Performance of three acoustical methods for localizing whales in the Saguenay - St. Lawrence Marine Park

Abstract : Three algorithms are explored to localize fin whale calls recorded from a large-aperture hydrophone array deployed in the Saguenay—St. Lawrence Marine Park. The methods have to cope with varying sound speed in space and time, errors in time differences of arrival (TDoA) measurements in a noisy environment, and often a limited number of hydrophones having recorded a particular event. The array was composed of 5 AURAL autonomous hydrophones with a total aperture of about 40 km, coupled with 2 hydrophones from a small-aperture cabled coastal array. The autonomous hydrophones clock drifts were estimated with a level of uncertainty from timed sources and the coastal array time reference. The calls were then localized by constant-speed hyperbolic fixing, variable-speed isodiachron Monte-Carlo simulations, and a ray-tracing propagation model. The Monte-Carlo simulations generate clouds of possible localizations from the uncertainty in hydrophone positions, TDoAs and the effective horizontal sound speeds along the different source-hydrophone paths. The ray-tracing model produces a fixed grid of TDoAs which can then be consulted to find the likeliest positions of the whales. Results from the different methods are compared and their relative advantages or limitations are discussed.Trois algorithmes sont explorés pour la localisation de vocalises de rorqual commun enregistrées par un réseau d'hydrophones à large ouverture déployé dans le Parc Marin du Saguenay-Saint-Laurent. Les méthodes doivent composer avec une vitesse du son variable dans l'espace et le temps, des erreurs dans les mesures des différences de temps d'arrivée (DTA) avec un environnement bruyant, et souvent un nombre limité d'hydrophones ayant capté un événement donné. Le réseau était composé de 5 hydrophones autonomes AURAL avec une ouverture totale d'environ 40 km, couplé avec 2 hydrophones d’un petit réseau côtier. La dérive des horloges des hydrophones autonomes a été évaluée avec un niveau d’incertitude à l'aide de sources aux temps connus ainsi que de la référence temporelle du réseau côtier. Les vocalises ont ensuite été localisées par la méthode à vitesse constante des hyperboles, par celle à vitesse variable des isodiachrones avec simulations de Monte-Carlo, et par un modèle de propagation de rayons. Les simulations de Monte-Carlo produisent des nuages de localisations possibles à partir des incertitudes sur les positions des hydrophones, sur les DTAs et sur les vitesses horizontales effectives du son le long des différentes trajectoires source-hydrophone. Le modèle de propagation des rayons produit une grille fixe de DTAs qui est ensuite consultée pour trouver les positions les plus probables des baleines. Les résultats des différentes méthodes sont comparés et leurs avantages ou limites relatives sont discutés