Contribution to the wavelet theory: Application to edge plasma turbulence in tokamaks and to dimensional measurement of targets
Contribution à la théorie des ondelettes : application à la turbulence des plasmas de bord de Tokamak et à la mesure dimensionnelle de cibles
Abstract
The necessary scale-based representation of the world leads us to explain why the wavelet theory is the best suited formalism. Its performances are compared to other tools: R/S analysis and empirical modal decomposition method (EMD). The great diversity of analyzing bases of wavelet theory leads us to propose a morphological approach of the analysis. The study is organized into three parts.
The first chapter is dedicated to the constituent elements of wavelet theory. Then we will show the surprising link existing between recurrence concept and scale analysis (Daubechies polynomials) by using Pascal's triangle. A general analytical expression of Daubechies' filter coefficients is then proposed from the polynomial roots.
The second chapter is the first application domain. It involves edge plasmas of tokamak fusion reactors. We will describe how, for the first time on experimental signals, the Hurst coefficient has been measured by a wavelet-based estimator. We will detail from fbm-like processes (fractional Brownian motion), how we have established an original model perfectly reproducing fBm and fGn joint statistics that characterizes magnetized plasmas. Finally, we will point out the reasons that show the lack of link between high values of the Hurst coefficient and possible long correlations.
The third chapter is dedicated to the second application domain which is relative to the backscattered echo analysis of an immersed target insonified by an ultrasonic plane wave. We will explain how a morphological approach associated to a scale analysis can extract the diameter information
La nécessaire représentation en échelle du monde nous amène à expliquer pourquoi la théorie des ondelettes en constitue le formalisme le mieux adapté. Ses performances sont comparées à d'autres outils : la méthode des étendues normalisées (R/S) et la méthode par décomposition empirique modale (EMD).
La grande diversité des bases analysantes de la théorie des ondelettes nous conduit à proposer une approche à caractère morphologique de l'analyse. L'exposé est organisé en trois parties.
Le premier chapitre est dédié aux éléments constitutifs de la théorie des ondelettes. Un lien surprenant est établi entre la notion de récurrence et l'analyse en échelle (polynômes de Daubechies) via le triangle de Pascal. Une expression analytique générale des coefficients des filtres de Daubechies à partir des racines des polynômes est ensuite proposée.
Le deuxième chapitre constitue le premier domaine d'application. Il concerne les plasmas de bord des réacteurs de fusion de type tokamak. Nous exposons comment, pour la première fois sur des signaux expérimentaux, le coefficient de Hurst a pu être mesuré à partir d'un estimateur des moindres carrés à ondelettes. Nous détaillons ensuite, à partir de processus de type mouvement brownien fractionnaire (fBm), la manière dont nous avons établi un modèle (de synthèse) original reproduisant parfaitement la statistique mixte fBm et fGn qui caractérise un plasma de bord. Enfin, nous explicitons les raisons nous ayant amené à constater l'absence de lien existant entre des valeurs élevées du coefficient d'Hurst et de supposées longues corrélations.
Le troisième chapitre est relatif au second domaine d'application. Il a été l'occasion de mettre en évidence comment le bien-fondé d'une approche morphologique couplée à une analyse en échelle nous ont permis d'extraire l'information relative à la taille, dans un écho rétrodiffusé d'une cible immergée et insonifiée par une onde ultrasonore
Keywords
Approximations
Details
Resolution
QMF filters
Daubechies coefficients
Analysis
Reconstruction
Precursor
Mallat algorithm
Convolution
Decimation
Mirroring
Orthogonalization
Gram Schmidt
Boundary filters
Complexity
Empirical Modal Decomposition
R/S method
Detrended fluctuations Analysis
Fractal
Self-similarity
Plasma
Fractional Gaussian noise
Fractional Brownian motion
Ultrasound
Wavelets
Heisenberg uncertainty principle
Time-frequency tiles
Vanishing moments
Regularity
Compact support
Scaling function
Wavelet function
Ondelettes
Principe d'incertitude de Heisenberg
Pavage temps-fréquence
Moments
Régularité
Support compact
Fonction d'échelle
Fonction d'ondelette
Filtre QMF
Coefficients de Daubechies
Analyse
Précurseur
Algorithme de Mallat
Symétrisation
Orthogonalisation
Filtres frontières
Complexité
Décomposition modale empirique
Méthode R/S
Analyse des fluctuations redressées
Auto-similarité
Bruit Gaussien fractionnaire
Mouvement Brownien fractionnaire
Ultrason
Plasmas (gaz ionisés) -- Turbulence
Analyse dimensionnelle