2018-04-02 13:31:52 +03:00

446 lines
16 KiB
TeX
Raw Blame History

This file contains ambiguous Unicode characters

This file contains Unicode characters that might be confused with other characters. If you think that this is intentional, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal them.

\documentclass[10pt,pdf,hyperref={unicode}]{beamer}
\hypersetup{pdfpagemode=FullScreen}
\usepackage{lect}
\title{Регистрация излучения и информация, в нем содержащаяся}
\date{24 марта 2018 года}
\begin{document}
% Титул
\bgroup\setbeamercolor{normal text}{bg=black}
\begin{frame}
\maketitle
\end{frame}\egroup\logo{}
% Содержание
\begin{frame}
\tableofcontents
\end{frame}
\section{<<Декомпозиция>> излучения: 3D, 4D данные}
\begin{frame}{<<Декомпозиция>> излучения: 3D, 4D данные}
\only<1,2>{\begin{block}{}
Излучение: 4 степени свободы (координаты на изображении, частота, время).
3D data cubes (FITS-files): слайсы по времени (быстропеременные объекты, lucky images,
speckle\dots) или по частоте (VPHG, IFP, средне- и широкополосные фильтры).
\end{block}}
\only<1>{\img[0.8]{lucky_stack}}
\only<2>{\img{speckleflow}}
\only<3>{\cols{\col{0.5}\begin{block}{}
Излучение: 4 степени свободы (координаты на изображении, частота, время).
3D data cubes (FITS-files): слайсы по времени (быстропеременные объекты, lucky images,
speckle\dots) или по частоте (VPHG, IFP, средне- и широкополосные фильтры).
\end{block}
\col{0.5}\vspace*{-1em}\img[0.85]{IFPstack}}}
\only<4>{\img[0.8]{VPHGstack}}
\end{frame}
\section{Диспергирующие системы}
\begin{frame}{Диспергирующие системы: призмы}
%\begin{block}{}
%\end{block}
\only<1>{\img[0.75]{Fraunhofer_spectroscope}1814, спектроскоп Йозефа фон Фраунгофера}
\only<2>{\img{prism_spectrometer}}
\only<3>{\img[0.9]{prism_spectrometer_sch}}
\only<4>{\img{prism_monochr}}
\end{frame}
\begin{frame}{}
\begin{block}{}
1872, первый спектр Веги на фотопластинке. С 1918 по 1924~г. вышел каталог HD в честь Дрэпера
(изначально 225300 звезд, Эдвард Пикеринг сотоварищи, наблюдения в гарвардской обсерватории с
объективной призмой).
\end{block}
\img{Drapers_spectra}
\end{frame}
\begin{frame}{Бесщелевые спектры}
\only<1>{\begin{block}{}
Николас Мейол, 1930-е.
\end{block}
\img{slitless_schematic}}
\only<2>{\img{slitless}}
\end{frame}
\begin{frame}{Дифракционная решетка}
\only<1>{\img[0.8]{Fraunhofer_grating}Нитяная решетка Фраунгофера}
\only<2>{\img[0.9]{Diffraction_Grating_Equation}}
\only<3>{\img[0.9]{diffraction_image006}}
\only<4>{\img[0.95]{Large_Diffraction_grating}}
\only<5>{\img[0.9]{Czerny-turner_monochr}Монохроматор Черни--Т\"ернера}
\only<6>{\img[0.7]{Fastie-Ebert_Monochromator}Монохроматор Фасти--Эберта}
\end{frame}
\begin{frame}{Длиннощелевые спектры}
\only<1>{\img[0.5]{slit_spectr}}
\only<2>{\img[0.75]{gmoslongslit_galaxy}}
\only<3>{\img{gmoslongslit_galext}}
\end{frame}
\begin{frame}{Integral field spectrograph}
\only<1>{\img{integral_field_spectr_designs}}
\only<2>{\img[0.8]{Hectospec_focal_plane}Hectospec --- сложный спектрограф 6.5-м телескопа MMT}
\only<3>{\img[0.8]{ifs_data_cube}}
\end{frame}
\begin{frame}{Эшелле--спектрограф}
\only<1>{\cols{\col{0.47}\begin{block}{}Конфигурация Литтрова синим.\\
Угол блеска $\theta_B>45\degr$.\end{block}
\col{0.47}\begin{block}{}$$\theta _{B}=\arcsin\frac{m\lambda}{2d}.$$\end{block}}
\img[0.7]{Blazed_grating}}
\only<2>{\img[0.9]{Echelle_dispersion}}
\only<3>{\img[0.9]{echelle_inst}}
\only<4>{\img[0.9]{echelle_spect}}
\end{frame}
\begin{frame}{Гризма}
\only<1>{\img[0.9]{grism_light}}
\only<2>{\img{FOCAS_grisms}Набор гризм The Faint Object Camera and Spectrograph (FOCAS Subaru).}
\only<3>{\img[0.7]{FOCAS_subaru}}
\only<4>{\img[0.9]{Grism1}}
\only<5>{\img[0.9]{Grism2}}
\end{frame}
\begin{frame}{VPHG}
\only<1>{\img[0.7]{VPHG_ex}}
\only<2>{\begin{block}{}
$$Q=\frac{2\pi\lambda d}{n_g\Lambda^2\cos\alpha}.\quad\quad\quad
\frac{d\theta}{d\lambda}=\frac{m}{\Lambda\cos\theta}.$$
$d$~-- толщина; Q-параметр: $Q<1$~-- <<тонкие>>, $Q>10$~-- <<толстые>>.
\end{block}\img[0.8]{VPGfig2}}
\only<3>{\img[0.75]{VPHG}}
\only<4>{\img[0.9]{VP_HolographicGratings_eff_vs_wavelength3}}
\end{frame}
\begin{frame}{Интерферометр Фабри--Перо}\vspace*{-1em}
\only<1>{\img[0.8]{ifp_theor}}
\only<2>{\img[0.37]{IFP_datacube}}
\end{frame}
\begin{frame}{Калибровки}
%\only<1>{\begin{beamercolorbox}{bluefrm}{}
%\img{Integr_sphere_principle}\end{beamercolorbox}}
\only<1>{\blueimg{Integr_sphere_principle}}
\only<2>{\img[0.6]{Commercial_Integrating_Sphere}}
\only<3>{\img[0.9]{ar_ne600}}
\only<4>{Th/Ar\vspace*{-1.5em}\img[0.6]{thorium}}
\end{frame}
\section{Поляризация и анализаторы поляризации}
\begin{frame}{Поляризация}
\begin{block}{}
$I=k_{a}I_{0}\cos^{2}\varphi$. 1810, Этьен Луи Малюс "--- количественная
корпускулярная теория поляризации света. Угроза волновой теории (продольные волны не поляризуются)!
1821, Френель "--- волновая теория поляризации.
\end{block}
\only<1>{\img{Electromagnetic_wave}}
\only<2>{\blueimg[0.8]{Malus_law-ru}}
\end{frame}
\begin{frame}{Параметры Стокса}
\only<1>{\vspace*{-0.7em}\begin{block}{}
\cols{\col{0.35}$$\begin{aligned}
S_0&=I=E_{a}^2+E_{b}^2\\
S_1&=Q=I\cos2\psi\cos2\chi\\
S_2&=U=I\sin2\psi\cos2\chi\\
S_3&=V=I\sin2\chi
\end{aligned}$$\col{0.65}
$E_a$, $E_b$~-- большая и малая полуоси поляризационного эллипса, $\psi$~-- угол поворота
поляризационного эллипса относительно произвольной лабораторной системы координат, $\chi$~--
вспомогательный угол, определяемый из условия $\tg\chi=E_a/E_b$.}\end{block}
\vspace*{-0.7em}\cols{\col{0.5}\begin{block}{}
Три независимых параметра: $I^2=Q^2+U^2+V^2$.
Пусть $E_1$ и $E_2$~-- ортогональные проекции~$\vec{E}$, $\delta$~-- разность фаз в проекциях.
Тогда:
$$\begin{aligned}
S_0&=I=E_1^2 + E_2^2\\
S_1&=Q=E_1^2 - E_2^2\\
S_2&=U=2 E_1 E_2\cos\delta\\
S_3&=V=2 E_1 E_2\sin\delta
\end{aligned}$$
\end{block}
\col{0.5}\img{Polarization_ellipse}}}
\only<2>{\begin{block}{}
Вращаем поляризатор на 0, 60 и 120 градусов, вычисляем параметры Стокса.\\
Две волны, линейно поляризованные под прямым углом друг к другу, не интерферируют!
\end{block}
\img{stokes_calc}}
\end{frame}
\begin{frame}{Угол Брюстера}
\only<1>{$$\tg\theta_B=n,\quad\text{угол падения $\theta_B$}$$
\blueimg[0.8]{Brewster_window}}
\only<2>{\img[0.9]{brewster_polarizer_small}}
\end{frame}
\begin{frame}{Двойное лучепреломление}
\only<1>{\begin{block}{}
1669, Расмус Бартолин, кристалл исландского шпата. $\Delta n=n_{e}-n_{o}$.
\end{block}
\blueimg[0.55]{Positively_birefringent_material}}
\only<2>{\blueimg{Nicol_prism}Призма Николя}
\only<3>{\blueimg{Wollaston-prism}Призма Волластона}
\end{frame}
\begin{frame}{Оптически активные материалы}
\cols{\col{0.75}\blueimg{LCD_layers}\col{0.3}
\begin{block}{}
1,5~-- поляризаторы,\\
2,4~-- прозрачные электроды,\\
3~-- ЖК (оптически активное вещество),\\
6~-- отражатель или подсветка.
\end{block}}
\end{frame}
\begin{frame}{Волновые пластинки}
\only<1>{\img[0.8]{Waveplate}Полуволновая пластинка}
\only<2>{\blueimg{CircularPolarization}Четвертьволновая пластинка}
\end{frame}
\begin{frame}{Поляризация в астрофизике}
\begin{block}{}
Когерентные источники (гидроксильные или метаноловые мазеры).\\
Рассеяние на межзвездной пыли.\\
Вращение плоскости поляризации в магнитных полях (эффект Фарадея).\\
Поляризация CMB "--- изучение физики ранней Вселенной.\\
Поляризация синхротронного излучения.\\
Возможно, астрономические источники повлияли на селекцию хиральности белков и прочих органических
молекул на Земле.
\end{block}
\end{frame}
\section{Учет шумов детекторов}
\begin{frame}{Учет шумов детекторов}
\only<1>{\begin{block}{}
Глубокое охлаждение для снижения темнового тока.
\end{block}
\img[0.7]{signaltonoisefigure2}}
\only<2>{\vspace*{-0.5em}\begin{block}{}Попиксельная неоднородность, виньетирование, пыль "---
калибровка на <<плоское поле>>.\\
\textbf{Дробовой} (пуассонов) шум ($\sigma_s=\sqrt{N}$ \Arr $SNR_s=\sqrt{N}$) наиболее существенен
при малых интенсивностях, либо увеличить экспозицию, либо суммировать кадры.
\textbf{Шум считывания} (суммировать кадры).\\
$$SNR=PQ_et/\sqrt{(P+B)Q_et+Dt+N_R^2}$$
$P$~-- поток (фотонов на пиксель в секунду), $Q_e$~-- квантовая эффективность, $t$~-- время экспозиции,
$B$~-- фон, $D$~-- темновой ток, $N_R$~-- шум считывания.
\end{block}\vspace*{-0.5em}
\img{signaltonoisefigure1}}
\only<3>{\begin{block}{}
\textbf{Шум сброса} (шум RC-цепочек) $N_{reset}=\sqrt{kTC}/q$, $T$~-- температура (К), $C$~--
емкость ячейки (Ф), $q$~-- накопленный заряд (Кл).\\[5pt]
\textbf{Белый шум} $N_{white}=\sqrt{4kT\nu R_{out}}\cdot A_{amp}/S_{amp}$,
$\nu$~-- частота считывания (Гц), $R_{out}$~-- выходное сопротивление усилителя (Ом),
$S$~-- чувствительность усилителя (В/электрон), $A$~-- коэффициент усиления.\\[5pt]
\textbf{Темновой ток}: $D = 2.5\cdot10^{15} S I_d T^{1.5} \exp{-E_g/(2kT)}$,
$S$~-- площадь пикселя (см$^2$), $I_d$~-- измеренный на 300\,К темновой ток (нА/см$^2$),
$E_g$~-- ширина запрещенной зоны (эВ).
\end{block}}
\end{frame}
\begin{frame}{Конвейер обработки данных}
\begin{block}{}
\begin{enumerate}
\item Получение снимка объекта ($O$) и нескольких bias, dark и flat ($b_i$, $d_i$, $f_i$).
\item Медианное усреднение: $X=\med(x)$ \Arr $B$, $D$, $F$.
\item Если экспозиции $D$ и $O$ различаются, получаем <<master dark>>: $D_m=(D-B)/t_{exp}$.
\item Удаление шумов: $O_{clean}=O-D$, $F_{clean}=F-D$ (или $X-B-D_m\cdot t_{exp}$).
\item Нормирование $F_{clean}$: $F_{norm}=F_{clean}/F_{clean,max}$.
\item Коррекция на <<плоское поле>>: $O_{corr} = O_{clean}/F_{clean}$.
\end{enumerate}
Для спектрофотометрии после экстракции спектра необходимо также выполнить нормировку на <<плоский спектр>>.
\end{block}
\end{frame}
% наш с Тимуром отчет
\begin{frame}{Определение характеристик новой ПЗС}
\begin{block}{}
\only<1>{\textbf{Электронный ноль} (bias). Снимки bias позволяют определить уровень шума считывания
(RON). Для уменьшения влияния дефектов, используем разности:
$I_{diff}=I_1-I_2.$ Тогда $\sigma{RON}=\sigma{I}/\sqrt{2}$.
}
\only<2>{\textbf{Линейность} получается из линейной аппроксимации зависимости $I=\alpha t$ при получении
<<плоских>> снимков с разной экспозицией.
}
\only<3>{\textbf{Коэффициент усиления} (gain) определяет, сколько ADU будет получено на один фотоэлектрон.
Строим зависимость $\sigma^2_I(\mean{I})$ (дисперсия интенсивности в кадре от ее среднего значения).
Однако, дефекты ПЗС внесут неточность, надежней вычислять разности изображений.\\
Пусть $I$ и $\sigma^2$~-- средний сигнал в пикселе (после вычитания <<темновых>>) и его дисперсия,
$R^2$, $\sigma^2_{ph}$ и $\sigma_{ff}=kI$~-- дисперсии шумов считывания, дробового (фотонного) шума
и
неоднородность чувствительности пикселей ПЗС. Тогда общий шум:
$$\sigma^2=R^2+\sigma^2_{ph}+\sigma^2_{ff}=R^2+I+k^2I^2.$$
$$\sigma^2/g^2=R^2/g^2+I/g+k^2I^2/g^2\quad\text{или}\quad
\sigma^2=R^2+gI+k^2I^2.$$
Для разности изображений <<исправленный шум>> $\sigma^2=\dfrac{\Sum I_{diff}^2}{2(N-1)}$. Все
вычисления проводим в нескольких участках изображения (не по всему кадру) для усреднения результатов.\\
Линейная интерполяция зависимости интенсивности от шума дает результирующий $g$.
}
\only<4>{\textbf{Темновой ток} необходимо исследовать на зависимость от времени экспозиции и температуры.
}
\only<5>{\textbf{Квантовая эффективность} определяется в лабораторных условиях: монохроматор и
калиброванный светоприемник.
}
\end{block}
\only<1>{\img[0.6]{bias_t}}
\only<2>{\img[0.6]{ccd_lin}}
\only<4>{\img[0.7]{dark_cur}}
\only<5>{\img[0.7]{apoqe}}
\end{frame}
\section{Кодирование и хранение информации}
\begin{frame}{Кодирование и хранение информации}
\begin{block}{FITS-формат}
FITS (англ. Flexible Image Transport System) "--- цифровой формат файлов, используемый в науке для
хранения, передачи и редактирования изображений и их метаданных (электронных таблиц).\\
Метаданные изображения хранятся в удобочитаемом заголовке формата ASCII.\\
Каждый файл FITS имеет один или несколько заголовков, содержащих ASCII-строки (фиксированной длины в 80
символов) из пар ключ\slash значение, перемежающихся между блоками данных.
\end{block}\tiny
\begin{tabular}{llllll}
(blank) &CROTAn &EQUINOX &NAXISn &TBCOLn &TUNITn\\
AUTHOR &CRPIXn &EXTEND &OBJECT &TDIMn &TZEROn\\
BITPIX &CRVALn &EXTLEVEL &OBSERVER &TDISPn &XTENSION\\
BLANK &CTYPEn &EXTNAME &ORIGIN &TELESCOP&\\
BLOCKED &DATAMAX &EXTVER &PCOUNT &TFIELDS&\\
BSCALE &DATAMIN &GCOUNT &PSCALn &TFORMn&\\
BUNIT &DATE &GROUPS &PTYPEn &THEAP&\\
BZERO &DATE-OBS &HISTORY &PZEROn &TNULLn&\\
CDELTn &END &INSTRUME &REFERENC &TSCALn&\\
COMMENT &EPOCH &NAXIS &SIMPLE &TTYPEn&\\
\end{tabular}
\end{frame}
\begin{frame}{WCS-привязка}
\only<1>{\begin{block}{Параметры WCS}
\begin{description}
\item[CRVALi] значение мировых координат опорного пикселя
\item[CRPIXi] координаты опорного пикселя на изображении
\item[CDELTi] инкремент координат
\item[CTYPEi] тип матрицы преобразования
\item[CROTAi] угол поворота систем координат
\item[PCij] немасштабированная матрица преобразований
\item[CDij] PC с масштабом
\item[Qi] $=\sum_{j=1}^N CD_{ij} (x_j - CRPIX_j)
= \sum_{j=1}^N CDELT_j \cdot PC_{ij} (x_j - CRPIX_j)$.
\end{description}
\end{block}
}
\only<2>{\img[0.6]{out}}
\only<3>{\img[0.6]{out_cat}}
\end{frame}
\section{Методы астрофизики}
\begin{frame}{Астрофизика}
\begin{defin}\textbf{Астрофизика} "--- раздел астрономии, тесно переплетенный с химией и
физикой.
<<It seeks to ascertain the nature of the heavenly bodies, rather than their positions or
motions
in space~--- what they are, rather than where they are>> (1897, Джеймс Килер).
\vspace{1em}
Основоположники "--- Вильям Хайд Волластон и Йозеф фон Фраунгофер.
Сам термин <<астрофизика>> предложен Иоганном Карлом Фридрихом Ц\"eлльнером (известен по
точной
фотометрии) в 1865~г.
Астрофизика делится на наблюдательную и теоретическую, находящиеся в тесной взаимосвязи.
\end{defin}
\end{frame}
\section{Фотометрия}
\begin{frame}{Фотометрия}\vspace*{-1em}
\begin{block}{Фотометр Ц\"елльнера}
1861~г. "--- первый фотометр с эталонным источником. Газовая горелка, призмы Волластона,
плоскопараллельная пластинка.
\end{block}
\img{zollner_photometer}
\end{frame}
\begin{frame}
\frametitle{Область применения фотометрии}
\begin{columns}
\column{0.5\textwidth}
\begin{block}{}
\begin{itemize}
\item Определение светимости объекта или расстояния до него.
\item Астрометрические задачи.
\item Классификация объекта (и предположение о его свойствах).
\item<2-> Космология: массы и движения галактик.
\item<3-> Определение параметров переменных объектов.
\item<3-> Поиск крупных экзопланет.
\item<4-> Изучение сверхновых.
\end{itemize}
\end{block}
\column{0.5\textwidth}
\begin{pict}\vbox to 0pt{\vspace*{-0.35\textheight}
\only<1>{\includegraphics[width=0.9\columnwidth]{HRDiagram}}
\only<2>{\includegraphics[width=\columnwidth]{hubble}}
\only<3>{\includegraphics[width=\columnwidth]{exoplanet}}
\only<4>{\includegraphics[width=\columnwidth]{supernova}}
}
\end{pict}
\end{columns}
\end{frame}
\begin{frame}{Фотометрические диапазоны}
\only<1>{\img{Filter-optics-1}}
\only<2>{\begin{block}{}Стр\"емгрен, 1960-е гг.: широкополосные; среднеполосные и узкополосные
фотометрические системы.
Критерий "--- полуширина: широкополосные $>300\Ang$, узкополосные $<100\Ang$.
\end{block}\img{interf_filterIR}}
\only<3>{\img[0.9]{bands}}
\end{frame}
\section{Спектроскопия}
\begin{frame}
\frametitle{Область применения спектроскопии}
\begin{columns}
\column{0.4\textwidth}
\begin{block}{}
\begin{itemize}
\item Эквивалентные ширины: расстояние до звезд, их возраст,
скорость потери масс и многие другие параметры.
\item Спектрополяриметрия.
\item<2-> Определение химического состава звезд.
\item<3-> Строгая спектральная классификация.
\item<4-> Определение скорости движения объектов.
\item<5-> Космология.
\end{itemize}
\end{block}
\column{0.6\textwidth}
\begin{pict}\vbox to 0pt{\vspace*{-0.3\textheight}
\only<1>{\includegraphics[width=\columnwidth]{equiv_width}}
\only<2>{\includegraphics[width=\columnwidth]{solar_spectra}}
\only<3>{\vspace*{-0.1\textheight}
\includegraphics[width=0.8\columnwidth]{SpectralLines}}
\only<4>{\includegraphics[width=\columnwidth]{doppler}}
\only<5>{\includegraphics[width=\columnwidth]{galaxy_doppler}}
}
\end{pict}
\end{columns}
\end{frame}
\if0
\begin{frame}{}
\begin{block}{}
\end{block}
\only<1>{\img{}}
\cols{\col{0.5}
\col{0.5}}
\end{frame}
\fi
\begin{frame}{Спасибо за внимание!}
\centering
\begin{minipage}{5cm}
\begin{block}{mailto}
eddy@sao.ru\\
edward.emelianoff@gmail.com
\end{block}\end{minipage}
\end{frame}
\end{document}