The 3-D ASA wedge benchmark is first recalled in Sec. 2. The simulated time signals are computed using a fully 3-D parabolic equation based code. The TF analysis is detailed in Sec. 3. The 2-D signals are first analyzed. Then comes the TF analysis for the 3-D signals. In particular, the spectrograms reveal that the second arrival of a given mode looks like the first one but is reversed in time. This observation is explained using mode-ray analogies. The paper ends with some concluding remarks.

Published
2012

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