Estimation du bruit instrumental de capteurs géophysiques : Modélisation et évaluation des méthodes standards

Présentation de S. Olivier (CEA/DAM/DIF/DASE) aux 2èmes Rencontres Scientifiques et Techniques Résif | 12-14 octobre 2015, La Grande Motte

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1. ESTIMATION DU BRUIT INSTRUMENTAL DE CAPTEURS GÉOPHYSIQUES : MODÉLISATION ET ÉVALUATION DES MÉTHODES STANDARDS 12 OCTOBRE 2015 CEA, DAM, DIF, DASE | T. CHARLET, S. OLIVIER OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 1 CEA | 10 AVRIL 2012
2. INTRODUCTION Contexte   Métrologie des capteurs :   Fonction de transfert en phase et en amplitude   Bruit instrumental   Difficulté avec le bruit instrumental :   Inférieur au Peterson NLNM   Mesure capteur bloqué impossible   Méthodes de calcul   Avec 2 capteurs   Avec 3 capteurs OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 2 CEA | 12 Octobre 2015 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 0,1 1 10 dB Ref Sensibilité en V/m/s Fréquence en Hz 0 90 180 0,1 1 10 Phase en degrés Fréquence en Hz Mesure délicate
3. INTRODUCTION Contexte et objectif   Estimation du bruit instrumental :   Ça marche bien ! OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 3 CEA | 12 Octobre 2015
4. INTRODUCTION Contexte et objectif   Estimation du bruit instrumental :   Ça marche bien !   Mais pas toujours…   Nécessité d’évaluer ces méthodes   Objet de cette présentation OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 4 CEA | 12 Octobre 2015
5. MODÈLES ET HYPOTHÈSES DES MÉTHODES OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 5 CEA | 10 AVRIL 2012
6. MÉTHODE DEUX CAPTEURS Hypothèses   Sismomètres suffisamment proches => cohérence entre les signaux d’entrée.   Deux capteurs supposés identiques.   Axes des capteurs parfaitement alignés. OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 6 Holcomb : Bruit localisé : Bruits distribués : =  ​1/2 (11+22)−√⁠​1/4 ​ (11−22)↑2 +|12²|  avec N = N1 = N2 =​22/2  (1−) 11=11(​1/√⁠  −1) (idem pour N22) Modèle Formule [Holcomb , US Geol. Surv. Open File Rept., 1989] [Merchant, Hart, Sandia Report SAND2011-8265, 2011] CEA | 12 Octobre 2015
7. MÉTHODE TROIS CAPTEURS OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 7 Intérêt   Métrologie : bruit de chaque capteur Hypothèses   Sismomètres suffisamment proches => cohérence entre les signaux d’entrée.   Axes des capteurs parfaitement alignés.   Aucune supposition sur les fonctions de transfert des capteurs. Modèle Formules   =  −∗  ​/     ≠≠ [Sleeman & al., Bull. Seismol. Soc. Am. 96, 2006] CEA | 12 Octobre 2015
8. PRINCIPE DES SIMULATIONS OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 8 CEA | 10 AVRIL 2012
9. PRINCIPE DES SIMULATIONS OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 9 CEA | 12 Octobre 2015
10. MÉTHODE DEUX CAPTEURS OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 10 CEA | 10 AVRIL 2012
11. M2C : SIMULATION AVEC DES BRUITS IDENTIQUES Principe de la simulation : OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 11 CEA | 12 Octobre 2015   Utilisation d’un bruit blanc pour avoir une cohérence constante   Augmentation du niveau des bruits (réduction du rapport S/B)
12. M2C : SIMULATION AVEC DES BRUITS IDENTIQUES OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 12 CEA | 12 Octobre 2015 Comparaison entre les méthodes   Biais systématique   Estimateur DSP   Correction possible   Répétabilité   Biais max
13. Utilisation de capteurs infrasons identiques : 2 MB2005 M2C : MESURE OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 13 CEA | 12 Octobre 2015 Erreur de l’estimateur Dans le cas de deux capteurs identiques, en respectant les hypothèses de départ, on retrouve le bruit intrinsèque. Évaluation par la méthode deux capteurs (Sandia et Holcomb) Faible cohérence : - Holcomb : > 5 dB - Distribués : < 0,8 dB
14. M2C : SIMULATION AVEC DES BRUITS DIFFÉRENTS Principe de la simulation :   Tolérances de fabrication => capteurs forcément différents OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 14 CEA | 12 Octobre 2015   Utilisation d’un bruit blanc pour avoir une cohérence constante   Diminution du niveau d’un bruit
15. M2C : SIMULATION AVEC DES BRUITS DIFFÉRENTS OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 15 CEA | 12 Octobre 2015 Écart mesuré similaire à celui donné par les simulations 20 dB 4 dB Erreur par rapport au bruit (généré) moyen Erreur par rapport au bruit (généré) le plus élevé
16. MÉTHODE 2 CAPTEURS Conclusion   Respect des hypothèses d’utilisation   Modèle des bruits distribués plus stable   Biais systématique corrigeable   Biais max   Répétabilité Estimation de l’incertitude   Erreur de fabrication OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 16 CEA | 12 Octobre 2015
17. MÉTHODE TROIS CAPTEURS OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 17 CEA | 10 AVRIL 2012
18. M3C : SIMULATION AVEC DES BRUITS IDENTIQUES Principe de la simulation : OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 18 CEA | 12 Octobre 2015   Utilisation d’un bruit blanc pour avoir une cohérence constante   Augmentation du niveau des bruits
19. Résultats M3C : SIMULATION AVEC DES BRUITS IDENTIQUES OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 19 CEA | 12 Octobre 2015   Biais systématique   Éstimateur DSP   Correction possible   Répétabilité   Biais max
20. M3C : SIMULATION AVEC DES BRUITS DIFFÉRENTS OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 20 CEA | 12 Octobre 2015 Principe de la simulation   Augmentation de l’écart entre les bruits bleu et rouge (flèches blanches)   Pour chaque écart : balayage par pas de 1dB de l’espace entre les bruits extrêmes (flèches grises) Δ1 Δ2
21. Résultats M3C : SIMULATION AVEC DES BRUITS DIFFÉRENTS OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 21 CEA | 12 Octobre 2015
22. Utilisation de capteurs infrasons : 2 MB2005 et 1 MB3 M3C : EXPÉRIENCE OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 22 CEA | 12 Octobre 2015
23. MÉTHODE 3 CAPTEURS Conclusion   Respect des hypothèses d’utilisation   Biais systématique corrigeable   Biais max, répétabilité   Estimation de l’incertitude   Capteurs différents   Erreur non maîtrisée pour les bruits les plus faibles   Quid de l’intérêt de la méthode ?   Modélisation des erreurs pour correction ? OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 23 CEA | 12 Octobre 2015
24. INFLUENCE DE L’ALIGNEMENT OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 24 CEA | 10 AVRIL 2012
25. ALIGNEMENT : SIMULATIONS Principe :   En pratique => hypothèse sur l’alignement difficilement maîtrisable OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 25 CEA | 12 Octobre 2015
26. Résultats ALIGNEMENT : SIMULATIONS OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 26   Effet de l’alignement dès 0,5 ° dans ce cas   Défaut d’alignement de 2 ° 15 dB à 0,3 Hz   Dépendance au niveau de bruit   Prévoir une correction CEA | 12 Octobre 2015
27. Résultats   Mise en évidence de l’influence de la rotation   Mais pas d’explication complète ALIGNEMENT : CORRECTION OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 27 CEA | 12 Octobre 2015 Effets supplémentaires non expliqués Réduction du pic de houle
28. ESTIMATION SUR DES CAPTEURS SISMIQUES OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 28 CEA | 10 AVRIL 2012
29. BRUIT D’UN CAPTEUR STS2.5, MÉTHODE 2 CAPTEURS OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 29 CEA | 12 Octobre 2015
30. OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 30 CEA | 12 Octobre 2015 BRUIT D’UN CAPTEUR STS2.5, MÉTHODE 2 CAPTEURS
31. OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 31 CEA | 12 Octobre 2015 BRUIT D’UN CAPTEUR T240, MÉTHODE 2 CAPTEURS
32. OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 32 CEA | 12 Octobre 2015 BRUIT D’UN CAPTEUR T240, MÉTHODE 2 CAPTEURS
33. CONCLUSION OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 33 CEA | 10 AVRIL 2012
34. CONCLUSION Méthode trois capteurs :   ATTENTION : Trois capteurs identiques Méthode deux capteurs :   Bruits distribués Estimateur le plus « stable »   Estimateur de la DSP : biais systématique Alignement :   Forte influence mais corrections possibles Perspectives :   Estimation des incertitudes   Méthode d’estimation du bruit : +/- 0,5 dB   Répétabilité du calcul : +/- 0,1 dB   Fabrication du capteur : +/- 0,4 dB OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 34 CEA | 12 Octobre 2015
35. DAM DASE STMG Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives Centre DAM Ile de France | 91297 ARPAJON CEDEX T. +33 (0)1 69 26 50 88 Etablissement public à caractère industriel et commercial | R.C.S Paris B 775 685 019 OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 35 CEA | 10 AVRIL 2012 MERCI DE VOTRE ATTENTION
36. ALIGNEMENT : MESURE OCTOBRE 12, 2015 CEA | 12 Octobre 2015 | PAGE 36
37. Simulation :   Alignement puis rotation par rapport à un axe   Mise en évidence de l’erreur d’orthogonalité : alignement optimal différent pour chaque axe   Correction possible ERREUR D’ORTHOGONALITÉ OCTOBRE 12, 2015 | PAGE 37 CEA | 12 Octobre 2015