Imagerie matricielle et problème inverse : de l’échographie ultrasonore à l’acoustique marine

Contexte :

Le grand programme « Smart Waves » financé par l’université PSL (Paris Sciences et Lettres) a pour objectif de faire converger des approches scientifiques complémentaires, ici autour de l’imagerie acoustique à différentes échelles : « ultrasonore » avec des applications médicales, « acoustique » avec des applications environnementales, et « acoustiques basses fréquences » avec des applications sismologiques. Les thématiques sont respectivement portées par l’Institut Langevin (ESPCI), le Centre de Géosciences de Mines Paris, et le laboratoire de Géologie de l’ENS Ulm.

Descriptif du sujet :

L’imagerie « ultrasonore » concerne l’analyse des ondes acoustiques ou élastiques pour des fréquences allant de 1 à 40 MHz. Les applications principales sont celles de l’imagerie médicale et du contrôle non destructif, typiquement pour des profondeurs d’investigation centimétriques et une résolution millimétrique. D’un autre côté, l’imagerie « acoustique » a pour objectif de cartographie les fonds marins et les premiers kilomètres du sous-sol, pour une résolution attendue décamétrique (fréquences typiques entre 10 et plusieurs centaines de 100 Hz). L’objectif de la thèse est de confronter les avancées récentes dans les deux domaines et voir s’il est possible de les transposer.

Sans être exhaustif, voici quelques aspects qui mériteraient d’être approfondis :

• L’imagerie ultrasonore s’intéresse à des milieux diffusants générant un « speckle » ultrasonore induit par une distribution aléatoire de diffuseurs sous-résolus. Récemment le concept d’imagerie matricielle a été développé pour exploiter ce speckle et corriger en post-traitement les problèmes d’aberrations et de réverbérations qui polluent généralement l’imagerie ultrasonore (Bureau, 2003). L’imagerie acoustique marine fait souvent face à des milieux multi-couches plus déterministes (réflexion spéculaire). Pourtant, des zones faillées et avec de forts contrastes impliquent des phénomènes de diffractions multiples. Un premier objectif est donc de voir si l’approche matricielle peut être appliquée avec succès à ces problèmes en acoustique marine ;
• Par ailleurs, sous l’hypothèse de diffraction simple, de récents progrès ont été réalisés du côté de l’imagerie acoustique avec la dérivation d’un opérateur d’imagerie quantitatif (pseudo-inverse, Chauris and Cocher, 2017 ; Chauris and Farshad, 2023) qui apporte une bien meilleure résolution que les opérateurs standards d’imagerie (adjoint). Il sera intéressant de voir si l’opérateur inverse peut s’appliquer dans le régime du « speckle » ultrasonore ;
• L’imagerie acoustique marine considère à la fois des perturbations de vitesse et de densité du milieu et le couplage possible entre ces deux paramètres, alors que l’imagerie ultrasonore n’est que qualitative et se contente d’imager la réflectivité du milieu. La possibilité d’imager de manière indépendantes les fluctuations de vitesse du son et de densité en imagerie ultrasonore constituerait un véritable « tour de force »;
• Dans les deux domaines, il s’agit aussi de focaliser au mieux les zones à imager en jouant sur le macro-modèle de vitesse de propagation des ondes. Là encore, les techniques sont différentes (approches matricielles par exemple pour l’imagerie ultrasonore, Lambert, 2020; et analyse de vitesse par migration pour l’imagerie acoustique marine) ;

Au-delà d’une comparaison théorique des approches, l’objectif est aussi d’appliquer ces avancées récentes sur des jeux de données typiques de chaque domaine. Pour l’imagerie ultrasonore, il s’agira de données de phantoms ultrasonores mimant les propriétés acoustiques des tissus, puis de données in-vivo du foie, du sein et du cerveau (imagerie transcrânienne). Pour l’imagerie marine acoustique, le cas pourra être celui de la fosse de Nankai au large du Japon, avec des structures complexes liées aux hydrates de gaz dans les premières centaines de mètres du sous-sol.

Références bibliographiques :

Bureau, F., J. Robin, A. Le Ber, W. Lambert, M. Fink, A. Aubry, Three dimensional ultrasound matrix imaging, Nature Communications 14, 6793, 2023, doi : 10.1038/s41467-023-42338-8

Chauris, H. and E. Cocher (2017), From migration to inversion velocity analysis, Geophysics 82(3): S207–S223, doi:10.1190/GEO2016-0359.1

Chauris, H. and M. Farshad (2023), Seismic differential semblance-oriented Migration Velocity Analysis – status and way forward, Geophysics 88(6): U81-U100, doi: 10.1190/geo2021-0661.1

Farshad, M., H. Chauris and M. Noble (2022), The importance of including density in multi-parameter asymptotic linearized direct waveform inversion: a case study from the Eastern Nankai Trough, Geophysical Journal International, 1373–1391, doi:10.1093/gji/ggab405

Kahrizi, A., M. Delescluse, N. Chamot-Rooke, M. Pubellier, A. Bécel, D. Shillington et al. (2023). Extensional forearc structures at the transition from Alaska to Aleutian Subduction Zone: slip partitioning, terranes and large earthquakes. Comptes Rendus. Géoscience, doi : 10.5802/crgeos.225.

Kahrizi, A. (2021), Inversion de forme d'onde de données sismiques multitraces longue-flûte : contribution à l'étude du bassin avant-arc de Sanak en Alaska, Thèse de doctorat, ENS-PSL.

Lambert, W., L. A. Cobus, M. Couade, M. Fink, A. Aubry, Reflection matrix approach for quantitative imaging of scattering media, Phys. Rev. X 10, 021048, 2020, doi: 10.1103/PhysRevX.10.021048

Liang, Y., M. Delescluse, Y. Qiu, M. Pubellier, N. Chamot-Rooke, J. Wang, et al. (2019). Décollements, detachments, and rafts in the extended crust of Dangerous Ground, South China Sea: The role of inherited contacts. Tectonics, 38, 1863–1883. https://doi.org/10.1029/2018TC005418  

Masquelet C., S. Leroy, M. Delescluse, N. Chamot-Rooke, I. Thinon, A. Lemoine et al. (2022). The East-Mayotte new volcano in the Comoros Archipelago: structure and timing of magmatic phases inferred from seismic reflection data. Comptes Rendus. Géoscience,  354 (S2), pp. 65-79. doi : 10.5802/crgeos.154.

Nouzé, H., P. Henry, M. Noble, V. Martin and G. Pascal, 2004. Large gas hydrate accumulations on the Eastern Nankai trough inferred from new high-resolution 2-D seismic data, Geophysical Research Letters, 31(13), doi:10.1029/2004GL019848.

La thèse est une collaboration entre Mines Paris, l'Institut Langevin (ESPCI) et ENS Ulm.

Le/la candidat(e)  devra avoir une formation solide en mathématiques et physique, avec un goût pour les applications médicales ou pour les applications géophysiques. Il est également important d’avoir eu une expérience en programmation informatique. Le/la candidat(e) doit maîtriser l’anglais, tant à l’écrit qu’à l’oral.