Brevet FR2580819A1 — publié le 19861024

SYSTEME POUR DETECTER LA PRESENCE D'UN SIGNAL PUR DANS UN SIGNAL BRUITE DISCRET MESURE A TAUX MOYEN DE BRUIT CONSTANT AVEC UNE PROBABILITE DE FAUSSE DETECTION INFERIEURE A UN TAUX DE FAUSSE DETECTION PREDETERMINE La présente invention a pour objet un systè- me pour détecter la présence d'un signal pur dans un signal bruité discret mesuré, cette détection étant réalisée avec une probabilité de fausse détection in- férieure à un taux de fausse détection prédéterminé. L'invention concerne la détection des signaux dis- crets, c'est-à-dire les signaux produits par des évè- nements discontinus. L'invention s'applique notamment à la détection des rayonnements corpusculaires tels que les rayons neutroniques ou les rayons gamma. La détection d'un signal pur dans un signal bruité mesuré suppose que l'on peut supprimer le bruit dans ledit signal mesuré. L'invention concerne un procédé de détection lorsque le taux moyen de bruit est constant. Cette condition est pratiquement tou- jours réalisée pour les rayonnements de neutrons car il y a très peu de neutrons libres dans la nature. Elle est également souvent réalisée en un lieu donné pendant une certaine durée de temps pour les rayonne- ments gamma. La détection d'un rayonnement corpusculaire particulier, par exemple nucléaire, se fait en présen- ce d'un bruit corpusculaire ayant plusieurs causes. Dans le cas d'un rayonnement nucléaire, une partie du bruit est due au rayonnement cosmique et l'autre par- tie est due à la radioactivité naturelle des terrains et des roches. Il existe aussi un bruit dû au détec- teur utilisé. Le rayonnement cosmique peut varier au cours du temps et le bruit corpusculaire dû aux roches et au terrain est essentiellement variable, selon le lieu o se fait la mesure. Un rayonnement particulier ne peut donc être détecté que si l'on connait le bruit ou bien si l'on en a une estimation suffisante. Le stockage des informations est effectué pendant une durée de temps limitée AT. Ce stockage des informations se fait de façon discrète: lorsqu'une particule est détectée, Le contenu d'une mémoire est augmenté d'une unité. En général, un ou plusieurs pa- ramètres définissent l'événement nucléaire détecté. Dans le cas o cet événement ne dépend que d'un para- mètre unique, celui-ci peut être par exempte l'éner- gie: c'est le cas typique de la détection d'un rayon- nement gamma à l'aide d'un germanium intrinsèque ou d'un scintillateur NaI associé à un photomultiplica- teur. Ce paramètre unique peut aussi être le temps, par exemple Lorsque l'on mesure le temps de vol d'une particule. La condition de détection peut être égale- ment une fonction logique complexe dépendant de l'état de plusieurs détecteurs durant un intervalle de temps très court, en général de l'ordre de quelques dizaines de nanosecondes, par exemple dans le cas de la détec- tion de particules dans une chambre à bulles. Usuellement, pour savoir si un signal a été détecté à l'aide d'un stockage effectué durant un in- tervalle de temps AT, la pratique courante consiste à apprécier de quelle valeur le comptage obtenu dépasse l'estimation du bruit dont on dispose. Ce bruit peut être estimé de différentes manières. Il peut être connu à l'avance par une mesure faite au préalable dans des'circonstances o l'on est sûr qu'il n'y a pas de signal particulier. IL peut être également apprécié en cours d'expérience en extrapolant ou en interpolant les niveaux du signal détecté dans différents inter- valles, par exemple énergétiques. Pour cela, il faut que le taux de comptage dans les intervalles o l'on est sur qu'il n'y a pas de bruit est suffisant, pour pouvoir faire une estimation de la densité de probabi- lité du bruit dans les intervalles o l'on cherche à détecter un rayonnement particulier. De manière classique, on estime qu'il y a effectivement un signal lorsque le taux de comptage N est tel que N> B+K.4T, o B est le taux moyen de bruit estimé et K une constante égale à quelques uni- tés. Ce critère connu de détection n'est pas sa- tisfaisant car il est empirique, la valeur de K étant choisie de façon non-déterministe en se fondant sur des expériences antérieures. Un but de l'invention est de fournir un système de détection fondé sur un critère rationnel, déduit des lois de probabilité d'apparition du bruit et du rayonnement attendu. La détection selon l'inven- tion présente ainsi l'avantage de ne dépendre que d'un critère objectif. Dans l'art antérieur, un taux de comptage n'est pris en compte que s'il est supérieur au taux moyen de bruit augmenté d'un certain nombre de fois l'écart type r. Selon l'invention, on considère, au contraire, que tout dépassement du taux moyen de bruit constitue une- information sur la présence ou l'absence d'un signal pur. Cette information est faible lorsque la différence entre le taux de comptage et le taux moyen de bruit est faible. Plus la différence entre le taux de comptage et le taux moyen de bruit est important, plus l'infor- mation apportée par la mesure est importante et plus la probabilité de fausse détection est faible. Le critère pratique de détection d'un signal pur est donc l'obtention d'une information suffisante, c'est-à- dire supérieure à un seuil Im, c'est-à-dire une proba- bilité de fausse détection inférieure à un taux de fausse détection prédétermine. La détection selon l'invention consiste donc à comparer la probabilité de fausse détection PF, définie par le taux de comptage N mesuré et une estimation du taux moyen de bruit constant M, à un taux de fausse détection prédétermi*é TF. Un signal pur est détecté si ladite probabilité est inférieure audit taux. Si on connaît la densité de probabilité du nombre d'événements détectés pendant chaque interval- le de temps, ce qui est génér-alement Le cas, La proba- bilité de fausse détection peut être exprimée en fonction du taux de comptage N et du taux moyen de bruit estimé M. Cette densité de probabilité est par exempLe celle de la loi de Poisson pour les rayonne- ments corpusculaires. L'utilisation directe de la relation entre la probabilité de fausse détection PF, le taux de comptage N et le taux moyen de bruit M pourdécider si un rayonnement particulier-est. détecté, peut conduire à des calculs Longs et compliqués, car la probabilité de fausse détection PF est, en général, une fonction complexe-du taux de comptage N et du tawx moyen de bruit M. La durée du calcul peut notamment-d4pendre de la valeur du taux de comptage N et être incompatible avec une détection en temps réel, si La dupée de cha- que comptage est de l'ordre de la seconde par exemple. Pour remédier à cetà, et permettre une dé- tection en temps réel, on se propose d'utiliser, pour chaque valeur du taux de fausse détection TF prédéter- miné, une table contenarrt pour une pluraLft-é de va- leurs de taux de comptage la valeur du tarx moyen de bruit associée telle que La probabilité de fausse détection PF pour ce taux moyen de bruit et ce taux de comptage soit égale au taux de fausse détection prédé- terminé TF. Selon une caractéristique préférée, le taux de comptage N mesuré est utilisé comme index d'entrée dans la table. Le taux moyen de bruit MN contenu dans la table à L'index N est comparé au taux moyen de bruit constant estimé M. Ce dernier peut être calculé de différentes manières. Il peut notamment être pris égal à la moyenne d'un ensemble de taux de comptage précé- dant le dernier taux de comptage mesuré. La comparai- son entre ces taux de bruit est équivalente à la com- paraison entre la probabilité de fausse détection et le taux de fausse détection prédéterminé. De manière générale, le taux moyen de bruit contenu dans la table n'est pas un nombre entier. Il peut alors être avantageux de remplacer la comparaison entre le taux moyen de bruit MN donné par la table et le taux moyen de bruit constant estimé M par une com- paraison entre des valeurs entières fonctions de ces taux moyens de bruit. Par exemple, si le taux moyen de bruit constant estimé M est obtenu en faisant la moyenne de k taux de comptages successifs, il peut être préféra- ble de tabuler l'entier TN le plus proche de k.MN. Le critère de détection porte alors simplement sur la comparaison entre deux entiers: TN correspondant au taux de comptage N, et T=k.M=N1+N2+...+Nk o M est le taux moyen de bruit estimé et N1, N2,... sont les k taux de comptage précédant le dernier comptage. Les caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente schématiquement le système de l'invention, - la figure 2 représente, sous forme d'un organigramme, le fonctionnement du moyen de traitement du système de détection de L'invention, dans le cas o on crée, pour chaque valeur du taux de fausse détec- tion TF, une table contenant à l'index N La valeur du taux moyen de bruit MN, - La figure 3 représente une variante de L'organigramme de la figure 2 Lorsque la valeur conte- nue à l'index N de la table est un entier TN fonction du taux moyen de bruit MN, - la figure 4 est un graphe indiquant, pour différentes valeurs du taux de fausse détection prédé- terminé TF, la présence ou l'absence de signal pur dans le signal bruité mesuré en fonction du taux de comptage N de la dernière mesure et de la somme T des taux de comptage des 64 mesures précédant la dernière mesure, cette somme T étant fonction du taux moyen de bruit connu. L'invention s'applique à tous les rayonne- ments discrets, tels que les rayonnements corpusculai- res, et concernent plus précisément l'analyse du signal délivré par un détecteur pour décider, avec une probabilité de fausse détection inférieure à un taux de fausse détection prédéterminé, si le signal analysé contient un signal pur dû à la présence d'une source particulière ou si ce signal se compose uniquement de bruit. A titre d'exemple, le procédé de l'invention s'applique notamment à la détection des rayons gamma et des rayons neutroniques. L'appareil représenté sur la figure 1 com- prend un détecteur 2, un moyen de mise en forme 4, une échelle de comptage binaire 6 pouvant comprendre no- tamment un convertisseur analogique-numérique, un moyen de traitement 8 et un moyen de signalisation 10. Le détecteur 2 dépend du rayonnement à dé- tecter. Pour la détection de rayons gammas, ce détec- teur peut être un germanium intrinsèque ou un scintil- lateur NaI associé à un photomultiplicateur; pour la détection de neutrons, le détecteur est par exemple un compteur à He3. Le détecteur 2 délivre une impulsion de tension pour chaque événement détecté. Cette impulsion est reçue par le moyen de mise en forme 4. Ce dernier peut comprendre notamment en série un amplificateur, un circuit de mise en forme et un discriminateur. L'échelle de comptage binaire 6 est disposée en aval du moyen de mise en forme 4. Elle compte le nombre d'impulsions délivrées par le moyen 4 pendant une durée de comptage AT. Le moyen de traitement 8 comprend un proces- seur 14, au moins une mémoire 16 et un circuit d'en- trée-sortie 18. Ces éléments sont reliés par une voie comprenant des lignes d'adresses, des lignes de données et des lignes de commande. Le moyen de signalisation 10 est commandé par le processeur 14 à travers le circuit d'entrée- sortie 18 et une voie 21. Il peut comprendre notamment des moyens d'alerte visuels et sonores qui sont dé- clenchés lorsqu'un signal pur est détecté. On va maintenant décrire le fonctionnement du système de détection de l'invention en considérant, à titre d'exemple, le cas de la détection d'un rayon- nement corpusculaire, tel qu'un rayonnement gamma ou un rayonnement neutronique. Le nombre de particules détectées pendant une durée de mesure AT est une va- riable aléatoire dont la densité de probabilité est celle de la loi de POISSON. La probabilité P de détec- ter durant le temps AT, I événements dus aux rayonne- ments particuliers et J événements dus aux bruits est de: I P = e -(MI+M) M1 MJ = e 1 M). _1 XT T o M1 et M sont les taux moyens associés aux variables aléatoires représentant le nombre de particules détec- tées dues au rayonnement particulier et le nombre de particules détectées dues au bruit. La probabilité pour qu'il existe pour N évé- nements détectés, un événement au moins qui soit dO au rayonnement de taux M1 est donc N P1 = P I=1 et la probabilité pour qu'il n'existe dans les N évé- nements détectés aucui événement dO au rayonnement est P2= e(MI1+M) M- N!T La probabilité pour qu'il existe un rayonne- ment particulier, que le stockage N contienne ou non un événement qui lui soit dO, est alors égale à: N'J (P +P2) dM1 N MJ c'est-à-dire eM i J=O la probabilité complémentaire est la probabilité de fausse détection PF qui définit la probabilité pour qu'un rayonnement particulier soit détecté alors qu'aucun rayonnement particulier n'existe. Le système de détection de l'invention com- prend des moyens pour mesurer cette probabilité de fausse détection PF en fonction du taux de comptage N mesuré et du bruit de fond estimé M, et pour comparer cette probabilité à un taux de fausse détection TF prédéterminé. Ce taux de fausse détection doit représenter un compromis acceptable entre le taux de fausse détec- tion supportable par un opérateur au travail, et la distance de la source de rayonnement à partir de la- quelle on souhaite pouvoir détecter cette source. A titre d'exemple, un taux de fausse détection TF de 3 représente à peu près une alarme fausse toutes les 15 mn dans le cas o chaque mesure dure une secon- de. Cette valeur permet à un opérateur marchant à un mètre par seconde de déceler à 1,20 m une activité de 2 pc. La première étape de la détection selon l'invention consiste à créer la table qui définit les couples (N, MN) correspondant à un taux de fausse dé- tection TF prédéterminé. Cette table est constituée d'un ensemble de cellules de mémorisation. La cellule d'index I, o I est un entier, contient un nombre MI tel que la probabilité de fausse détection pour un taux de comptage I et un bruit MI soit égale au taux de fausse détection prédéterminé TF. La deuxième étape de la détection de l'in- vention consiste, pour chaque taux de comptage N mesu- ré, à estimer le taux moyen de bruit M et à comparer ce taux au contenu de la cellule d'index N de la table. On décide qu'un signal correspondant à un rayonnement particulier a été détecté si le taux moyen -de bruit estimé est inférieur au taux moyen de bruit donné par la table. On a représenté sur la figure 2 un organi- gramme illustrant le fonctionnement du système de l'invention. Cet organigramme comporte des opérations représentées par des rectangles à une entrée et une sortie et une interrogation représentée par un losange à une entrée et deux sorties, l'une utilisée en cas de réponse positive et l'autre en cas de réponse négati- ve. L'opération 22 est l'opération de création de la table. Le contenu de cette table dépend du taux de fausse détection TF choisi. La table est stockée dans La mémoire 16. L'étape suivante du procédé de l'invention consiste à mesurer le taux de comptage N pendant une période de mesure. Cette opération porte la référence 24 sur la figure 2. Cette mesure est un simple comptage du nombre d'impulsions délivrées par le détecteur. L'opération 26 suivante est la lecture du contenu MN de la table à l'index N. Ce nombre MN est ensuite compare, dans l'étape d'interrogation 28, au taux moyen de bruit M estimé. Si MN est supérieur à ce taux connu, on décide qu'un rayonnement particulier a été détecté. Dans le cas contraire, on décide que le taux de comptage N est dû uniquement au bruit. L'opération 32 de l'organigramme, qui est effectuée entre les opérations 28 ou 30 et l'opération 24, concerne l'évaluation du taux moyen de bruit M. Celui-ci peut être estimé de différentes manières. De manière préférée, le taux moyen de bruit est calculé en fonction d'au moins un taux de comptage précédem- ment mesuré. Il peut par exemple être défini comme la valeur moyenne de k taux de comptage des mesures pré- cédant la dernière mesure, o k est un entier. Ce calcul conduit à un taux moyen de bruit estimé M en général non entier. De même, les nombres MN contenus dans la table ne sont en général pas des nombres entiers. Le calcul du taux moyen de bruit estimé M et la comparaison entre ce taux et le nombre MN extrait de la table sont donc réalisés sur des nombres réels, ce qui augmente le temps de calcul. De 1 1 plus, la mémorisation des nombres réels MN nécessite une mémoire reLativement importante. SeLon une variante préférée de l'invention, L'étape d'interrogation 28 dans laqueLLe on compare Le taux moyen de bruit estimé M et Le taux MN extrait de La table est remplacée par La comparaison de deux nombres entiers. Ceci permet de simplifier Le traite- ment en éliminant les calcuLs sur des nombres réels et ceci permet de diminuer l'encombrement de La table en mémoire. Dans le cas o Le taux moyen de bruit estimé M est égaL à La vaLeur moyenne de k taux de comptage, La comparaison effectuée dans L'étape 28 peut porter par exemple sur un nombre T égaL à La somme desdits k taux de comptage et sur un nombre TN égal à L'entier le plus proche de k.MN, o MN est le taux de bruit correspondant à une probabiLité de fausse détection prédéterminée TF pour un taux de comptage N. La figure 3 illustre l'organigramme associé au procédé de l'invention correspondant à la table (N, TN). Sur cette figure, les opérations identiques à celles de la figure 2 portent les mêmes références. Les opérations référencées 22a, 26a, 28a et 32a cor- respondent respectivement aux opérations 22, 26, 28 et 32 dans lesquelles T et TN remplacent M et MN. La figure 4 illustre la table de décision utilisée dans le système de l'invention pour différen- tes valeurs du taux de fausse détection TF. Ce graphe porte en abscisse le taux de comptage N de la dernière mesure et en ordonnée la valeur TN égale à la' plus proche valeur entière de 64.M, o M est le taux moyen de bruit pour lequeL la probabilité de fausse détec- tion PF est égale à TF si le taux de comptage est N. Cette ordonnée définit donc, à un facteur multiplica- teur près, pris ici égal à 64 à titre d'exemple, le 2580819' taux moyen de bruit. La détection selon L'invention consiste à comparer La position du point de coordonnée (N, T) à La courbe du taux de fausse détection prédéterminé TF choisi, o T est égalà La somme des 64 derniers taux de comptage précédant La dernière mesure. Si ce point est au-dessus de La courbe, Le taux de comptage est dû uniquement au bruit; dans le cas contraire, te taux de comptage inclut un signat dû à un rayonnement par- ticulier. REVENDICATIONS 1. Système pour détecter la présence d'un signal pur dans un signal bruité discret mesuré à taux moyen de bruit constant, avec une probabilité de fausse détection PF inférieure à un taux de fausse détection TF prédéterminé, comprenant en série un dé- tecteur (2) pour convertir le rayonnement reçu en im- pulsions électriques, un moyen de mise en forme (4), une échelle de comptage binaire (6), un moyen de traitement (8) et un moyen de signalisation (10), ledit moyen de traitement comprenant un processeur (14), au moins une mémoire (16) et un circuit d'en- trée-sortie (18), ledit système étant caractérisé en ce que le processeur est apte à: - mesurer le taux de comptage N pendant des périodes de temps successives égales, - estimer une valeur du taux moyen de bruit M, - calculer la probabilité de fausse détec- tion PF en fonction dudit taux de comptage N et du taux moyen de bruit estimé M, - comparer ladite probabilité au taux de fausse détection TF prédétermine, un signal pur étant détecté si ladite probabilité est inférieure audit taux. 2. Système selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le processeur est apte à: - construire préalablement à toute mesure, une table pour une valeur du taux de fausse détection TF prédéterminé, ladite table étant constituée d'une suite de cellules, la cellule d'index I contenant une valeur MI telle que la probabilité de fausse détection pour un taux de bruit moyen MI et un taux de comptage I est égale au taux de fausse détection, ladite table étant stockée dans la mémoire (16), - comparer après chaque mesure, la valeur MN contenue à l'index N de la table, o N est le taux de comptage mesuré, au taux moyen de bruit estimé M, un signal pur étant détecté si MN >/M. 3. Système selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le processeur est apte à: - construire préalablement à toute mesure, une table pour une valeur du taux de fausse détection TF prédéterminé, ladite table étant constituée d'une suite de cellules, la cellule d'index I contenant une valeur entière TI égale à l'entier le plus proche de k.MT, o k est un entier déterminé et MI est le taux moyen de bruit tel que la probabilité de fausse détec- tion pour ledit taux moyen de bruit et un taux de comptage I est égale au taux de fausse détection, la- dite table étant stockée dans la mémoire (16), - comparer, après chaque mesure, la valeur TN contenue à l'index N de la table, o N est le taux de comptage mesuré, à l'entier T le plus proche de k.M, o M est le taux moyen de bruit connu, un signal pur étant détecté si T >T. 4. Système selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que le processeur (14) évalue le taux moyen de bruit M par la moyenne de k taux de comptage précédant la dernière mesure, o k est un entier.^ 5. Système selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que chaque valeur T de la table est égale à la somme des k taux de comptage précédent la dernière mesure.