合并射电干涉仪和单镜数据是一种怎样的体验?

众所周知,射电干涉仪存在所谓的“short spacing”问题,也就是对大于某个空间尺度的结构不敏感。这在蒋雪健同学的这篇文章中有详细解释。解决这个问题的一个办法,是用单天线射电望远镜(以下简称单镜)观测同一个源,并且最好单镜的口径略大于干涉仪中天线的最小基线长度,这样就可以利用单镜的数据补足干涉仪在低空间频率也就是大尺度上缺失的信息,参见这个知乎回答中的图示

那么问题来了,应该怎么把单镜的数据加入到干涉仪的数据中去?最直接的做法当然就是把两组数据都傅里叶变换,从图像空间变到频域空间,把两者加在一起,再傅里叶逆变换回来。其实其他的更复杂的做法本质上也是这几个步骤。举个例子,下面这幅爱因斯坦-梦露图就是这么做出来的。

Credit: Aude Oliva, MIT
Credit: Aude Oliva, MIT

这样的例子参见radio-astro-tools/uvcombine

实际上,常用的射电处理数据程序,例如AIPS、miriad、GILDAS、CASA都自带了合并两种数据的任务。以CASA为例,它有一个feather任务(类似photoshop里的“羽化”功能)。只要输入一个高分辨率的图像(一般是干涉仪数据),一个低分辨率的图像(可以是单镜,也可以是另一组干涉仪数据),再设置两个参数:低通滤波和单镜调整系数,就可以输出一个合并好的图像。低通滤波是要去掉单镜数据中空间频率超过单镜口径本身的部分,只保留空间频率较低的部分。单镜调整系数是修改单镜数据的流量,使它和干涉仪的流量相吻合。

实际上在CASA中,还有另一种合并的方法,就是在洁化(CLEAN)干涉仪数据时,以单镜数据作为初始的洁图模型(CLEAN model),这样在洁化中使用的洁图模型(洁化位置+洁化振幅)就包含了单镜的信息,随后继续对脏图洁化,直到得到包含了干涉仪和单镜两者信息的洁图模型。以上术语参考了郑兴武老师的课件

以上关于CASA中的数据合并,参见Jens Kauffmann的笔记和他给出的参考文献。Jens Kauffmann的方法包含了feather和使用单镜作为初始洁图模型两步,根据我老板的看法,这两步有可能是重复的,相当于把单镜的信息加入了两次。另外,单镜调整系数可以修正两组数据之间流量定标的差异,所以有必要调整一下。再另外,干涉仪的图像如果是没有主波束校正过的,那么需要先校正一下,使它的流量是正确的,才能和单镜合并。

所以,我简化了Jens Kauffmann的步骤,只使用CASA中的feather方法,并且考虑了单镜调整系数和干涉仪的主波束校正。链接在此。大致的步骤如下:

在对单镜数据做一些处理后,先用CASA自带的casafeather可交互式任务查看两组数据的振幅,在小于单镜口径、大于干涉仪最短基线的范围内比较两者的振幅大小,如下图。

Screenshot-5此处是CSO和SMA的数据,只选取了谱线最强的一个通道的数据。CSO口径10.4米,SMA的最短基线(不考虑投影效应)大概是9米。比较9-10.4米之间的两组数据,发现CSO的流量(绿线)低于SMA(紫线)。

然而,需要注意的是图中画出的是两幅图像的功率谱,而不是真正的uv平面数据。例如,如果选择经过主波束校正的干涉仪图像作为输入,而且包含了主波束半高全宽之外的一些区域,这些区域的流量(本身其实是噪声)经过主波束校正后就会很大,导致干涉仪图像的功率谱偏高。上图中我们就使用了这种图像,导致目测结果是CSO数据的流量偏小。如果对两组数据做主波束校正时去掉所有半高全宽之外的点,再画上面这个图就会发现,实际上CSO和SMA的数据是比较吻合的,应当把单镜调整系数设为1.0。实际上,各种数据的流量定标一般不会有很大的问题,除非确定某一组有明显的流量定标错误,否则使用默认的单镜调整系数1.0就可以了。

另一方面,低通滤波中的单镜口径也可适当调整,以去除来自镜片外缘的灵敏度相对较低的数据,例如把它设为实际天线口径的1/2;参见Koda et al. 2011中的讨论。实际情况中可以尝试几个不同的口径,看看哪个效果更好。

在最后的合并之前,还要把单镜数据与干涉仪的主波束响应卷积,这样位于干涉仪主波束之外的单镜数据就被“压制”了。因为我们合并出的图像是“模拟”了有短基线信息的干涉仪观测结果,所以有必要把干涉仪主波束的“压制”效果也模拟进去。

根据然后在脚本里设置好参数,用feather任务合并。

最后,可以把合并好的数据平滑到和CSO同样的分辨率,检查它们的流量是否一致。此时一般来自高空间频率也就是干涉仪的流量贡献较小,所以合并并且平滑过的数据的流量会约等于或者略大于原始的CSO流量(留意那个1.2倍的调整)。

另外,也可以比较合并好的图像和SMA图像,检查合并的效果。例如,比较两者峰值的流量,看单镜能恢复多少大尺度上的流量;比较两者亮源附近的负数强度的“坑”,看单镜是否可以补足这些坑。

以上我使用的方法受限于CASA feather的功能,也可能遗漏了一些重要的步骤,如果您有任何建议、想法,请不吝赐教,谢谢!

 

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6 Replies to “合并射电干涉仪和单镜数据是一种怎样的体验?”

  1. ZhiyuZhang

    Chrome 43.0.2357.81 MacIntosh

    “目测结果是需要把CSO数据抬高1.2倍,所以把单镜调整系数设为1.2。然后在脚本里设置好参数,用feather任务合并。”
    这里面门道很多啊,你不会期待干涉仪测到的流量比单镜更多的,所以如果发生这种情况,必然是哪里出问题了,例如单镜或者干涉仪的绝对流量定标有问题. 简单地按照强度来做对比然后手动乘以系数, 感觉人为因素太强了。

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