Radio Frequency Interference spatial processing for modern radio telescopes
Traitement spatial des interférences pour les radiotélescopes de nouvelle génération
Résumé
Radio astronomy studies cosmic sources through their radio emissions. As passive users, astronomers have to deal with an increasingly corrupted radio spectrum. The research presented here focuses on man-made Radio Frequency Interference (RFI), and how astronomical observations can be performed in non-protected frequency bands. Traditional approaches consist in monitoring radio telescopes output data through statistical parameters. Once detected, the corrupted data is removed before further processing. Besides other technical advantages compared to single dish radio telescopes, antenna arrays provide spatial information about astronomical observations. The spatial diversity between cosmic sources-of-interest (CSOI) and RFI can be exploited to develop spatial RFI processing. After formulating a multidimensional radio astronomical data model, an interference subspace subtraction technique is introduced. This approach consists in subtracting RFI contributions from antenna array radio telescopes data. Orthogonal projection applied to astronomical observation vector spaces has already been considered by the past. The orthogonality between RFI and CSOI subspaces is required to recover the CSOI without bias. In order to avoid this latter requirement, an oblique projection approach is here proposed. The projection techniques are compared to classic beamforming techniques in term of interference rejection and CSOI recovering. Being usually unknown, the RFI subspace has to be estimated. Several techniques allowing this estimation, based on statistical properties of RFI and cosmic sources (whiteness and cyclostationarity), are also presented and compared. The different techniques have been applied to real astronomical data, provided by the European radio telescope LOFAR. A last section presents an RFI mitigation algorithm implemented on the demonstrator EMBRACE.
La radio astronomie étudie les sources cosmiques au travers de leur rayonnement dans le domaine radio. Les astronomes, utilisateurs passifs du spectre électromagnétique, ont à faire face à une pollution radio de plus en plus importante. Cette thèse s’intéresse particulièrement aux interférences radio d’origine humaine (RFI), et comment les observations radio astronomiques peuvent être réalisées en bandes de fréquences non-protégées. Les approches classiques consistent à contrôler les paramètres statistiques d’une observation. Une fois détectées, les données polluées sont retirées avant post-traitement. En plus d’autres avantages techniques par rapport aux radiotélescopes paraboliques classiques, les réseaux d’antennes offrent une information spatiale lors d’une observation astronomique. La diversité spatiale entre source cosmique d’intérêt (SCOI) et RFI peut être exploitée pour développer des traitements spatiaux d’interférences. Après la formulation d’un module de données multidimensionnel, une technique de soustraction de sous espace RFI est introduite. Cette technique consiste à soustraire la contribution des RFI aux données d’une observation. La projection orthogonale a déjà été considérée auparavant. Cependant, l’orthogonalité requise entre CSOI et RFI pour retrouver une source d’intérêt non biaisée ne peut vraisemblablement pas être satisfaite. Une approche basée sur une projection oblique est introduite afin de pallier à cette condition. Les techniques de projections sont comparées aux techniques classiques de beamforming en termes de réjection de l’interférence et de récupération de la source d’intérêt. Le sous-espace RFI est inconnu de manière générale et se doit d’être estimé. Plusieurs techniques permettant cette estimation, basées sur des propriétés statistiques des RFI et sources cosmiques, sont également présentées et comparées. Les différentes techniques ont été appliquées à des données astronomiques délivrées par le radio télescope Européen LOFAR. Enfin, une implémentation d’un algorithme de traitement spatial d’interférences sur le démonstrateur EMBRACE est présenté.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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