Detection and localisation of very high energy particles in underwater acoustic
Détection et localisation de particules de très hautes énergies en acoustique sous-marine
Résumé
The theme of this thesis is included in the Antares international project whose object is to build a neutrino telescope located in a deep water sea environment, near Toulon, France. In deep water sea, a neutrino can interact with a water molecule. The collision generates a luminous flash and an acoustic wave. The goal of thh work is to study this acoustic sound wave and develop a system able to detect the corresponding wave front and to estimate the initial direction of the particle. We first focus on the acoustic sound wave. Two different models are studied, and the recent works made in the CPPM lead to a mathematical expression of both signal and wave front. Then, several detection methods are studied, from the most classical to the more recent ones. The experimental comparison in semi-real situation leads to the choice of a detection method: the Extended stochastic matched filter. Position and direction of the neutrino are now estimated with a Gauss-Newton derivated algorithm. This estimator is based on a wave front propagation model and on the time detection information given by the telescope hydrophones. Performances of the system are then estimated. An antenna structure is then proposed and a global simulation finalizes this thesis. In this simulation, detectior and estimation are based on the results found in the previous sections. Underwater sea noise is real and the results of the simulation valid our works.
Le sujet de cette ihèse s'inscrit dans le cadre du projet international Antares dont l'objectif est la construction d'un télescope à neutrînos situé dans un environnement marin au large de Toulon, A de fortes profondeurs, un neutrino a d'autant plus de chance de rentrer en collision avec une molécule d'eau, générant ainsi une réaction en chaîne générant un flash lumineux et une onde sonore. L'objectif de cette thèse est d'étudier cette onde sonore en vue de développer un système capable de détecter le front d'onde correspondant et d'estimer la direction originelle du neutrino. Dans un premier temps, l'étude se porte sur le signal acoustique. Deux descriptions issues de la littérature et de récents travaux effectués au CPPM sont confrontées et aboutissent à une modélisation mathématique du signal et du front d'onde.
Dans un second temps, plusieurs méthodes de détection sont étudiées, de la plus classique (étude du rapport de vraisemblance} à des méthodes plus récente (filtrage adapté, classification, etc.). La comparaison expérimentale en situation semi-réelle de celles-ci aboutit au choix de la méthode de détection suivante : le FASE (Filtrage Adapté Stochastique Etendu). Enfin, la position et la direction du neutrino sont estimés par un algorithme dérivé de Gauss-Newton, Cet estimateur se base sur la modélisation du déplacement du front d'onde acoustique et sur les informations temporelles de détection fournies par les hydrophones du télescope. De nombreuses configurations sont testées et les performances du système sont évaluées. Une structure d'hydrophone est proposée et une simulation dite « globale » finalisent cette thèse. Dans celle-ci, les étapes de détection et d'estimation sont basées sur les résultats obtenus précédemment. Les bruits de mer sont des bruits réels issus de campagnes de mesure et les résultats obtenus valident les travaux de cette thèse.
Dans un second temps, plusieurs méthodes de détection sont étudiées, de la plus classique (étude du rapport de vraisemblance} à des méthodes plus récente (filtrage adapté, classification, etc.). La comparaison expérimentale en situation semi-réelle de celles-ci aboutit au choix de la méthode de détection suivante : le FASE (Filtrage Adapté Stochastique Etendu). Enfin, la position et la direction du neutrino sont estimés par un algorithme dérivé de Gauss-Newton, Cet estimateur se base sur la modélisation du déplacement du front d'onde acoustique et sur les informations temporelles de détection fournies par les hydrophones du télescope. De nombreuses configurations sont testées et les performances du système sont évaluées. Une structure d'hydrophone est proposée et une simulation dite « globale » finalisent cette thèse. Dans celle-ci, les étapes de détection et d'estimation sont basées sur les résultats obtenus précédemment. Les bruits de mer sont des bruits réels issus de campagnes de mesure et les résultats obtenus valident les travaux de cette thèse.