traitement du signal appliqué au cas des mesures de sonde
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G. BonhommeAtelier CNRS « Analyse de plasmas par sondes électrostatiques », Sarcenas 14-16 juin 2006
Traitement du signal appliqué au casdes mesures de sonde
Gérard Bonhomme LPMIA - UMR 7040 CNRS -
Université Henri Poincaré, [email protected]
G. BonhommeAtelier CNRS « Analyse de plasmas par sondes électrostatiques », Sarcenas 14-16 juin 2006
Plan• Introduction
– Problèmes à résoudre– Méthodes disponibles
• Méthodes basées sur Fourier– Interpolation– Systèmes linéaires– Filtrage numérique ; filtres FIR, Savitzky-Golay– Régression linéaire et non linéaire
• Méthodes avancées– Transformées en ondelettes– Décomposition en modes empiriques
• Conclusions
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Systèmes linéaires
∫+∞
∞−−= duutxuhty )()()(
∫+∞
∞−−= duutuhth )()()( δ
)()()( ωωω XHY =
h(t), H(ω)x(t) y(t)
Réponse d’un système linéaire à unePerturbation dépendant du temps :avec h(t) réponse impulsionnelle etH(ω) fonction de transfert
Intérêt de la transformée de Fourier :le produit de convolution se transformeen produit simple
Systèmes à temps discret ∑+∞
−∞=−=
kknkn hxy
hn est la réponse à⎩⎨⎧
=≠
=0100
nn
nδ
)(~)(~)(~ zXzHzY =
avec ∑= kk zhzH )(~
Convolution discrète
ta 0sinω )sin( 0 ϕω +tA
ωiez −=et
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Interpolation
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Interpolation
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Interpolation
∑+∞
−∞=−=
kknkn hxy
⎪⎩
⎪⎨
⎧
==
−−=−
∫
∑∞+
∞−e
eti
nen
TtTteHh
nTtftf
//sin)(
21)(
)()(
ππω
πτ
τδτ
ω∑+∞
−∞=−=
kknkn hxy
Interpolation naturelle dite reconstruction deWittaker
Fp Transformée de Fourier de la suite discrète d‘échantillons ∑ −= eTin
np efF ωω)(
On filtre dans le domainefréquentiel
eTpFF /2* ).()( πωω Π=
∫+∞
∞−−= τττ dtfhtf )().()(*
∑∑−−
−−
=−=1
0
1
0
*
/)(/)(sin)()(
N
ee
een
N
en TnTtTnTtfnTthftf
ππ
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Interpolationmise en oeuvre très simple par insertion de zérosInterpolation naturelle
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Filtrage numérique (1)Exemple
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Filtrage numérique (2)Exemple
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Filtrage numérique: applications (1)
Signal brut Moyenne pondérée sur trois points
Dérivation
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Filtrage numérique : applications (2)
Dérivée du signal filtréfiltre passe-haut
Filtrage passe-haut
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Filtres de Savitzky - Golay (1)
Les coefficients peuvent être calculésune fois pour toute quel que soit le signal
D‘après Numerical Recipes, Cambrige Univ. Press
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Filtres de Savitzky - Golay (2)
Applications à des caractéristiques de sondeFiltre utilisé
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Méthode des moindres carrésExemple N=3
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Détermination des paramètres plasma
efloatp TVV )ln8.2(61.0 μ−+=
efloatp TVV )ln8.2(61.0 μ−+=
Détermination du potentielflottant et calcul du potentielplasma : Vfloat~ 15,3 volts
Détermination de la températureélectronique :on „fit“ la région de transitionpar une exponentielle
⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −−−=
e
floate
TUVTSnI exp196.0 0 μVp~ 17,85 volts
Te~ 2,94 eV
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Modélisation non linéaire : méthode de Levenberg -Marquardt
efloatp TVV )ln8.2(61.0 μ−+=
⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −−−=
e
floate
TUVTSnI exp196.0 0 μ
exemple
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Méthodes avancéesData collected from a turbulent plasma → very large frequency
range, many ≠ physical mechanisms⇒ How can we extract reliable informations from time series ?
"Classical“ Methods (Statistical Analysis, Fourier methods)drawbacks of Non stationarity, non linearity ⇒
Pivoine data
Experimental data from tokamaks
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• Wavelet transform = generalization of the Fourier analysis→ change for an other analysis function
⇒ find an orthogonal basis localised in time and frequency
→ Two different approaches :Continuous Wavelet Transform (e.g. Morlet) → time-frequency analysisDiscrete Wavelet Transform → orthogonal decomposition (filtering)
• Hilbert-Huang transform• Decomposition of a non stationary time-series into a finite sum of orthogonal eigenmodes, or Intrinsic Mode Functions (IMF).• Self adapative approach in which the eigenmodes are derived from the specifictemporal behaviour of the signal.• Subsequently, the Hilbert Transform can be used to compute the instantaneousfrequency and a time-frequency representation of each mode as well as a global marginal Hilbert energy spectrum.
Solutions : Wavelets and Hilbert-Huang transforms
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −
=T
ttttT0
, )(0
ϕϕ dtttfT
tTW tTf )()(1),( *
,0 0ϕϕ ∫
+∞
∞−
=
)()()(1
trtimftXn
jnj∑
=
+=
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Discrete wavelets: Analysis and reconstruction
Analysis
Synthesis
Daubechies wavelets
Efficient algorithmn,But:- physical meaning of the filtering?- not well suited to time frequency analysis
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Continuous wavelets: Time-frequency analysis
Pivoine data(from A. Lazurenko)
Time-frequency representation obtained with Morlet wavelets
Fourier spectrum
Drawback → cpu time demanding (because high level of redundancy)
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Continuous wavelets: Time-frequency analysis
Time-frequency representation obtained with Morlet wavelets
Drawback → cpu time demanding (because high level of redundancy)
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The Hilbert-Huang Transformor Empirical Mode Decomposition
• Decomposition of a non stationary time-series into a finite sum of orthogonal eigenmodes, or Intrinsic Mode Functions (IMF).
• Self adapative approach in which the eigenmodes are derived from the specifictemporal behaviour of the signal.
• Subsequently, the Hilbert Transform can be used to compute the instantaneousfrequency and a time-frequency representation of each mode as well as a global marginal Hilbert energy spectrum.
N. E. Huang et al., The Empirical Mode Decomposition and Hilbert Spectrum for Nonlinear and Non-Stationary Time Series Analysis, Proc. R. Soc. London, Ser. A, 454, pp. 903-995 (1998).
T. Schlurmann, Spectral Analysis of Nonlinear Water Waves based on the Hilbert-Huang transformation, Transactions of the ASME Vol.124 (2002) 22.
J. Terradas et al, The Astrophys. Journal 614 (2004) 435.P. Flandrin, G. Rilling, P. Gonçalves, Empirical Mode Decomposition as a Filter Bank,
IEEE Sig. Proc. Lett., Vol.11, N°2, pp. 112-114 (2004).
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Hilbert Transform and instantaneous frequency
duut
uxvptxH ∫+∞
∞− −=
)()(..1)]([
π)]([()( txHty =
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=+=
=+=
)()(arctan)(and)()()(with
))(exp()()()()(
22
txtyttytxtA
titAtiytxtz
θ
θ
Hilbert transform of a data series x(t) is defined by:
But in most cases the instantaneous frequencyhas no physical meaning
Example
By substituting we can definez(t) as the analytical signal of x(t)
dttdt )()( θω =
ttx sin)( +=α
⇒ Empirical Mode Decompositionset of IMF : (1) equal number of extremaand zero crossings; (2) mean value of the minima and maxima envelopes = 0
from Huang et al
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IMF = Intrinsic Mode Functions
)()()(1
trtimftXn
jnj∑
=
+=
1. Initialize : r0(t) = X(t), j=12. Extract the j-th IMF:
a) Initialize h0(t) = rj(t), k=1b) Locate local maxima and minima of hk-1(t)c) Cubic spline interpolation to define upper and lower
envelope of hk-1(t)d) Calculate mean mk-1(t) from upper and lower enve-
lope of hk-1(t)e) Define hk(t) = hk-1(t) - mk-1(t)f) If stopping criteria are satisfied then imfj(t) = hk(t)
else go to 2(b) with k=k+13. Define rj(t) = rj-1(t) - imfj(t) 4. If rj(t) still has at least two extrema then go to 2(a) with
j=j+1, else the EMD is finished5. rj(t) is the residue of x(t)
The Empirical Mode Decomposition (sifting process)
⇒A typicalIMF
from Huang et al
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Empirical Mode Decomposition: Analysis and Reconstruction
Analysis Synthesis
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Empirical Mode Decomposition: Hilbert spectrum
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Results of the EMD
Empirical Mode Decompositionof time-series from probe A7
HF bursts: 6 – 22 MHz
Evidences of osc. in the Ion transit time inst. freq. domain
Breathing oscillations: ~ 25 kHz
Strongly correlatedwith low frequencyoscillations →
⇐
⇐
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Hilbert spectra
HF bursts : ~ 6 – 11 – 22 MHz
Low frequency oscillations:- breathing mode (top)- bursts in the ion transit time frequency range
HF bursts start mainly on a negative slope of Id withmaximum amplitude ~ inflexion point ↔ minimum of Vfland maxima of ne and Ez (A. Lazurenko)
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Comparison with wavelet time-frequency analysis
Morlet → freq. = 375/scale ⇒ 33 ↔ 11.4 MHz
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Marginal Hilbert spectrum vs Fourier spectrum
Because of the strongnonlinearity of HF oscillations the Fourier spectrum exhibits manypeaksAll these peaks do not correspond to actual modes
A peak in the marginal Hilbert spectrumcorresponds to a whole oscillation around zero
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Conclusions