Détection et rapport signal à bruit

La détection d'un phénomène, comme par exemple une raie spectrale, nécessite de pouvoir distinguer le signal par rapport à ce qui n'est pas du signal, appelé bruit s'il présente un caractère aléatoire. On exprime ceci par un rapport, le rapport signal à bruit, d'autant plus important que le signal est fort par rapport au bruit.

Allure d'une raie en absorption, observée à différents rapports signal à bruit. La détection commence à être possible avec un rapport signal à bruit supérieur à 5. L'échelle spectrale est donnée en vitesse (km/s), centrée sur la raie.

Crédit : ASM

Biais

Il ne faut pas confondre un signal parasite, ou biais observationnel, avec un bruit. Le biais qui affecte le signal possède des propriétés qui le distinguent tout à fait d'un bruit.

Exemple de biais. Un défaut dans le système de pointage du télescope est mis en évidence sur une cible atypique (alpha du Centaure, extrêmement brillant). Il s'ensuit une signature spectrale parasite à 3.1 mHz et à ses harmoniques.

Crédit : ESO

Un biais très commun est un offset, càd un décalage du signal dû au fait que le niveau zéro du signal physique et le niveau zéro de sa traduction en signal électrique ne coïncident pas.

Exemple d'offset, sur une image simulée de Jupiter dans l'infrarouge thermique. Les courbes orange et rouge sont des coupes de l'image ; elles représentent le flux (unité arbitraire) en fonction du numéro de pixel. Le fond de ciel, qui devrait être à zéro, ne l'est pas.

Crédit : ASM

Bruits et signaux

L'astronomie regorge d'exemple de bruits devenus des signaux célèbres à partir du moment où leurs caractéristiques ont été identifiées.

• Le bruit remarqué par les radioastronomes dans toutes les directions d'observations, a été identifié par Penzias et Wilson en 1965 comme étant le rayonnement à 3 K du fond cosmologique
• Le bruit des observations de la photosphère solaire dans les années 1970 s'est révélé un signal acoustique très régulier, signature des modes d'oscillation du soleil. Aujourd'hui, plus de 10 millions de modes d'oscillations ont été identifiés, si bien que l'on connaît très précisément l'intérieur du Soleil.

La carte du rayonnement du fond cosmologique, observée par le satellite Cobe, représentée en coordonnées galactiques. Les couleurs codent les fluctuations par rapport à la température moyenne 2.728 K

Crédit : NASA

Spectre des modes d'oscillations du Soleil, avec des périodes voisines de 5 minutes. Observation de l'instrument Golf à bord de Soho.

Crédit : SOHO

Qualitativement

Le bruit de la circulation qui vous empêche d'entendre ce que dit votre ami(e) dans la rue, c'est du bruit... et ce que vous dit votre ami(e) a priori du signal. Mais une voiture qui accélère, est-ce vraiment un bruit, ou un signal parasite ? Par analogie, la lumière du ciel diurne qui empêche de voir les étoiles de jour est-elle un bruit, un signal parasite ?

Signal, bruit

Tout observation va comporter, en plus du signal, des perturbations à ce signal. Ces dernières résultent principalement de deux causes, intrinsèques et extrinsèques :

• Intrinsèquement, la nature même de la physique du signal implique l'existence de fluctuations (voir p.ex. comment l'arrivée des photons construit le bruit de Poisson).
• Par ailleurs, les conditions d'observation superposent au signal diverses autres contributions : signaux parasites, biais ou bruits.

Exemple de biais : le niveau de biais d'une image numérique prise avec une caméra CCD peut provenir du signal généré par la tension d'alimentation appliquée au détecteur.

Les propriétés d'un bruit

On découvre par la suite deux types de bruit plus spécialement importants, obéissant à des statistiques poissonniennes ou gaussiennes.

Exemples

La distinction entre bruit et signal parasite est parfois complexe. On peut prendre l'exemple du courant d'obscurité d'un détecteur, qui se superpose au flux observé.

Sa valeur moyenne est parfaitement quantifiable (tant de photoélectrons par pixel et par seconde), ce qui montre qu'il s'agit là d'un signal, parasite certes mais avec les propriétés d'un signal.

La vraie composante de bruit concerne les fluctuations de ce courant d'obscurité.

Identification d'un offset

A l'aide de l'appliquette, estimer l'offset affectant cette image de Jupiter dans l'infrarouge thermique.