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Tipo do documento: Dissertação
Título: Filtragem inversa não-linear para estimação de sinais em calorímetros operando a alta taxa de eventos
Título(s) alternativo(s): Nonlinear inverse filtering for estimation of signals in calorimeters operating at high event rate
Autor: Rimes, Sarita de Miranda 
Primeiro orientador: Peralva, Bernardo Sotto Maior
Primeiro membro da banca: Simas Filho, Eduardo Furtado de
Segundo membro da banca: Domingos, Roberto Pinheiro
Terceiro membro da banca: Nedjah, Nadia
Resumo: Diversas áreas, atualmente, trabalham com problemas onde a estimação de parâmetros se coloca de forma crucial. Muitas vezes, a solução de tais problemas é dificultada pela presença de ruído nos dados observados. Para os casos onde esse ruído é Gaussiano, diversas técnicas lineares são bastante difundidas, porém, quando características Gaussianas são perdidas, a correta descrição do ruído se torna necessária. Em experimentos de física de altas energias, os sistemas de calorimetria são responsáveis por absorver e amostrar a energia de partículas provenientes das colisões. No LHC, com o crescente aumento da luminosidade, o fenômeno de empilhamento de sinais pode ser observado nos canais de leitura dos calorímetros do experimento ATLAS. Tal efeito acrescenta ao ruído, inicialmente apenas eletrônico e Gaussiano, uma componente não-linear que degrada a eficiência de métodos tipicamente empregados. Dessa forma, nesta dissertação, é apresentado um método não-linear baseado em um estimador de máxima verossimilhança utilizando uma distribuição Lognormal para modelar o ruído. Este método, chamado de MLE Lognormal, é comparado a outros três, lineares: OF2, atualmente utilizado no calorímetro de telhas (TileCal) do ATLAS, COF e MLE Gaussiano, o mesmo estimador, porém assumindo uma distribuição Gaussiana para o ruído. Além disso, uma análise sobre a dependência estatística das variáveis aleatórias do sinal é apresentada, utilizando-se a informação mútua presente nestas e a técnica da ICA para pré-processamento. Várias condições de ocupação e luminosidade foram consideradas nas análises e foi possível observar que a distribuição Lognormal apresenta um ajuste melhor aos dados de ruído quando comparada à distribuição Gaussiana. As análises de eficiência dos métodos condizem com tais observações. Foram observadas melhoras de 3,14%, 28,17% e 3,23% para o MLE Gaussiano, OF2 e COF, nos dados simulados, e 5,39%, 26,59% e 8,34%, nos dados reais, respectivamente. Também foi possível notar alta correlação entre as amostras do ruído, percebendo-se uma expressiva diminuição da dependência estatística entre as variáveis aleatórias após a aplicação da ICA, com redução, neste parâmetro, de 13,26% para 7,00% nos dados simulados e de 18,13% para 4,44% nos dados reais.
Abstract: Currently, several areas deal with parameter estimation problems as a crucial step. Often, the solution of such problems is challenged by the presence of noise in the observed data. For cases where the noise is Gaussian, several linear techniques are extensively used, however, when Gaussianity properties are lost, a proper noise description is required. In high-energy experiments, the calorimeter systems are responsable for absorbing and sampling the energy from particled produced by collisions. In the LHC, with the increase of its luminosity level, the signal pile-up effect can be observed in the readout channels from the calorimeter systems in the ATLAS experiment. Such effect introduces a nonlinear component to the noise which was previously modeled by a Guassian distribution, degrading the efficieny of typical energy estimation methods. Therefore, in this work, a nonlinear method based on the Maximum Likelihooh Estimatior (MLE) that uses a Lognormal model for the noise is presented. The performance from the proposed method, called MLE Lognormal, is compared with thre other linear methods: OF2, which is currently used in the ATLAS main hadronic calorimeter (TileCal), COF and MLE Gaussian, which assumes a Gaussian noise for the MLE. Additionally, an analysis on the statistical dependence of the noise random variables is presented, using the ICA technique as a pre-processing in order to cope with the statistical dependency. Several channel occupancy conditions and luminosity were considered where it was possible to observe that the Lognormal distribution presents a better fitting when compared to the Gaussian approach. The performance achieved by the methods are consistent with such observations. Improvements of 3.14%, 28.17% and 3.23% were observed for the MLE Gaussian, OF2 and COF, in the simulated data, and 5.39%, 26.59% and 8.34%, in the real data, respectively. It was also possible to assess the statistical dependence between the noise time samples, where the ICA can be a promising alternative to decrease the mutual information between the noise samples. Reductions from 13.26% to 7.00% in the simulated data and from 18.13% to 4.44% in the real data were observed in this parameter.
Palavras-chave: Maximum likelihood estimators
High-energy calorimetry
Calorimetria
Ruído lognormal
Estimadores de máxima verossimilhança
Calorimetria de altas energias
Parameter estimation
Lognormal noise
Processamento de sinais
Métodos de simulação
Estimativa de parâmetros
Ruído
Área(s) do CNPq: CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::MATEMATICA::MATEMATICA APLICADA::ANALISE NUMERICA
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Sigla da instituição: UERJ
Departamento: Centro de Tecnologia e Ciências::Instituto Politécnico
Programa: Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional
Citação: RIMES, Sarita de Miranda. Filtragem inversa não-linear para estimação de sinais em calorímetros operando a alta taxa de eventos. 2021. 86 f. Dissertação (Mestrado em Modelagem Computacional) - Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Nova Friburgo, 2021.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/16415
Data de defesa: 26-Fev-2021
Aparece nas coleções:Mestrado em Modelagem Computacional

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