Restoring dynamic spectra corrupted by radio frequency interference : Application to pulsar observation by SKA-pathfinder low-frequency NenuFAR - Thèses de l'Université d'Orléans
Thèse Année : 2024

Restoring dynamic spectra corrupted by radio frequency interference : Application to pulsar observation by SKA-pathfinder low-frequency NenuFAR

Restauration de spectres dynamiques corrompus par des interférences radioélectriques : Application à l'observation de pulsars par NenuFAR, précurseur basse-fréquence de SKA

Résumé

Pulsars are rapidly rotating neutron stars that emit electromagnetic radiation signals received as periodic pulses, thereby acting as cosmic lighthouses. The excellent stability of these periodic signals makes them invaluable tools for assessing the theory of general relativity and for detecting low frequency gravitational waves. However, their observation by radio telescopes can be made difficult by radio frequency interference (RFI) of various origins. These interferences can alter the pulsar signals, which may significantly complicate the detection and precise extraction of their signatures. This thesis aims to propose deep learning techniques to mitigate the impact of RFI in pulsar observations. In particular, this thesis illustrates the interest of these methods in the case of observations carried out by NenuFAR, a pathfinder for the low-frequency segment of the upcoming Square Kilometre Array (SKA).The first part of this thesis begins presenting the astrophysical background of pulsars, emphasizing their importance and role in contemporary astronomy. It then introduces the NenuFAR radio telescope, detailing its technical specifications, observational capabilities, and unique advantages in low-frequency pulsar observations. Lastly, it reviews and summarizes RFI mitigation methods in radio astronomy, analyzing the limitations of existing technologies and identifying the key issues this thesis aims to address. In particular, current RFI mitigation methods often lead to the deletion of data identified as affected by RFI, which inevitably results in a loss of valuable information.In the second part of this thesis, we first present a simulation framework designed to generate RFI-corrupted pulsar observation data. The main goal of this framework is to build a dataset that allows the training of deep learning models, thus circumventing the recurring lack of properly labeled real data.After a thorough review of deep learning and convolutional neural networks, we highlight the shortcomings of existing RFI processing methods, which typically involve identifying and removing data suspected of being corrupted by RFI. To avoid this information loss and address this challenge, we propose a novel approach that consists in formulating the RFI attenuation problem as an image restoration task, aiming at reconstructing RFI-altered signals. Capitalizing on recent advances in deep learning, we show that this task can be efficiently achieved using a network, named RFI-DRUnet, whose architecture is inspired by a high-performance denoising network.In the following chapters, we illustrate the applicability and effectiveness of the proposed approach on simulated and real pulsar observation data, comparing it to current approaches based on deep convolutional neural networks that detect RFI. The results show that the proposed method can effectively restore RFI-corrupted observational signals under various conditions. Furthermore, we discuss the potential impact of this method for improving pulsar chronometry.
Les pulsars sont des étoiles à neutrons qui tournent rapidement, émettent des ondes électromagnétiques et dont nous recevons des impulsions périodiques, agissant ainsi comme des phares cosmiques. L'extrême stabilité de ces signaux périodiques en font des outils inestimables, par exemple pour tester la théorie de la relativité générale ou détecter les ondes gravitationnelles basse fréquence. Cependant, leur observation en radio peut être rendue difficile à cause d'interférence radioélectrique (RFI) d'origine diverse. Ces interférences peuvent masquer les signaux des pulsars, ce qui complique significativement la détection et l'extraction précise de leur signature. Cette thèse vise à proposer des techniques d'apprentissage profond pour atténuer l'impact des RFI dans les observations de pulsars. En particulier, cette thèse illustre l'intérêt de ces méthodes dans le cas d'observations menées par NenuFAR, un précurseur pour le segment basse fréquence du futur Square Kilometre Array (SKA).La première partie de cette thèse commence par présenter le contexte astrophysique des pulsars, insistant sur leur importance et leur rôle dans l'astronomie contemporaine. Elle présente ensuite le radiotélescope NenuFAR, en détaillant ses spécifications techniques, ses capacités d'observation et ses avantages uniques dans les observations des pulsars à basse fréquence. Enfin, elle passe en revue et résume les méthodes d'atténuation des RFI en radioastronomie, en analysant les limitations des technologies existantes et en identifiant les principaux problèmes auxquels cette thèse vise à répondre. En particulier, les méthodes actuelles de traitement des RFI conduisent souvent à la suppression des données identifiées comme affectées par des RFI, ce qui entraîne inévitablement une perte d'informations précieuses.Dans la deuxième partie de cette thèse, nous présentons d'abord un cadre de simulation conçu pour générer des données d'observation de pulsars corrompues par des RFI. L'objectif principal de ce cadre est de créer un ensemble de données qui permettant l'entraînement des modèles d'apprentissage profond, contournant alors le manque récurrent de données réelles correctement étiquetées.Après une revue approfondie de l'apprentissage profond et des réseaux de neurones convolutifs, nous soulignons les insuffisances des méthodes de traitement des RFI existantes, qui impliquent généralement l'identification et la suppression des données suspectées d'être perturbées par les RFI. Pour éviter cette perte d'information relever ce défi, nous proposons une nouvelle approche qui consiste à formuler le problème d'atténation des RFI comme une tâche de restauration d'image, visant à reconstruire les signaux altérés par les RFI. En capitalisant sur des avancées récentes en apprentissage profond, nous montrons que cette tâche peut être réalisée efficacement grâce à un réseau, baptisé RFI-DRUnet, dont l'architecture est inspirée d'un réseau débruiteur performant.Dans les chapitres suivants, nous illustrons l'applicabilité et l'efficacité de l'approche proposée sur des données d'observation de pulsars simulées et réelles, la comparant aux approches actuelles basées sur les réseaux neuronaux convolutifs profonds qui détectent les RFI. Les résultats montrent que la méthode proposée peut restaurer efficacement les signaux d'observation altérés par les RFI sous diverses conditions. En outre, nous discutons l'impact potentiel de cette méthode pour améliorer la chronométrie des pulsars.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04839556 , version 1 (16-12-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04839556 , version 1

Citer

Xiao Zhang. Restoring dynamic spectra corrupted by radio frequency interference : Application to pulsar observation by SKA-pathfinder low-frequency NenuFAR. Astrophysics [astro-ph]. Université d'Orléans, 2024. English. ⟨NNT : 2024ORLE1027⟩. ⟨tel-04839556⟩
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