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Type: Tese
Title: Implementação online de representação esparsa para reconstrução de energia no calorímetro hadrônico do ATLAS
Author: Paschoalin, Thiago Campos Acácio
First Advisor: Andrade Filho, Luciano Manhães de
Referee Member: Nóbrega, Rafael Antunes
Referee Member: Silva, Leandro Rodrigues Manso
Referee Member: Amaral, Jorge Luís Machado do
Referee Member: Tcheou, Michel Pompeu
Resumo: Nos experimentos de Física de Altas Energias, a reconstrução digital de sinais é uma etapa fundamental para a estimação precisa da energia das partículas produzidas em colisões. Esse problema pode ser formulado, do ponto de vista da Engenharia Elétrica, como uma tarefa de processamento de sinais discretos, envolvendo filtragem, deconvolução e estimação de parâmetros em ambientes fortemente ruidosos. No experimento ATLAS, do Grande Colisor de Hádrons (LHC), o calorímetro hadrônico TileCal utiliza eletrônica dedicada e técnicas de filtragem digital no sistema de trigger para realizar a seleção inicial de eventos em tempo real. Com a atualização do acelerador para o HL-LHC (High Luminosity Large Hadron Collider), o aumento significativo da taxa de eventos simultâneos intensifica o efeito de empilhamento (pile-up), degradando o desempenho dos métodos clássicos de reconstrução baseados em filtragem linear. Esse cenário motiva o estudo de novas abordagens de processamento de sinais capazes de operar sob restrições rigorosas de latência e complexidade computacional. A representação esparsa de sinais tem se mostrado promissora nesse contexto, pois explora a estrutura intrínseca dos sinais para melhorar a estimação em ambientes de alta interferência. Entretanto, sua aplicação prática em sistemas de tempo real é limitada pelo uso de algoritmos iterativos. Este trabalho propõe uma adaptação não iterativa desses métodos, baseada em um filtro de deconvolução seguido por uma rede neural feed-forward, responsável por aplicar uma função de shrinkage com limiar adaptativo definido amostra a amostra. O método proposto foi comparado com técnicas descritas na literatura e apresentou desempenho superior tanto em cenários de baixa quanto de alta ocupação, alcançando reduções de até 54% no erro de reconstrução. A abordagem mantém baixa complexidade computacional e apresenta uma estrutura compatível com processamento em tempo real, tornando-se adequada para implementação em sistemas digitais embarcados, como o sistema de trigger do TileCal.
Abstract: In High Energy Physics experiments, digital signal reconstruction is a fundamental step for the accurate estimation of the energy of particles produced in collisions. From an Electrical Engineering perspective, this problem can be formulated as a digital signal processing task involving filtering, deconvolution, and parameter estimation in highly noisy environments. In the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC), the hadronic calorimeter TileCal employs dedicated electronics and digital filtering techniques in the trigger system to perform real-time event selection. With the accelerator upgrade to the HL-LHC (High Luminosity Large Hadron Collider), the significant increase in the rate of simultaneous events intensifies the pile-up effect, degrading the performance of classical reconstruction methods based on linear filtering. This scenario motivates the investigation of new signal processing approaches capable of operating under strict latency and computational complexity constraints. Sparse signal representation has shown promising results in this context, as it exploits the intrinsic structure of the signals to improve estimation performance in high-interference environments. However, its practical application in real-time systems is limited by the use of iterative algorithms. This work proposes a non-iterative adaptation of these methods, based on a deconvolution filter followed by a feed-forward neural network, which applies a shrinkage function with an adaptive threshold defined on a sample-by-sample basis. The proposed method was compared with techniques reported in the literature and demonstrated superior performance in both low- and high-occupancy scenarios, achieving reductions of up to 54% in reconstruction error. The approach maintains low computational complexity and features a structure compatible with real-time processing, making it suitable for implementation in embedded digital systems, such as the TileCal trigger system.
Keywords: Calorimetria
Física de altas energias
Estimação de energia
Representação esparsa
Rede neural
Calorimetry
High-energy physics
Energy estimation
Sparse representation
Neural network
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: Faculdade de Engenharia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica
Access Type: Acesso Aberto
Attribution 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/20334
Issue Date: 6-Mar-2026
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