Systèmes de positionnement acoustique et surveillance acoustique passive des cétacés avec le télescope sous-marin à neutrinos KM3NeT

Acoustic positioning systems and passive acoustic monitoring of cetaceans with the KM3NeT underwater neutrino telescope

• Auteur / Autrice : Carlo Guidi
• Direction : Paschal Coyle, Mauro Taiuti, Vincent Bertin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière
• Date : Soutenance le 25/01/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille en cotutelle avec Università degli studi (Gênes, Italie). Dipartimento di Fisica
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et sciences de la matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de physique des particules de Marseille (CPPM) - Istituto nazionale di fisica nucleare (Italie)
• Jury : Président / Présidente : Paolo Prati
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vladimir Kulikovskiy, Matteo Sanguineti, Heide Costantini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hervé Glotin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cachalots

Dauphins

Neutrinos -- Interactions

Acoustique

Cétacés -- Observations

Mots clés libres

Cachalot

Acoustique

Neutrino

Hydrophone

Dauphin

Cétacé

Pistage

Sperm whale

Acoustic

Neutrino

Hydrophone

Dolphin

Cetacean

Tracking

Résumé

KM3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope) est un télescope sous-marin pour la détection des neutrinos. Deux détecteurs sont situés en France au large des côtes de Toulon et en Italie au large de Capo Passero en Sicile. L'infrastructure de l'expérience est constituée de structures verticales, appelées unités de détection, déployées à grande profondeur en pleine mer. Sur chacune de ces structures se trouvent 18 Modules Optiques Numériques, hébergeant chacun 1 capteur acoustique piézoélectrique et 31 photomultiplicateurs capables de détecter la lumière qui dérive des interactions des neutrinos avec les particules de la croûte terrestre, et des hydrophones à la base, utilisés pour la calibration du système et pour l'étude des émissions sonores des cétacés. Dans cette thèse j'ai optimisé et testé sur des données réelles les algorithmes permettant de reconstruire la position de tous les éléments du détecteur avec une précision d'environ 20 cm, utile pour reconstruire les traces des particules chargées avec une résolution temporelle suffisante, et j'ai développé un programme de surveillance en ligne de la réception des signaux acoustiques. Ensuite, j'ai implémenté un programme permettant d'identifier automatiquement les clics émis par les cachalots et diverses espèces de dauphins et j'ai réalisé des simulations afin de comprendre la meilleure configuration des récepteurs acoustiques pour reconstruire les emplacements des cachalots. Grâce à l'analyse des sons produits par ces mammifères marins, il a été possible d'étudier leur comportement, d'estimer leur taille, de classer les émissions acoustiques et de reconstruire les parcours des animaux dans la zone autour du détecteur.

KM3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope) is an underwater telescope for the detection of neutrinos. There are two detectors located in France offshore the coast of Toulon and in Italy offshore Capo Passero in Sicily. The experiment's infrastructure is made up of vertical structures, called Detection Units, deployed at great depth in the open sea. On each of these structures there are 18 Digital Optical Modules, each hosting 1 acoustic piezoelectric sensor and 31 photomultipliers capable of detecting the light that derives from the neutrino interactions with the particles of the earth's crust, and hydrophones at the bases, used for the calibration of the system and for the study of the sound emissions of cetaceans. In this PhD thesis I optimized and tested on real data the algorithms to reconstruct the position of all the elements of the detector with an accuracy of around 20 cm, usefull to reconstruct the tracks of the charged particles with a sufficient temporal resolution, and I developed an online monitoring program for the reception of acoustic signals. Then, I implemented a program that can automatically identify the clicks emitted by sperm whales and various species of dolphins and I realized simulations in order to understand the best configuration of the acoustic receivers to reconstruct the locations of the sperm whales. Through the analysis of the sounds produced by these marine mammals it was possible to study their behaviour, estimate their size, classify the acoustic emissions and reconstruct the routes of the animals in the in the area around the detector.