Un spectrographe pour la radioastronomie solaire aux ondes courtes, au voisinage de la coupure ionosphérique

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1 Un spectrographe pour la radioastronomie solaire aux ondes courtes, au voisinage de la coupure ionosphérique Alain Lecacheux (*), Cédric Dumez-Viou(**) et Karl-Ludwig Klein (*) LESIA (*) et Nançay (**), CNRS-Observatoire de Paris 1

2 Contenu de l exposé Contexte et objectif Spectroscopie dynamique du Soleil en ondes décamétriques Méthodologie utilisée Réalisation du spectrographe Résultats et conclusion 2

3 Objectif Analyser en temps réel le signal analogique, amplifié et filtré, fourni par le Réseau DAM de Nançay, pour obtenir, en continu, le spectrogramme dynamique des émissions radio du Soleil dans la bande des ondes courtes (bande HF (f 40 MHz)). Des traitements en ligne spécifiques sont indispensables pour atténuer l effet des nombreux brouilleurs présents dans cette bande. 3

4 Frequency (MHz) Frequency (MHz) Ionosphere conditions and RFI 40 JUPITER 1991 Jan1 (Ionospheric conditions : winter - early morning) :00 23:00 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 Universal Time 40 JUPITER 1991 Mar17 (Ionospheric conditions : summer - late evening) :30 17:30 18:30 19:30 20:30 Universal time 21:30 22:30 23:30 4

5 Contenu de l exposé Contexte et objectif Spectroscopie dynamique du Soleil en ondes décamétriques Méthodologie utilisée Réalisation du spectrographe Résultats et conclusion 5

6 La fréquence d observation sonde le voisinage du Soleil en fonction de l altitude f p N e R 1 6

7 espace sol Bande FM 7

8 Caractéristiques du signal utile (Soleil) Dans la gamme des fréquences f 50 MHz, les sursauts radio à étudier sont produits dans un milieu diffusif (la Couronne Solaire), caractérisé par une échelle temporelle de diffusion τ 10 ms, correspondant à une échelle spatiale R = c τ 3000 km. la fréquence d émission étant inversement proportionnelle à l altitude au dessus de la surface du Soleil, la résolution fréquentielle utile est : f f ~ R R = ~ f 40 khz (f = 10 MHz) Le spectrogramme scientifiquement «utile» peut donc être caractérisé par Echantillonnage : F e = ~100 MHz, acquisition en bande de base. n = 512 points dans chaque spectre m = 10 spectres par seconde deux voies d acquisitions (les deux «polarisations» du radiotélescope) 8

9 Contenu de l exposé Contexte et objectif Spectroscopie dynamique du Soleil en ondes décamétriques Méthodologie utilisée Réalisation du spectrographe Résultats et conclusion 9

10 Caractéristiques des brouilleurs La bande 5-30 MHz est sévèrement occupée: par de nombreux émetteurs, intermittents et à bande étroite (Δf ~ qq khz) : stations de radio (broadcasting) mobiles maritime et aéoronautique radio amateurs signaux de service (timing), etc par des signaux de type impulsionnel (industriels et naturels (orages lointains)) par des signaux plus rares et plus compliqués ex: sondeurs ionosphériques. 10

11 Caractéristiques des brouilleurs 11

12 Contenu de l exposé Contexte et objectif Spectroscopie dynamique du Soleil en ondes décamétriques Méthodologie utilisée Réalisation du spectrographe Résultats et conclusion 12

13 Carte HPPB + FMC108 ADC (ALSE) 13

14 Synoptique du traitement embarqué ADC en continu, échantillonnage à 80 MHz (14 bits) Analyse spectrale à haute résolution o Transformée de Fourier à court terme (FFT (N = pts) + fenêtrage Blackman-Harris o Puissance spectrale (amplitude de la FFT, élevée au carré) Excision des émetteurs à bande étroite : o Estimation robuste de la moyenne par bande de fréquences (regroupement des canaux par paquets de 64) Excision des impulsions (émissions à bande large) o Moyenne robuste des spectres comprimés (regroupés par paquets consécutifs de 128) Compression résultante : o Entrée : 10 To/jour o Sortie : 100 Mo/jour 14

15 Estimateurs «robustes» M-estimateurs : Appliquent le principe de maximum de vraisemblance à la statistique observée, en introduisant une «fonction d influence» qui est l identité si la statistique est supposée gaussienne, sans point de mesure aberrant, sinon, est choisie de forme adaptée (Cauchy, Lorentz, sinus) pour diminuer le poids des grands écarts. L-estimateurs : Combinent plusieurs statistiques fondamentales : moyenne tronquée, combinaison de percentiles, médiane, Choix de la médiane : Calcul de coût O(N) (algorithme de tri, facile à implémenter), mais légère perte de sensibilité. 15

16 Contenu de l exposé Contexte et objectif Spectroscopie dynamique du Soleil en ondes décamétriques Méthodologie utilisée Réalisation du spectrographe Résultats et conclusion 16

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21 Conclusion et perspectives Le nouveau spectromètre, avec son «intelligence embarquée» améliore sensiblement la qualité du signal étudié, en mode antenne unique, même en présence de hauts niveaux de perturbations. Il utilise une connaissance a priori sur les brouilleurs et le signal étudié. L opération de filtrage est effectué sur chaque élément du plan temps-fréquence. Pour d autres situations, on peut dorénavant envisager des algorithmes plus adaptatifs, non supervisés. 21