1、 Rap. UIT-R RA.2126 1 RAPPORT UIT-R RA.2126 Techniques de limitation des brouillages radiolectriques en radioastronomie (Question UIT-R 237/7) (2007) 1 Introduction Le prsent rapport est un rsum technique concis des techniques les plus rcentes en matire de limitation des brouillages radiolectriques
2、(RFI) en radioastronomie. Il y est plus particulirement question des techniques de rduction des brouillages artificiels qui proviennent de lextrieur de linstrument et chappent ainsi au contrle de loprateur de linstrument. Pour les besoins du prsent rapport, le critre retenu pour considrer un signal
3、comme un brouillage radiolectrique est simplement quil sagit dune partie non dsire, mais dtectable, dune observation souhaite qui risque de dtriorer, ou dempcher le droulement satisfaisant de lobservation. Bien quils ne soient pas faciles dtecter, certains brouillages peuvent nanmoins entraner une d
4、gradation des observations et il est dautant plus difficile de les rduire. Lobjectif des techniques de rduction des brouillages est de permettre lobservation aux niveaux de sensibilit prescrits dans la Recommandation UIT-R RA.769, avec des pourcentages de perte de donnes conformes aux limites fixes
5、dans la Recommandation UIT-R RA.1513. Ces Recommandations dcrivent les conditions permettant deffectuer des observations efficaces en radioastronomie et fournissent les bases numriques du calcul de conditions de brouillages radiolectriques admissibles dans les tudes de partage et de compatibilit. Le
6、s mthodes de rduction des brouillages autres que lradication pure et simple des donnes contamines par des brouillages radiolectriques ne sont gure utilises en radioastronomie, essentiellement parce quelles ne sont pas faciles concevoir ou mettre en uvre et parce quelles ncessitent la conception dun
7、logiciel spcifique trs complet. Rcemment encore, les modes dobservation et les techniques de traitement des signaux gnralement utiliss pendant les observations permettaient un degr inhrent de rduction des brouillages qui se rvlait suffisant pour obtenir des donnes utiles en radioastronomie en prsenc
8、e de quelques brouillages. Ainsi, le blocage de frange, en imagerie synthse douverture, tend dcorrler les brouillages radiolectriques reus au niveau dantennes largement espaces, ce qui supprime gnralement ces brouillages dans les produits de corrlation associs Thompson, 1982. Dans le cas de certains
9、 radiotlescopes synthse douverture, ces brouillages peuvent engendrer une source lumineuse non essentielle qui apparat sur les cartes au niveau du ple cleste, ce qui rend difficiles, voire impossibles, les observations de fortes dclinaisons. Les pulsars produisent des impulsions de bruit large bande
10、 de sorte quon a besoin dune largeur de bande important au niveau du rcepteur pour obtenir un rapport signal/bruit utile. Le bruit prsent dans les impulsions fait que celles-ci font lobjet dune dispersion dpendant de la frquence lorsquelles se propagent dans les plasmas rarfis du milieu interstellai
11、re. Lorsquon observe un pulsar avec un radiotlescope, limpulsion est dlibrment ddisperse au moyen de divers matriels et logiciels, afin dobtenir une reprsentation prcise (non disperse) du profil intrinsque des impulsions. Ce processus rduit gnralement les brouillages radiolectriques, car le processu
12、s de ddispersion du signal du pulsar disperse en consquence les brouillages radiolectriques, mais il naboutit qu une rduction limite des brouillages. 2 Rap. UIT-R RA.2126 Les brouillages entranent toujours une dgradation des donnes. Les astronomes ont constat que le champ et la densit spectrale/temp
13、orelle des brouillages radiolectriques sont tels que les observations sont satures de brouillages de ce type et deviennent inutilisables. Les observations les plus vulnrables sont sans doute celles qui sont effectues avec des radiotlescopes rflecteur unique (observations du continuum ou spectroscopi
14、e), car lamlioration de la sensibilit aux signaux astronomiques quoffre laugmentation du temps dintgration conduit une augmentation proportionnelle de la sensibilit aux signaux des brouillages lectriques. Bien que certains modes dobservation prsentent une certaine robustesse intrinsque de faibles ni
15、veaux de brouillages radiolectriques, la faible intensit des signaux reus des missions radiolectriques dorigine cosmique fait que le service de radioastronomie est trs vulnrable aux brouillages. Les brouillages radiolectriques nont pas seulement pour effet dempcher ou daltrer certaines observations
16、ou certains types dobservations, mais limitent aussi la productivit globale de la station de radioastronomie, ce qui rend les observations extrmement difficiles ou onreuses pour ce qui est du temps dobservation ncessaire, de la complexit du traitement et des frais dexploitation. A titre dexemple, on
17、 est de plus en plus souvent amen mettre en forme manuellement les donnes aprs les observations pour supprimer les brouillages radiolectriques, comme cela se fait parfois dans le domaine de limagerie synthse douverture Lane et autres, 2005. Mme si ce procd est efficace, il est difficile automatiser
18、et devient en consquence extrmement fastidieux mesure que la dure de lobservation et la largeur de bande observe augmentent. La prsence de brouillages radiolectriques impose parfois une augmentation spectaculaire des besoins en termes de personnel et de temps dobservation, ce qui est aussi contraign
19、ant sur le plan scientifique que les consquences de ces brouillages, qui masquent irrmdiablement les missions dobserves. Ces problmes ont incit les chercheurs concevoir des techniques de rduction des brouillages radiolectriques que lon pourrait considrer comme automatiques ou en temps rel, en ce sen
20、s quune technique donne fait thoriquement partie intgrante de linstrument et fonctionne sans intervention humaine. Tel est le contexte dans lequel sont prsentes les techniques dcrites ci-aprs. 2 Techniques de rduction des brouillages radiolectriques Ltude des techniques de rduction des brouillages r
21、adiolectriques qui perturbent le signal de sortie analogique des rcepteurs des radiotlescopes suscite un regain dintrt depuis quelques annes, en raison des avances techniques qui permettent de rduire les brouillages radiolectriques en utilisant des mthodes de traitement des signaux en temps rel. On
22、trouvera sur ce sujet des indications utiles dans les rsums de confrences rcentes sur la question (voir par exemple Bell et autres, 2000 et Ellingson, 2005). Pour les besoins du prsent rapport, on peut classer les techniques de rduction des brouillages dans les catgories suivantes: 1) Eradication (s
23、uppression des brouillages radiolectriques): des brouillages radiolectriques composes de brves impulsions pourraient tre rduits en supprimant les donnes en prsence de limpulsion: il sagit de lradication temporelle. On peut aussi attnuer les brouillages radiolectriques persistants en utilisant des te
24、chniques de mise en forme du faisceau de lantenne pour orienter les zros dun diagramme dans les directions par rapport auxquelles les brouillages radiolectriques sont incidents: il sagit de lradication spatiale. Lune des caractristiques communes de toutes les techniques dradication est la perte de d
25、onnes dastronomie, les donnes restantes risquant dtre altres en raison de dfauts introduits par le processus dradication. Etant donn que la suppression entrane une diminution du temps dobservation, il en rsulte une augmentation du temps dobservation ncessaire pour obtenir la sensibilit ou la prcisio
26、n de mesure voulues. Rap. UIT-R RA.2126 3 2) Annulation: consiste soustraire les brouillages radiolectriques de la sortie du tlescope. Lannulation peut donner de meilleurs rsultats que lradication, en ce sens que les brouillages radiolectriques sont supprims sans incidences pour le service de radioa
27、stronomie, en offrant une capacit dobservation en principe exempte des dfauts associs la simple limination des donnes. Toutefois, comme indiqu ci-dessous, la solution de compromis en ce qui concerne lradication est gnralement que la suppression est limite par lestimation des brouillages subis par le
28、 radiotlescope. 3) Anticoncidence: consiste en gnral carter les brouillages radiolectriques en tirant parti du fait que des antennes trs espaces devraient percevoir de la mme faon les signaux astronomiques, mais diffremment les brouillages radiolectriques. En pareil cas, la contribution du brouillag
29、e radiolectrique concerne le niveau du bruit de fond pour chaque antenne et non pas les signaux corrls, ce qui entrane une dgradation du signal corrl reu et ncessite parfois un accroissement du temps dobservation pour obtenir le rapport signal/bruit ncessaire. Les mthodes de rduction des brouillages
30、 qui sont souvent ou rgulirement utilises dans les observatoires sont pour la plupart fondes sur lradication temporelle, cest-dire sur la suppression des donnes qui sont censes tre contamines par les brouillages radiolectriques. Ces mthodes sont dcrites au 2.1. Lradication spatiale ( 2.2) et les mth
31、odes fondes sur lannulation des brouillages ( 2.3 et 2.4) ont fait lobjet de dmonstrations au moyen de donnes astronomiques relles ou simules, mais sont encore pour lessentiel en cours de mise au point, ou ne sont utilises que dans certains cas. Les diffrents types dradication spatiale ncessitent en
32、 gnral un logiciel spcialis trs important et une puissance de calcul accrue. Les techniques danticoncidence ( 2.5) offrent un moyen trs efficace didentifier les donnes qui sont contamines par des brouillages radiolectriques, mais ne peuvent pas tre considres au sens strict comme des techniques de rd
33、uction des brouillages, puisquelles permettent uniquement lradication temporelle des brouillages. 2.1 Eradication temporelle (suppression) Il sagit probablement de la technique la plus ancienne et la plus connue pour rduire en temps rel les brouillages radiolectriques par impulsions. On sest apparem
34、ment intress pour la premire fois la technique de suppression des brouillages pour remdier aux problmes dus des radars aronautiques au sol lors de lobservation de la bande 1 215-1 400 MHz. En gnral, ces radars transmettent des frquences dimpulsion fixes ou des signaux sinusodaux moduls avec des long
35、ueurs dimpulsion de 2 400 ms et de 1 27 ms entre les impulsions mises ainsi quune largeur de bande de lordre de 1 MHz. Ces impulsions sont souvent dtectables via le lobe latral des radiotlescopes des centaines de kilomtres de distance. Bien que le facteur dutilisation de la transmission soit relativ
36、ement peu lev (il est gnralement infrieur 0,1%), une suppression prcise des brouillages est rendue difficile par le bref laps de temps entre les impulsions. Un autre facteur rend difficile la suppression des impulsions radar: la rflexion cause par le terrain et laronef gnre des copies additionnelles
37、 de limpulsion qui arrivent longtemps aprs limpulsion du trajet direct (voir par exemple lAppendice de Ellingson et Hampson, 2003. Gnralement, ces impulsions se propageant par trajets multiples sont suffisamment fortes pour altrer lobservation astronomique mais encore trop faibles pour pouvoir tre d
38、tectes avec fiabilit. En consquence, un intervalle de suppression dclench par une impulsion dtecte doit en gnral tre beaucoup plus long que limpulsion dtecte, afin de garantir que toutes les copies dune impulsion dtecte se propageant par trajets multiples soient galement supprimes. Les intervalles d
39、e suppression doivent avoir des longueurs pouvant atteindre plusieurs centaines de microsecondes (cest-dire 10 100 fois la dure de limpulsion) Ellingson et Hampson, 2003. 4 Rap. UIT-R RA.2126 Diverses techniques dradication temporelle en temps rel ont t proposes et mises au point. Friedman 1996, Web
40、er et autres 1997 et Leshem et autres 2000 dcrivent chacun des mthodes permettant de dtecter des brouillages par impulsions et de supprimer le signal de sortie en consquence. Le Centre national pour lastronomie et ltude de lionosphre (NAIC) a conu un dispositif permettant dattnuer en temps rel de fo
41、rtes impulsions radar locales dans lObservatoire dArecibo (Puerto Rico). Ce dispositif consiste suivre la structure connue de la synchronisation entre les impulsions pour ce radar, puis supprimer le signal de sortie du rcepteur dans une fentre temporelle linstant darrive prvue de limpulsion. Des tra
42、vaux plus rcents dans ce domaine, notamment des rsultats exprimentaux, sont dcrits dans Ellingson et Hampson, 2003; Fisher et autres, 2005 et Zheng et autres. 2005, les deux derniers ouvrages traitant dun problme analogue de brouillages par impulsions causs par des quipements aronautiques de mesure
43、de la distance (DME). Le principal inconvnient de la technique de suppression des brouillages concerne la qualit de la dtection. En effet, une fois quune impulsion dun brouillage radiolectrique est dtecte, elle peut tre compltement limine par la technique de suppression mais, une partie des impulsio
44、ns de faible intensit mais potentiellement prjudiciable ne sera pas dtecte. Toutefois, lchelle temporelle dune seule impulsion, les signaux astronomiques prsentent gnralement un rapport signal/bruit (SNR) infrieur 1, si bien que les brouillages radiolectriques doivent tre dtects de manire fiable ces
45、 niveaux, afin dtre rellement supprims dans la sortie intgre. Cette opration est relativement dlicate et les bons rsultats obtenus dernirement au moyen de la technique de suppression dcrite plus haut sont imputables au fait que lon connaissait bien au pralable le signal du brouillage radiolectrique,
46、 ce qui permet de compenser dans une certaine mesure un rapport signal/bruit peu satisfaisant. Il est possible dapporter de nouvelles amliorations la qualit de la dtection en utilisant certains aspects du signal du brouillage radiolectrique qui peuvent tre exploits sans connatre en particulier ce si
47、gnal, par exemple la cyclostationnarit (Britteil et Weber, 2005, ont appliqu cet aspect au systme satellites HIBLEO2 (Iridium) et au systme de poursuite de Kalman et Dong et autres, 2005 lont appliqu des radars aronautiques). Un autre problme pineux est de savoir comment fixer les seuils de dtection et la longueur de la fentre de suppression pour trouver un compromis acceptable entre une rduction des brouillages radiolectriques robuste (niveaux de seuil peu levs et longues fentres) et une dgradation rduite de la sens
