Procedimiento de trayectografía robusto en tiempo real en ordenador portátil, de uno o varios cetáceos mediante acústica pasiva.

Procedimiento de trayectografía por vía pasiva de por lo menos un animal marino que emite señales sonoras enforma de cadenas de clics,

especialmente por lo menos un cetáceo, en el que se procede durante ventanas detiempo de procesamiento sucesivas a la recogida (11) de las señales brutas analógicas procedentes de unapluralidad de H hidrófonos dispuestos en el medio marino, y se convierten después dichos datos analógicos brutosen datos digitales mediante muestreo a cierta frecuencia de muestreo Fe, incluyendo además dicho procedimientolas siguientes etapas desarrolladas en tiempo real:

Procedimiento de trayectografía robusto en tiempo real en ordenador portátil, de uno o varios cetáceos mediante acústica pasiva La presente invención se refiere a un procedimiento de trayectografía robusto de una pluralidad de X cetáceos mediante acústica pasiva, empleando un conjunto de Y sensores.

Por extensión, la presente invención se refiere a un procedimiento de trayectografía por vía pasiva, de una o varias fuentes que se desplazan en un medio cualquiera y emiten una señal no estacionaria.

A modo de ejemplo concreto, se describirá la invención en el marco de su aplicación a la problemática de la detección de mamíferos marinos capaces de emitir señales en forma de clics, pero queda entendido que la invención se aplica a otros tipos de fuentes de señales no estacionarias y a otros medios de propagación.

Estado de la técnica Se conocen ya en el estado de la técnica varios procedimientos de seguimiento de trayectorias de cetáceos. Se distinguen generalmente los procedimientos de detección activos, que consisten en enviar hacia la fuente una señal, especialmente sonora, y en captar el eco de dicha señal cuando encuentra la fuente. Estos procedimientos no están recomendados, ya que la potencia de la señal es nefasta tanto para el cetáceo buscado como para su entorno.

Se distinguen además los procedimientos de detección pasivos, que consisten simplemente en captar señales mediante sensores adecuados (en el caso de los cetáceos se trata de señales sonoras que pueden captarse por

medio de hidrófonos sumergidos) , y en procesar después las señales recibidas con objeto de determinar las características y la posición de la fuente.

Los procedimientos de detección pasivos son mucho más satisfactorios en su principio (ninguna perturbación del medio) .

Un procedimiento de este tipo se divulga por ejemplo en “Real-time 3D tracking of whales by echo-robust precise TDOA estimates with a widely-spaced hydrophone array” de Giraudet P. y Glotin H.

Se han llevado a cabo otros intentos para poner a punto un procedimiento de detección de cetáceos por vía pasiva,

en base a algoritmos de procesamiento de las diferencias de tiempos de llegada a los hidrófonos de los clics captados por hidrófonos, denominándose dichas diferencias “TDOA”, acrónimo de “Time Difference Of Arrival” en terminología anglosajona.

Entre los métodos probados, se encuentran los algoritmos de detección denominados de Morissey et al., el de Nozal y Frazer, o el de White et al., todos ellos ampliamente descritos en la literatura científica.

Inconvenientes del estado de la técnica En resumen, los métodos mencionados incluyen todos por lo menos un inconveniente importante de entre la 45 siguiente relación:

- o bien se trata de métodos que no son pasivos y, por consiguiente, requieren el envío de señales hacia los cetáceos, lo que corresponde a métodos activos que son perjudiciales para los animales;

- o bien no están industrializados y requieren el concurso de métodos visuales cuando los cetáceos suben a la superficie, y funcionan únicamente para el seguimiento aproximado de un único cetáceo aislado y, por lo tanto, en condiciones acústicas idóneas;

- o bien requieren un perfil de celeridad del sonido en el agua del mar en el lugar de la detección, y en general esos

perfiles no están disponibles, o no están actualizados, sabiendo que la celeridad del sonido varía en función del tiempo y de las estaciones, lo que falsea los resultados de los métodos de detección conocidos;

- o bien incluso recurren a algoritmos de procesamiento de la señal muy complejos (por ejemplo tiempo frecuencia) , que requieren una gran potencia de cálculo, siendo el caso de los algoritmos citados anteriormente, lo que tiene como consecuencia que la detección, incluso de una única ballena, no puede hacerse en tiempo real ni casi real.

Objetivos de la invención En consecuencia, un objetivo de la invención es proponer un procedimiento de detección y de trayectografía de 65 cetáceos por vía pasiva, que sea capaz de resolver los problemas planteados por los procedimientos conocidos en el estado de la técnica.

En particular, un objetivo de la invención es proponer un procedimiento y un sistema que permitan trayectografiar y contar cetáceos, incluso en grupos, e identificarlos, lo que implica separar las señales de varios cetáceos que emiten clics simultáneamente en un área de varios kilómetros cúbicos.

Otro objetivo de la invención es obtener el resultado mencionado sin necesidad de un perfil de celeridad del sonido en el agua.

Otro objetivo de la invención es proponer un procedimiento de detección que permita una detección rápida, en tiempo real.

Otro objetivo de la invención es proponer un procedimiento de detección que sea fácil de poner en funcionamiento en la práctica, incluso con material de bajo coste.

Otro objetivo de la invención es proponer un procedimiento y un sistema de detección que sean robustos frente a los ecos, y que proporcionen resultados precisos y fiables, cualesquiera que sean el medio y las fuentes considerados.

Un objetivo adicional de la invención es proponer un procedimiento y un sistema de detección por vía pasiva, que permitan la aplicación al etiquetado de las emisiones acústicas de los animales, lo que debe permitir el estudio detallado de sus características, tales como tamaño, sexo, edad, grupo, dialecto y sus interacciones comportamentales.

A tal efecto, la invención tiene por objeto un procedimiento de trayectografía por vía pasiva como se define en las reivindicaciones, así como un sistema para la puesta en funcionamiento de dicho procedimiento.

Las características y ventajas de la invención se harán evidentes mediante la lectura de la descripción detallada de los dibujos adjuntos, en los cuales:

- la figura 1 ilustra un organigrama general del procedimiento de trayectografía según la invención;

- la figura 2 ilustra el principio de transitividad de las TDOA;

- las figuras 3.1, 3.2 y 3.3 representan respectivamente un clic de una única ballena en la señal bruta, este mismo

clic tras el filtrado con el operador de Teager-Kaiser y, finalmente, el clic tras el filtrado y la decimación; 35

- las figuras 4.1 y 4.2 representan respectivamente la señal bruta correspondiente a varios clics de una única ballena, antes y después del filtrado mediante Teager-Kaiser, pero sin procesamiento de decimación;

- la figura 5 representa la señal de la figura 4.1 tras una etapa de filtrado según el algoritmo de Teager Kaiser y decimación;

- la figura 6.1 representa la señal de la figura 4.1 tras una etapa de filtrado adicional según el algoritmo de Mallat seguido de una operación de raíz cuadrada en la señal;

- la figura 6.2 representa la señal de la figura 4.1 tras un filtrado estocástico (FAS) ;

- la figura 6.3 representa la señal de la figura 6.2 tras la ampliación de un clic y un eco;

- la figura 7 ilustra el principio del cálculo de las TDOA mediante intercorrelación, en base a la señal real de una única ballena;

- la figura 8.1 ilustra el principio de detección de los ecos mediante intercorrelación, aplicado a la señal de la figura 7;

- la figura 8.2 ilustra la señal absoluta de un eco; 55

- la figura 8.3 ilustra la señal de la figura 8.2 una vez realizada la media;

- la figura 8.4 ilustra la señal absoluta de un clic;

- la figura 9 representa una señal bruta recibida de los hidrófonos, que contiene una cadena de clics de varias ballenas, con ruido;

- la figura 10 representa las sucesivas posiciones en (x, y, z) y en vista desde arriba en función del tiempo de cuatro

ballenas detectadas según el procedimiento de la invención para un primer número de TDOA guardadas; 65

- la figura 11 representa las sucesivas posiciones en (x, y, z) y en vista desde arriba en función del tiempo de cuatro

ballenas detectadas, para otro número de TDOA guardadas;

- la figura 12 representa las trayectorias de la figura 10, tras una etapa de alisamiento;

- la figura 13 representa un organigrama de procedimiento que permite explotar las posiciones obtenidas de las ballenas, para su estudio comportamental.

Principio de la invención Con referencia a la figura 1, se ha representado un organigrama funcional del procedimiento según la invención. Con varios hidrófonos dispuestos en el agua en el área donde se quiere detectar la presencia y la posición de cetáceos, se captan en 10 de manera conocida... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de trayectografía por vía pasiva de por lo menos un animal marino que emite señales sonoras en forma de cadenas de clics, especialmente por lo menos un cetáceo, en el que se procede durante ventanas de tiempo de procesamiento sucesivas a la recogida (11) de las señales brutas analógicas procedentes de una pluralidad de H hidrófonos dispuestos en el medio marino, y se convierten después dichos datos analógicos brutos en datos digitales mediante muestreo a cierta frecuencia de muestreo Fe, incluyendo además dicho procedimiento las siguientes etapas desarrolladas en tiempo real:

a. un filtrado (13, 14) de los datos digitales capaz de eliminar los ruidos parásitos y de guardar (15, 16) , de entre los datos digitales, los que corresponden, para cada par de hidrófonos y cada ventana de procesamiento, a valores potenciales de diferencias de tiempo de llegada de las señales sonoras para alcanzar dos hidrófonos distintos, denominándose TDOA estos valores potenciales;

b. para cada par de hidrófonos, se comprueba (17) la coherencia de las TDOA obtenidas y se guarda (18) un número, denominado nbTDOA, de TDOA filtradas y coherentes entre ellas;

c. a partir de los nbTDOA de TDOA filtradas y coherentes entre ellas, se determinan mediante regresión no lineal

(19) las posiciones instantáneas sucesivas de las fuentes de los clics, y se deduce de ello (20) en tiempo real la 20 trayectoria de dicho por lo menos un animal marino en su medio;

procedimiento caracterizado porque incluye además una etapa de eliminación de los ecos, que consiste en:

- determinar la envuelta de la señal filtrada; 25

- integrar esta envuelta en ventanas de tiempo y comparar el resultado con un umbral predeterminado;

- si dicho resultado es inferior a dicho umbral predeterminado, la señal correspondiente es un clic y se conserva, y si

dicho resultado es superior a dicho umbral predeterminado, la señal correspondiente es un eco y se elimina. 30

2. Procedimiento de trayectografía según la reivindicación 1, caracterizado porque incluye una etapa consistente en aplicar el operador denominado de Teager-Kaiser a los datos digitales correspondientes a la señal bruta, de manera que se obtiene a la salida de este procesamiento una señal compuesta por picos con una amplitud amplificada, y un ruido aditivo gausiano.

3. Procedimiento de trayectografía según la reivindicación 2, caracterizado porque en el caso en el que la frecuencia de muestreo de las señales recogidas es muy superior a la inversa de la duración de un clic, se procede antes del filtrado a una etapa denominada de decimación mediante cálculo de media, consistente en sustituir N muestras analógicas consecutivas por su media, de manera a obtener una señal de frecuencia N veces más débil, así como un ruido de varianza reducido N veces, pero con amplitudes de señal más fuertes con relación al ruido.

4. Procedimiento de trayectografía según una cualquiera de las reivindicaciones 2 o 3, caracterizado porque la etapa de filtrado incluye una etapa consistente en aplicar a los valores digitales resultantes de la etapa de filtrado mediante el operador de Teager Kaiser y de la etapa de decimación, un algoritmo denominado de Mallat, con un umbral

universal, consistente en conservar los n picos más fuertes debidos a los clics potenciales de la fuente, y en determinar, a partir de la posición de dichos picos, las TDOA potenciales correspondientes a los clics de la fuente.

5. Procedimiento de trayectografía según la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa de filtrado incluye una etapa de filtrado adaptado estocástico para detectar los clics. 50

6. Procedimiento de trayectografía según la reivindicación 4 o la reivindicación 5, caracterizado porque se elige un número n de TDOA que se han de conservar en la etapa de determinación de las TDOA, que sea superior o igual a 5 e inferior o igual a 35.

7. Procedimiento de trayectografía según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, para determinar las TDOA coherentes entre ellas, se conservan, de entre las TDOA correspondientes potencialmente a clics de la fuente, las que verifican el principio de transición de las TDOA y cumplen el sistema de ecuaciones:

donde er es igual a tres veces la incertidumbre generada por la decimación de la señal bruta, y TDOAx (i, j) designa la x-ésima TDOA potencial entre los hidrófonos i y j.

8. Procedimiento de trayectografía según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la etapa (21) de cálculo y de eliminación de eco consiste en eliminar las TDOA que verifican las siguientes relaciones:

donde TDOAx (i, j) designa la x-ésima TDOA potencial entre los hidrófonos i y j, E (i) designa la diferencia de tiempo 15 entre el clic y el eco en el hidrófono i, k es un número entero igual a 1 o 2, i, j son números enteros inferiores o iguales al número H de hidrófonos, x es un número entero incluido entre 2 y nbTDOA.

9. Procedimiento de trayectografía según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque para determinar, a partir de las TDOA coherentes, la posición instantánea Xs (t) de un cetáceo que emite un clic, se opera una regresión no lineal según el algoritmo de Gauss-Newton utilizando las tres TDOA independientes {TDOAu (i, j) , TDOAw (i, k) , TDOAy (i, h) } de cada cuarteto de hidrófonos, (i, j, k, h) para minimizar el error LMS (Least Mean Square) en el sistema de las tres ecuaciones siguientes:

donde Q (Xs, Xa) es la distancia euclidiana entre la fuente de coordenadas desconocidas y el hidrófono de coordenadas Xa conocidas, y c representa la celeridad de la onda.

10. Procedimiento de trayectografía según la reivindicación 9, caracterizado porque se determina la trayectoria de dicho cetáceo a partir de las posiciones instantáneas Xs (t) sucesivas. 35

11. Sistema de trayectografía por vía pasiva de una pluralidad de cetáceos, caracterizado porque incluye:

a. una red de por lo menos cuatro hidrófonos dispuestos en el agua en el área de detección, con cada hidrófono conectado a una tarjeta de recogida y digitalización de las señales acústicas detectadas por los hidrófonos; 40

b. un ordenador conectado a las tarjetas de recogida y que contiene un programa informático aplicativo de detección que aplica las etapas del procedimiento de detección según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.

12. Uso del procedimiento de trayectografía por vía pasiva según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10,

caracterizado porque se equipa una zona de mar que se quiere vigilar con un sistema de trayectografía según la reivindicación 11, y se asocia a medios de alarma capaces de emitir una señal de alarma cuando se detectan clics correspondientes a la presencia de uno o de varios cetáceos en la señal procedente de los hidrófonos colocados en dicha zona.