Application des Statistiques Robustes à la Radioastronomie : Traitement des Interférences Radio et Détection de Raies Spectrales dans les Observations à Large Bande de Fréquences

This Thesis presents algorithms which were developed with the aim of mitigating Radio Frequency Interference (RFI) and fostering automated spectral line detection in H I broadband surveys conducted with single-dish radio telescopes in the frequency band 1 - 2 GHz. These algorithms use 2D matrices (frequency channels vs. averaged power spectra) containing averaged time-line series of power spectral values accumulated during an observation, which in each frequency channel follows a chi-2 distribution law. With enough degrees of freedom defined by the spectrometer setup (at least 50), such power spectral values samples are normally distributed if the receiver captures only cosmic source signals and white noise. To detect and remove RFI, the main assumption of this work is that when contaminated by artificial signals such as RFI, the distribution of averaged power spectral values is no longer Gaussian. Robust estimators (i.e., those immune to sample outliers) of location (median) and scale (Median Absolute Deviation MAD, Sn and Qn) are studied to assess these sample distributions and to excise RFI, the latter with a clipping technique. Though MAD is used for most RFI mitigation applications in previously implemented post-processing software, it is biased in the presence of asymmetrical distributions, and for this reason Sn is a better choice. Once the 2D matrix has been collapsed to a 1D spectrum containing estimators of location and scale of averaged power spectral values, a robust Least Trimmed Squares (LTS) non-linear regression is used for automated baseline fitting and spectral line detection. These algorithms were implemented in the RObust Elusive Line detection (ROBEL) software package which was used to post-process observations made with the 100m-class single-dish Nançay Radio Telescope (NRT) and captured by the WIBAR broadband spectrometer. Results for three case studies are presented: (1) QSO B0738+313 with two previously detected intergalactic Damped Lyman Alpha (DLA) H I absorption lines, with the one at z ∼ 0.09 (named B1) free of RFI and the other at z ∼ 0.22 (B2) swamped by RFI. RFI excision was successful, and measurement precision were notably improved with ROBEL algorithms even in the absence of RFI: error margins in measured line parameters were reduced by an 8 factor compared to usual calculations on 1D spectra. Moreover both B1 and B2 were automatically detected by ROBEL. (2) OH megamaser III Zw 35 whose 1665/1667 MHz emission lines, redshifted to ∼ 1621 MHz, have been hidden since two decades by strong RFI from the Iridium satellite constellation. The RFI was successfully removed and the lines made detectable again. (3) Mitigation of RFI from ground-based Radio Navigation (RN) radars and Global Navigation Satellite System (GNSS) constellations in the frequency range 1160 − 1382 MHz, to prepare for reopening the band for astronomical observations. The first test results were promising: the rms of these short observations is about twice what it would be without RFI, but the reduction of the rms level as function of integration time has not yet been studied. Thus, extensive testing will be continued. Finally, foreseen developments are discussed, in particular the adaptation of the spectral techniques described in this Thesis to interferometers.Cette thèse présente les algorithmes développés dans le but d’identifier et d’éliminer les interférences électromagnétiques (RFI) présentes dans les études à large bande H I effectuées avec des radiotélescopes à antenne unique dans la bande L. Ces procédés utilisent des matrices 2D (en colonne: les canaux fréquentiels; en ligne: les spectres moyennés de puissance) qui sont alimentées par des séries temporelles de valeurs spectrales moyennées de puissance accumulées durant une observation, celles-ci suivant une loi du chi-2. En réglant le spectromètre afin que leur degré de liberté soitau moins égal à 50, de telles séries de valeurs spectrales moyennées de puissance sont distribuées suivant une loi normale, à la condition que le récepteur n’enregistre que des sources cosmiques et du bruit blanc gaussien. L’hypothèse qui structure ce travail est qu’un échantillon de telles valeurs qui est pollué par des RFI ne suit pas une distribution gaussienne. Pour identifier puis éliminer ces RFI avec unetechnique d’élimination des extrêmes (dite de "clipping"), on a étudié et sélectionné des estimateurs robustes (insensibles à la présence de valeurs extrêmes, dites "outliers") de position telle que la médiane et des estimateurs d’échelle (Median Absolute Deviation MAD, Sn et Qn). De manière surprenante, MAD est utilisé dans plusieurs paquets logiciels, alors que cet estimateur est biaisé pour des échantillons non symétriques. Pour cette raison, nous lui préférons Sn qui est un estimateur non centré. Une fois que la matrice 2D a été réduite à un spectre 1D constitué des estimateurs de position et d’échelle des séries temporelles de valeurs de puissance spectrales moyennes de chaque canal fréquentiel, la détection automatique de raies spectrales est effectuée avec la régression robuste non linaire Least Trimmed Squares (LTS). L’ensemble de ces algorithmes est à présent mis en oeuvre avec le logiciel RObust Elusive Line detection (ROBEL). Les observations effectuées avec le radiotélescope décimétrique de Nançay et enregistrées avec le spectromètre large bande WIBAR sont présentées. Premièrement le quasar B0738+313 dont la ligne de visée a révélé deux absorbants Damped Lyman Alpha (DLA), l’un à z ∼ 0.0912(nommé B1), l’autre à z ∼ 0.2212 (nommé B2) ce dernier étant occulté par un RFI. Ces derniers ont été éliminés par ROBEL, et par ailleurs, la précision des mesures a gagné un facteur 8 par rapport aux techniques usuelles d’évaluation effectuées sur le seul spectre 1D. Deuxièmement, ROBEL a éliminé les RFI puissants issus de la constellation de satellites Iridium qui occultent totalement les raies d’émission OH1665/1667 MHz du mégamaser III Zw 35. Trosièmement, les procédures d’élimination des RFI ont été testées sur les RFI causés par des radars ainsi que par des constellations Global Navigation Satellite System (GNSS) avec des résultats prometteurs: le rms obtenu à partir de ces observations courtes est à peu près deux fois supérieur à ce qu’il serait sans RFI, mais on n’a pas encore étudié sa diminution en fonction du temps d’observation: cette question motive une prochaine série extensive de tests complémentaires dans la bande 1160 − 1400MHz. Finalement, les futurs développements sont discutés, en particulier l’adaptation des techniques spectrales exposées dans cette thèse à des interféromètres