Contribution to the mathematical analysis and to the numerical solution of an inverse elasto-acoustic scattering problem
Contribution à l'analyse mathématique et à la résolution numérique d'un problème inverse de scattering élasto-acoustique
Résumé
The determination of the shape of an elastic obstacle immersed in water from some measurements of the scattered field is an important problem in many technologies such as sonar, geophysical exploration, and medical imaging. This inverse obstacle problem (IOP) is very difficult to solve, especially from a numerical viewpoint, because of its nonlinear and ill-posed character. Moreover, its investigation requires the understanding of the theory for the associated direct scattering problem (DP), and the mastery of the corresponding numerical solution methods. The work accomplished here pertains to the mathematical and numerical analysis of the elasto-acoustic DP and of the IOP. More specifically, we have developed an efficient numerical simulation code for wave propagation associated to this type of media, based on a DG-type method using higher-order finite elements and curved edges at the interface to better represent the fluid-structure interaction, and we apply it to the reconstruction of objects with the implementation of a regularized Newton method.
La détermination de la forme d'un obstacle élastique immergé dans un milieu fluide à partir de mesures du champ d'onde diffracté est un problème d'un vif intérêt dans de nombreux domaines tels que le sonar, l'exploration géophysique et l'imagerie médicale. A cause de son caractère non-linéaire et mal posé, ce problème inverse de l'obstacle (IOP) est très difficile à résoudre, particulièrement d'un point de vue numérique. De plus, son étude requiert la compréhension de la théorie du problème de diffraction direct (DP) associé, et la maîtrise des méthodes de résolution correspondantes. Le travail accompli ici se rapporte à l'analyse mathématique et numérique du DP élasto-acoustique et de l'IOP. En particulier, nous avons développé un code de simulation numérique performant pour la propagation des ondes associée à ce type de milieux, basé sur une méthode de type DG qui emploie des éléments finis d'ordre supérieur et des éléments courbes à l'interface afin de mieux représenter l'interaction fluide-structure, et nous l'appliquons à la reconstruction d'objets par la mise en oeuvre d'une méthode de Newton régularisée.
Mots clés
fluid-solid interaction
scattering problem
Jones frequency
Gärding's inequality
Fredholm alternative
weighted Sobolev space
Discontinuous Galerkin method
finite element method
hp-refinement
pollution effect
curved boundary edges
LU factorization
Fréchet differentiability
domain derivative
Lipschitz boundary
implicit function theorem
Newton method
Tikhonov regularization
star domain
quadratic B-splines
interaction fluide-solide
problème de diffraction
Fréquence de Jones
inégalité de Gärding
alternative de Fredholm
espace de Sobolev à poids
méthode de Galerkin discontinue
méthode élément fini
raffinement hp
effet de pollution
arêtes de frontière courbes
factorisation LU
différentiabilité au sens de Fréchet
dérivée de domaine
frontière Lipschitzienne
théorème des fonctions implicites
méthode de Newton
régularisation de Tikhonov
domaine étoilé
B-splines quadratiques