Généralités sur la télémétrie acoustique et le système utilisé durant la thèse

1.1. Principe de la télémétrie acoustique

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Le principe de fonctionnement d'un système de télémétrie acoustique est le même que celui qui détermine la position via un GPS (Global Position Satellites). Un émetteur acoustique (appelé aussi marque, qui peut être implantée dans ou sur un poisson) émet un signal qui doit être reçu au minimum par 3 récepteurs acoustiques (hydrophones) pour un positionnement en 2 dimensions, ou par 4 hydrophones pour un positionnement en 3 dimensions (Figure 1).

Rive droite

Rive gauche H1(X1, Y1)

H3 (X3, Y3)

H2 (X2, Y2)

Figure 1 : Fonctionnement d'un système de télémétrie acoustique dans le cas d'un positionnement en 2D. Les hydrophones, en rouge, sont renseignés par un H et sont localisés (X,Y).

Connaissant la position des hydrophones et mesurant le temps précis d'arrivée du signal acoustique à chaque hydrophone, il est possible d'estimer la localisation de l’émetteur acoustique (Ehrenberg et Steig 2003). Si nous posons hix, hiy et hiz pour spécifier les coordonnées x, y et z du i^ème hydrophone, et Fx, Fy et Fz pour spécifier les coordonnées inconnues x, y et z de l’émetteur, le temps de propagation ti du signal de la marque au i^ème hydrophone est donné par la relation :

ti5¹

où c est la vitesse du son dans l'eau. Le temps ti ne peut pas être directement mesuré, puisque le moment de l'émission du signal par l’émetteur est inconnu. Mais il est possible de mesurer les différences entre les temps d'arrivée du signal acoustique aux différents hydrophones (ti-tj) et l'équation précédente devient :

*ti$‥ tj+5¹

c7〕*hix$‥ Fx+²-*hiy$‥ Fy+²-*hiz$‥ Fz+²$‥ 〕*hjx$‥ Fx+²-*hjy$‥ Fy+²-*hjz$‥ Fz+²8

Dans une résolution en trois dimensions, il existe trois équations de différence entre les temps d'arrivée. Le système d'équations non linéaires est déterminé par la résolution des coordonnées du poisson (Fx, Fy et Fz), tel que l'écart quadratique moyen entre les différences de temps mesurées et calculées soit réduit au minimum. De nombreux algorithmes de résolution de ces équations existent et sont souvent des algorithmes propriétaires, comme cela est le cas pour le système de télémétrie utilisé dans ma thèse.

La qualité de la localisation réalisée par l’algorithme de triangulation est donc dépendante (1) de la connaissance du temps précis de réception du signal acoustique, (2) de la connaissance de la position précise des hydrophones et (3) de la connaissance de la vitesse du son dans l’eau. Ces différentes variables intrinsèques aux systèmes de télémétrie sont considérées comme déterminantes pour la qualité du positionnement des émetteurs acoustiques par ces systèmes (Juell et Westerberg 1993; Kell et al. 1994; Smith et al. 1998).

1.2. Composition et caractéristiques techniques du système HTI

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Le système HTI utilisé durant ma thèse est un système actif d’enregistrement d’ultrasons (fréquence : 307 kHz) produits par des émetteurs acoustiques immergés (puissance des émetteurs: 155 dB par rapport à 1 Pa @ 1 m). Plusieurs types d’émetteurs sont proposés par la société HTI et diffèrent au niveau de leur taille (de 16.4 à 73 mm), leur poids (de 0.7 à 24 g dans l’air) et leur durée de vie (de 15 jours à 3 ans). Durant l’expérimentation de télémétrie réalisée durant la thèse, tous les types de marques proposés ont été utilisés en fonction des différentes tailles de poissons capturés. Le délai entre deux émissions était d’environ 3 secondes, et ce dernier était utilisé pour identifier les marques entre elles. Le système HTI se compose aussi d’hydrophones (largeur du faisceau : 330°) qui (1) captent les ultrasons de 307

manière à le coder numériquement, afin d’être utilisé dans un processus de positionnement réalisé par la partie logiciel du système. Le traitement du signal (Figure 2, étape 4) consiste en (1) une amplification du signal acoustique qui est ensuite (2) filtré parmi les bruits ambiants produits naturellement dans le milieu, afin d’être (3) sélectionné pour la suite du traitement. Le signal filtré est alors analysé (mesure de forme du signal et utilisation d’un seuil d’authentification) pour s’assurer qu’il correspond effectivement à un signal d’émetteur acoustique. Lorsque ce signal est considéré comme authentique, le temps précis de réception du signal est alors mesuré au 12 millième de seconde. Le temps, l’identité de l’hydrophone qui a reçu le signal acoustique et les caractéristiques de forme de ce signal sont alors enregistrés physiquement dans un ordinateur (Figure 22, étape 5) à l’aide d’un fichier propriétaire (extension .RAT pour Recorded Acoustic Tag, Figure 2, étape 6).

Récepteur et filtre 1) Amplifie les ultrasons entendus par les hydrophones 2) Filtre les ultrasons 3) Sélectionne les signaux acoustiques à traiter 4) Code le signal

Traitement du signal codé 1) Détecte l’enveloppe du signal 2) Identification du signal en fonction de sa forme (utilisation d’un seuil d’identification) 3) Mesure des caractéristiques de formes 4) Mesure du temps précis de réception: mesure à 12 KHz Enregistrement de la donnée

Génération d’un fichier .RAT

Caractéristiques de forme Seuil

Temps du signal Traitement automatique du signal acoustique

Réception Enregistrement

Étapes de traitement du signal entre sa réception et son enregistrement réalisé par l’ATR

1 2 3 ⁴ 5 6 4 Hydrophones + câbles Émetteur acoustique Récepteur ou ATR "

Figure 2 : Composition et fonctionnement du système HTI. Le détail du fonctionnement est donné dans le texte.

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Ce fichier propriétaire est utilisé successivement par deux logiciels qui ont pour fonction (1) de trier les signaux acoustiques sélectionnés et identifier les émetteurs acoustiques ayant émis les signaux et (2) d’utiliser les données triées et identifiées pour localiser l’émetteur via l’algorithme de triangulation. En effet, l’étape de filtrage des signaux acoustiques par l’ATR ne permet pas de distinguer les signaux provenant de bruits ambiants et qui présentent des caractéristiques de forme proches d’un vrai signal émis par les émetteurs. Le premier logiciel (MarkTags) réalise ce filtre via un réglage utilisateur de paramètres de post-traitement (au nombre de 7, décrits dans le fichier Supplémentaire S1 de P1) qui déterminent la rigueur du

filtre. Ce premier traitement génère un nouveau fichier propriétaire (extension .TAT, pour Tracked Acoustic Tag) qui renseigne l’identifiant de l’émetteur du signal, l’identifiant de l’hydrophone ayant reçu le signal et le temps précis de réception. Ce fichier « épuré » est alors utilisé par le second logiciel (AcousticTag) qui localise les émetteurs via l’algorithme de triangulation. La vitesse du son dans l’eau et les positions des hydrophones dans le milieu sont renseignées au sein même de ce logiciel pour être utilisées directement par l’algorithme. Comme pour le premier logiciel, des paramètres de post-traitement (au nombre de 12, décrits dans le fichier Supplémentaire S1 de P1) doivent être réglés par l’utilisateur pour étalonner le fonctionnement de l’algorithme et la qualité de la localisation. Les positions ainsi générées sont ensuite stockées dans une base de données pour exploitation.

2. Mise en place du système de télémétrie dans le Rhône et son