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There are a lot of Ultra Low Frequency (ULF : 0-100Hz) acoustic sources in the ocean, either natural or man-made. ULF waves are good information carriers which can be used both for geoacoustic inversion and source localization. However, ULF propagation is dispersive. While dispersion transforms a broadband signal during propagation and makes it harder to study, it also allows to characterize the propagation medium and the source localization. This manuscript presents signal processing tools for dispersion characterization when a broadband signal is recorded on a single receiver in shallow water. By using warping transformations and timefrequency representation, it is possible to perform geoacoustic inversion using a single receiver and source localization with a sparse array of receivers. The developed methods can not be used for deep water propagation. To overcome it, dispersion is analyzed using waveguide invariant. It allows to localize a broadband source using an horizontal array of receiver. All methods presented in this manuscript have been benchmarked on simulation and experimental marine data. A special effort has been made to develop method usable in operational context, and several experiments in ultrasonic tank have been realized., Le milieu marin recèle de nombreuses sources acoustiques Ultra Basse Fréquence (UBF : 0-100Hz), qu'elles soient naturelles ou d'origine humaine. Les ondes UBF sont d'excellents porteurs d'information, aussi bien pour caractériser l'environnement que pour localiser des sources acoustiques. Cependant, la propagation des ondes UBF en milieu marin est dispersive, et cette dispersion est ambivalente. Elle déforme un signal large bande au cours de sa propagation, rendant son étude plus compliquée. En revanche, son analyse permet de remonter aux informations sur le canal de propagation et sur la localisation de la source. Cette étude propose des outils d'analyse de la dispersion UBF dans le cas défavorable d'une réception monocapteur en milieu petit fond. En caractérisant le signal reçu dans le domaine temps-fréquence grâce à des outils de warping, il est possible d'effectuer l'inversion géoacoustique sur un unique récepteur et la localisation de source sur un réseau parcimonieux d'hydrophones. Les méthodes proposées ne sont pas applicables aux environnements de type grand fond. Pour y remédier, une étude de la dispersion basée sur l'invariant océanique est alors proposée. Elle permet de réaliser la localisation de source en utilisant une antenne horizontale de récepteurs. Toutes les méthodes développées lors de cette étude ont été validées sur des simulations et des données expérimentales marines. Un effort particulier a été fourni pour proposer des méthodes applicables en contexte opérationnel, et plusieurs expériences en cuve ultrasonore ont été réalisées.