Le travail de thèse présenté dans ce mémoire a permis le développement d'une nouvelle méthode de caractérisation des fonds marins : la méthode des sources images. Elle repose sur une modélisation physique de la réflexion des ondes émises par une source omnidirectionnelle sur un milieu stratifié sous l'approximation de Born. Ainsi, chaque réflexion de l'onde sur une interface du milieu stratifié peut être représentée par une source image dont la position spatiale est directement liée à la vitesse des ondes acoustiques dans les strates et aux épaisseurs de celles-ci. La détection des sources images par la migration des signaux enregistrés sur une antenne et l'utilisation d'une fonction de semblance permet alors d'obtenir le profil de célérité d'une structure sédimentaire. La méthode ne nécessite donc l'enregistrement des échos réfléchis sur le fond marin par une antenne d'hydrophones que pour un seul tir de la source. Les principaux avantages de la méthode sont son automatisation, son faible coût de calcul (donc sa rapidité), sa bonne robustesse par rapport au bruit et l'aspect local de l'inversion. Les résultats obtenus avec des données réelles sont très satisfaisants tant avec l'utilisation d'une antenne verticale qu'avec une antenne horizontale. En particulier, l'utilisation de l'antenne horizontale permet d'effectuer des inversions locales répétées le long d'une radiale et ainsi d'obtenir une inversion d'un système stratifié dont la structure varie avec la distance.