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Estudio en Alta Resolución de Regiones Activas Solares  a través de Técnicas de Diversidad de Fase La Laguna - Tenerife,  Septiembre de 2006 Santiago Vargas Domínguez PROYECTO DE TESIS DOCTORAL Directores:  Jose A. Bonet  &  Valentín Martínez Pillet
Contenido ,[object Object],[object Object],[object Object],2. Objetivos 3.  Metodología 3.1   Observaciones 3.2  Reducción y tratamiento de los datos 3.3  Análisis y resultados 4.  Plan de trabajo
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1.1 Restauración de imágenes solares Blurring:  Pérdida de detalle en las estructuras.  Movimientos de imagen:  Desplazamientos  globales de la imagen. Stretching:  Distorsión de las estructuras causadas por movimientos diferenciales en diferentes partes de la imagen.
A feeling on the   influence   of the telescope aperture, the AO  and the restoration  codes SVST (ORM) Ø50 cm AO  non active Jul 7, 1999 G-band 4305 Å Rebined x2 to have 0.041”/pix SST (ORM) Ø100 cm AO active Jul 15, 2002 G-band 4305  Å pix=0.041” Both images restored with Phase diversity before  after restoration SST (ORM) Ø100 cm AO active  + PD correction Sep   30 , 200 3 G-band 4305  Å pix=0.041”
Formación de imagen con luz incoherente Point Spread   Function (PSF)
El problema inverso La restauración de imágenes son un caso particular del llamado problema inverso  en Física que en general se refiere a la solución de la ecuación integral inhomogénea de Fredholm de primer orden. where  es el kernel en la integral En nuestro caso particular ésta es una ecuación de convolución que se conoce frecuentemente  como una  deconvolución.
Image formation  (formal problem) Imaging through turbulence with incoherent illumination The earth atmosphere is a turbulent medium varying randomly at at a time rate  of a few milliseconds. Short exposure (a few milliseconds) : Solar imaging can be performed with short exposure but  the instantaneous  cannot be predicted by theoretical models Long exposure (seconds to hours) : can be predicted by theoretical models or measured by using a calibration point source Optical Transfer Function (OTF)
The formal solution of the problem is quite simple if  is known:   Restoration of the observed scene (formal problem) The retrieval of the ´´true´´ object implies the restoration of both  amplitude and phase of the observed scene  (i.e.  has to be entirely characterized: modulus and phase). Note that we can only get an estimate of the true object:  ideal telescope  empirical short exposure (8 ms)  long exp. (atm.model + ideal tel.) image deconvolution
Image formation  (real problem) Any observed image will contain noise: photon noise, reading noise, etc... Noise uncorrelated with the level of the signal is often a good approximation. Thus, for a fixed time (short exposure): And the restoration gives: The term  represents an amplification of the noise Disastrous effect particularly at high frequencies where the SNR is small. Therefore, noise filtering is demanding  prior to any restoration process:
The “optimum” noise filter, is a  real function which weights  according to its SNR at each frequency  Condition defining the filter: (where  ε  denotes the residual error),  and by  substitution  of  results:  Considering that  i ( q ) and  n ( q ) are not correlated, and developing the squared modulus: A standard calculus of variations leads to: or equivalently: The non correlation between  i ( q ) and  n ( q ) has allowed to use:
Thus, the filter is a weighting real function determined by  the ratio of power between the observed signal  and the noise  Dibujo a mano alzada del filtro Y 3 panels de la fig. De la tesis e Monica Decir aqui lo de os modelos suaves analiticos
The “optimum” restoration filter,  Combining noise filtering and deconvolution we get the  optimum restoration filter  also known as the  Wiener-Helstrom filter: where  is the signal-to-noise ratio But neither  nor even an estimate of it, are known a priori. Just the goal of our global problem is precisely to determine  !!!! To circumvent this problem some models for SNR( u ) are often used, e.g.:  Model 1:  SNR( u ) =  C  (constant fixed by trial & error) Model 2:  Note that the azimuthal symmetry assumed in these models is not necessarily true.
Straightforward   calculation of  from the equation:  A nice property of the convolution of  h(x)  with a given function  f(x)  : Applying this property to  i(x, 0 )  : Once  has been determined the calculation of its Fourier transform gives: Which is the section of the desired OTF along the x-frequency axis. Assuming azimuthal symmetry, a estimate  of the OTF is obtained by rotation of  .
Diversidad de Fase   The method is based on  at least two  simultaneous images of the same object: Conventional  focal-plane image Simultaneous image with a  known  extra aberration called:  phase diverse unknown unknown known A defocus is the simplest way to induce a known aberration Outputs of the method: Phase retrieval  (wavefront sensing). Image restoration.
Mathematical formulation of the problem Image formation of extended incoherent objects: 2 unknowns : Noise terms imply a statistical solution to the problem.  A maximum-likelihood estimate of the object in case of Gaussian noise leads  to the solution of the following least-squares error fit :
The error metric in the Fourier domain: OTF Generalized pupil function Joint  phase aberration  caused by telescope and turbulence
In principle, numerical non-linear optimization techniques are suitable to minimize but there are too many unknowns !!!  N  x  M   pix in and  J   aberr.coeffs in  Fortunately, part of the minimization of  can be done analytically !!! substitution in  gives a modified error metric: Object estimate Modified error metric where the only explicit unknowns are the J  aberr.coeffs.  α Minimization of  wavefront sensing
Minimization of  : posing the problem The conditions of minimum with respect to the free parameters defining the model of  S  :  (the aberration coeffs.), give rise to a  non-linear system of equations : ( J  equations)
Linearization  of the problem A more compact notation: A Taylor´s series expansion of  E  around  α  gives:
Defining the inner-product of two functions as: the conditions of minimum can be expressed in matricial form: In compact form: The cost of linearizing the system of equations - swapping of unknowns:  α  by   δ α - need to proceed iteratively:  ( n -th iter.)
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Thomas et al. (2002) Tubos de flujo (flux tubes)
Flujo Evershed Normal, a  nivel fotosférico : Flujos horizontales predominantemente radiales de la mancha hacia sus alrededores. Inverso, a  nivel cromosférico :  El material fluye dirigido hacia la umbra.
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Estudio de regiones activas solares a través de técnicas de diversidad de fase

  • 1. Estudio en Alta Resolución de Regiones Activas Solares a través de Técnicas de Diversidad de Fase La Laguna - Tenerife, Septiembre de 2006 Santiago Vargas Domínguez PROYECTO DE TESIS DOCTORAL Directores: Jose A. Bonet & Valentín Martínez Pillet
  • 2.
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  • 4. 1.1 Restauración de imágenes solares Blurring: Pérdida de detalle en las estructuras. Movimientos de imagen: Desplazamientos globales de la imagen. Stretching: Distorsión de las estructuras causadas por movimientos diferenciales en diferentes partes de la imagen.
  • 5. A feeling on the influence of the telescope aperture, the AO and the restoration codes SVST (ORM) Ø50 cm AO non active Jul 7, 1999 G-band 4305 Å Rebined x2 to have 0.041”/pix SST (ORM) Ø100 cm AO active Jul 15, 2002 G-band 4305 Å pix=0.041” Both images restored with Phase diversity before after restoration SST (ORM) Ø100 cm AO active + PD correction Sep 30 , 200 3 G-band 4305 Å pix=0.041”
  • 6. Formación de imagen con luz incoherente Point Spread Function (PSF)
  • 7. El problema inverso La restauración de imágenes son un caso particular del llamado problema inverso en Física que en general se refiere a la solución de la ecuación integral inhomogénea de Fredholm de primer orden. where es el kernel en la integral En nuestro caso particular ésta es una ecuación de convolución que se conoce frecuentemente como una deconvolución.
  • 8. Image formation (formal problem) Imaging through turbulence with incoherent illumination The earth atmosphere is a turbulent medium varying randomly at at a time rate of a few milliseconds. Short exposure (a few milliseconds) : Solar imaging can be performed with short exposure but the instantaneous cannot be predicted by theoretical models Long exposure (seconds to hours) : can be predicted by theoretical models or measured by using a calibration point source Optical Transfer Function (OTF)
  • 9. The formal solution of the problem is quite simple if is known: Restoration of the observed scene (formal problem) The retrieval of the ´´true´´ object implies the restoration of both amplitude and phase of the observed scene (i.e. has to be entirely characterized: modulus and phase). Note that we can only get an estimate of the true object: ideal telescope empirical short exposure (8 ms) long exp. (atm.model + ideal tel.) image deconvolution
  • 10. Image formation (real problem) Any observed image will contain noise: photon noise, reading noise, etc... Noise uncorrelated with the level of the signal is often a good approximation. Thus, for a fixed time (short exposure): And the restoration gives: The term represents an amplification of the noise Disastrous effect particularly at high frequencies where the SNR is small. Therefore, noise filtering is demanding prior to any restoration process:
  • 11. The “optimum” noise filter, is a real function which weights according to its SNR at each frequency Condition defining the filter: (where ε denotes the residual error), and by substitution of results: Considering that i ( q ) and n ( q ) are not correlated, and developing the squared modulus: A standard calculus of variations leads to: or equivalently: The non correlation between i ( q ) and n ( q ) has allowed to use:
  • 12. Thus, the filter is a weighting real function determined by the ratio of power between the observed signal and the noise Dibujo a mano alzada del filtro Y 3 panels de la fig. De la tesis e Monica Decir aqui lo de os modelos suaves analiticos
  • 13. The “optimum” restoration filter, Combining noise filtering and deconvolution we get the optimum restoration filter also known as the Wiener-Helstrom filter: where is the signal-to-noise ratio But neither nor even an estimate of it, are known a priori. Just the goal of our global problem is precisely to determine !!!! To circumvent this problem some models for SNR( u ) are often used, e.g.: Model 1: SNR( u ) = C (constant fixed by trial & error) Model 2: Note that the azimuthal symmetry assumed in these models is not necessarily true.
  • 14. Straightforward calculation of from the equation: A nice property of the convolution of h(x) with a given function f(x) : Applying this property to i(x, 0 ) : Once has been determined the calculation of its Fourier transform gives: Which is the section of the desired OTF along the x-frequency axis. Assuming azimuthal symmetry, a estimate of the OTF is obtained by rotation of .
  • 15. Diversidad de Fase The method is based on at least two simultaneous images of the same object: Conventional focal-plane image Simultaneous image with a known extra aberration called: phase diverse unknown unknown known A defocus is the simplest way to induce a known aberration Outputs of the method: Phase retrieval (wavefront sensing). Image restoration.
  • 16. Mathematical formulation of the problem Image formation of extended incoherent objects: 2 unknowns : Noise terms imply a statistical solution to the problem. A maximum-likelihood estimate of the object in case of Gaussian noise leads to the solution of the following least-squares error fit :
  • 17. The error metric in the Fourier domain: OTF Generalized pupil function Joint phase aberration caused by telescope and turbulence
  • 18. In principle, numerical non-linear optimization techniques are suitable to minimize but there are too many unknowns !!! N x M pix in and J aberr.coeffs in Fortunately, part of the minimization of can be done analytically !!! substitution in gives a modified error metric: Object estimate Modified error metric where the only explicit unknowns are the J aberr.coeffs. α Minimization of wavefront sensing
  • 19. Minimization of : posing the problem The conditions of minimum with respect to the free parameters defining the model of S : (the aberration coeffs.), give rise to a non-linear system of equations : ( J equations)
  • 20. Linearization of the problem A more compact notation: A Taylor´s series expansion of E around α gives:
  • 21. Defining the inner-product of two functions as: the conditions of minimum can be expressed in matricial form: In compact form: The cost of linearizing the system of equations - swapping of unknowns: α by δ α - need to proceed iteratively: ( n -th iter.)
  • 22. Image formation (real problem) Any observed image will contain noise: photon noise, reading noise, etc... Noise uncorrelated with the level of the signal is often a good approximation. Thus, for a fixed time (short exposure): And the restoration gives: The term represents an amplification of the noise Disastrous effect particularly at high frequencies where the SNR is small. Therefore, noise filtering is demanding prior to any restoration process:
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  • 24. Estructura fina en regiones activas solares Campo magnético que se genera bajo la zona de convección emerge a la superficie en las regiones activas . Manchas solares Poros SST - La Palma
  • 25. Thomas et al. (2002) Tubos de flujo (flux tubes)
  • 26. Flujo Evershed Normal, a nivel fotosférico : Flujos horizontales predominantemente radiales de la mancha hacia sus alrededores. Inverso, a nivel cromosférico : El material fluye dirigido hacia la umbra.
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  • 32. 3.1 Observaciones Se hicieron con la Torre Solar Sueca (SST), La Palma. Apertura: 1 m Distancia focal primaria: 20.35 m Distancia focal secundaria: 45.8 m Escala de imagen: 4.5 /mm AO de bajo orden
  • 33. Diversidad de Fase Setup SST
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  • 40.
  • 41. 3.3 Análisis y Resultados Movimientos de flujo en la penumbra y sus alrededores Técnicas de correlación local (LCT) usando algoritmo de November & Simon (1988) para inferir velocidades horizontales.
  • 42. Mapa de velocidades horizontales
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  • 44. Mapa de velocidades verticales Gránulos explosivos > 24 m/s Sumideros < -8 m/s
  • 46. Evolución de los centros de divergencia
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  • 48. Futuros estudios sobre el tema Analizar más dias de la campaña de 2005 Usar magnetogramas y dopplergramas para inferir las propiedades y comportamiento del campo magnético solar en el campo con la línea neutra.
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  • 51.
  • 52.  
  • 53. ?