Contributions aux méthodes de calibration robuste en radioastronomie

Contributions to robust calibration methods in radio astronomy

• Auteur / Autrice : Virginie Ollier
• Direction : Pascal Larzabal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement du signal et des images
• Date : Soutenance le 05/07/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et applications des technologies de l'information et de l'énergie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Christian Jutten
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Larzabal, David Brie, Jean-François Giovannelli, Rémy Boyer, Mohammed Nabil El Korso, Sylvie Marcos, Jean-Luc Starck
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Brie, Jean-François Giovannelli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interféromètres

Processus gaussiens

Radioastronomie

Mots clés libres

Estimation

Calibration robuste

Optimisation distribuée

Radioastronomie

Estimation

Robust calibration

Distributed optimization

Radio Astronomy

Résumé

En radioastronomie, les signaux d'intérêt mesurés par les interféromètres sont perturbés par de nombreux effets environnementaux et instrumentaux, nécessitant la mise en œuvre de techniques algorithmiques pour les traiter et pouvoir ainsi reconstruire in fine des images parfaitement nettes de l'espace. Cette étape de correction des perturbations se nomme la calibration et repose généralement sur une modélisation gaussienne du bruit, pour une seule fréquence considérée. Cependant, en pratique, cette l'hypothèse n'est pas toujours valide car de multiples sources inconnues à faible intensité sont visibles dans le champ de vision et des interférences radioélectriques perturbent les données. En outre, réaliser une calibration indépendante, fréquence par fréquence, n'est pas la manière la plus optimale de procéder. Le but de ce travail est donc de développer des algorithmes de correction dans le traitement des signaux radio qui soient robustes à la présence d'éventuelles valeurs aberrantes ou sources d'interférences, et qui soient adaptés au contexte multi-fréquentiel. Par conséquent, nous nous appuyons sur une modélisation plus générale que la loi gaussienne, appelé processus Gaussien composé, et proposons un algorithme itératif basé sur l'estimation au sens du maximum de vraisemblance. En accord avec le scénario multi-fréquentiel sous étude, nous exploitons la variation spectrale des perturbations en utilisant des méthodologies telles que l'optimisation distribuée sous contraintes et le traitement parallèle des données.

Accurate calibration is of critical importance for new advanced interferometric systems in radio astronomy in order to recover high resolution images with no distortions. This process consists in correcting for all environmental and instrumental effects which corrupt the observations. Most state-of-the-art calibration approaches assume a Gaussian noise model and operate mostly in an iterative manner for a mono-frequency scenario. However, in practice, the Gaussian classical noise assumption is not valid as radio frequency interference affects the measurements and multiple unknown weak sources appear within the wide field-of-view. Furthermore, considering one frequency bin at a time with a single centralized agent processing all data leads to suboptimality and computational limitations. The goal of this thesis is to explore robustness of calibration algorithms w.r.t. the presence of outliers in a multi-frequency scenario. To this end, we propose the use of an appropriate noise model, namely, the so-called coumpound-Gaussian which encompasses a broad range of different heavy-tailed distributions. To combine limited computational complexity and quality of calibration, we designed an iterative calibration algorithm based on the maximum likelihood estimator under the compound-Gaussian modeling. In addition, a computationally efficient way to handle multiple sub-frequency bands is to apply distributed and decentralized strategies. Thus, the global operational load is distributed over a network of computational agents and calibration amounts to solve a global constrained problem thanks to available variation models or by assuming smoothness across frequency.