image plane corrections

29
1 S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006 Image plane corrections  ------------------> S. Bhatnagar NRAO, Socorro

Upload: others

Post on 21-Jul-2022

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Image plane corrections

1S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

Image plane corrections

 ­­­­­­­­­­­­­­­­­­>  

S. BhatnagarNRAO, Socorro

Page 2: Image plane corrections

2S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

The Measurement Equation● Generic Measurement Equation:

          Data             Corruptions                 Sky

                   :direction independent corruptions.

                   :image plane errors (direction dependent).

●                                                         

– Jij  is multiplicative in the Fourier domain

– Jsij  is multiplicative in the Image domain only if Js

i = Jsj

V ijObs =J ij , t ∫ J ij

S S , , t I S eS.Bij d S

V ijObs=J ij W ij E ij V

o where E ij=F J ijs FT

J ij=J i⊗J j∗

J ijs=J i

s⊗J js∗

Page 3: Image plane corrections

3S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

Hierarchy of algorithms● Unknowns of the problem: Jij ,J

sij, and IM.

● Jsi = Js

j and independent of time

          Imaging and calibration as orthogonal operations

  

● Jsi (t) = Js

j (t) (Poln. squint, PB correction, etc.)

– Jsij  is multiplicative in the image plane for appropriate 

I D∝ℜ [∑nJ sT

n∇ T ∑ij[V ij ∇ T eS.Bij]]

∇ T

(Cornwell,EVLA Memo 62)

Page 4: Image plane corrections

4S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

Hierarchy of algorithms●                   (Pointing offsets, PB variations, etc.)

– Image plane effects not known a­priori● Pointing selfcal

– Correct for Jsij during image deconvolution

● W­Projection,       PB­Projection 

● Simultaneous solver for Jij ,Jsij, and IM!!

J is t ≠J j

s t

(EVLA Memo 84)

(EVLA Memo 67) (EVLA Memo 100)

Page 5: Image plane corrections

5S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

General structure of imaging algorithms●                       

● Solve the normal equation● Compute the approx. update direction:  ● Update the model:                                                              

(Steepest Descent minimization: Clean algorithm) ● Compute residuals: 

● Transform implemented using FFT:● Incorporate the image plane effects in the transform 

operator: Forward/inverse transforms:  ● Iteratively solve the modified normal equation:   

V M=C [ A I M ]

V Obs=A I o A : The Measurement Matrix

AT [V−A I ]=0 I D=AT [V R]

I iM=I i−1

M max I D

V−AI M

EA and AT ET

B[V−A I ]=0 where B~AT

Page 6: Image plane corrections

6S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

  Motivation● Single pointing L­Band observations limited due to pointing/PB asymmetries  ~10­20microJy/beam.

– Next generation telescopes hope to do >10x better● Mosaicking dynamic range limited by pointing errors and 

azimuthally asymmetric PB/sidelobes.

● Use of pixel basis for image representation: deconvolution errors: > 10mircoJy/beam

● Frequency dependence of the sky & the instrument: 10­15microJy/beam (much greater than this when PB effects are included!)

Page 7: Image plane corrections

7S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

 Measured direction dependent effects

● Eij as a function of direction is measured a­priori (nominal full beam polarimetric imaging)

● Aperture Function: Ei    different for each poln. product pq (pointing offsets correction)

         Needs a solver:  Pointing SelfCal 

● Asymmetric Primary Beams:

V ijM=E ij [ A I M ]ij where E ij l i , l j ,uij ; pi , p j

Page 8: Image plane corrections

8S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

Power patterns   Model for VLA antenna power patters at L­band 

(modeling code courtesy W.Brisken)

Stokes­I Stokes­V

Page 9: Image plane corrections

9S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

Variable side­lobe gain 

Maximumgain variationsat the location of the sidelobes

Numerical errors:Variations in the peak of the sidelobe.

Image re­griddingvs. direct evaluation

Page 10: Image plane corrections

10S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

Error patterns 

AvgPB ­ PB(to) Azimuthal cuts at 50%, 10% and 1%of the Stokes­I error pattern AvgPB ­ PB(to)

Page 11: Image plane corrections

11S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

Simulations: Stokes­I   Stokes­I imaging with and without PB effects

(Polarization squint, Pointing offsets, PB rotation)

RMS ~15µJy/beam RMS ~1µJy/beam

Page 12: Image plane corrections

12S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

Simulations: Stokes­V   Stokes­V imaging with and without PB effects

(Polarization squint, Pointing offsets, PB rotation)

Page 13: Image plane corrections

13S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

VLA L­Band C­array: Stokes­I  

Page 14: Image plane corrections

14S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

VLA L­Band C­array: Stokes­V  

Page 15: Image plane corrections

15S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

 Pointing correction

Continuous lines: Typical antenna pointing offsets for VLA as a function of time (Mean between +/­25” and RMS of 5”).

Dashed lines: Residual pointing errors.  RMS ~1”.

Model image  using 59  sources from NVSS.Flux range ~2­200 mJy

Details in EVLA Memo 84 (2004)http://www.aoc.nrao.edu/evla/geninfo/memoseries/evlamemo84.pdf

Page 16: Image plane corrections

16S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

 Pointing SelfCal: “Unit” testTest for the solver using simulated data

Red: Simulated pointing offsets τ=60sec

Blue: Solutions τ=600sec 

Page 17: Image plane corrections

17S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

 Time lines: Research● Note on algorithm research, Aug. 2004

http://www.aoc.nrao.edu/~sbhatnag/Talks/AlgoDevelopment.ps

● Major areas of work:● Scale sensitive deconvolution (Asp paper, 2004[2003])● Correction of PB effects (Poln., pointing, sidelobes,etc.)

  Basic algo: Pointing Selfcal (2004), Imaging (early 2005)● Wideband imaging (will require the above)

● Difficult to translate research into Project Management lingo (“deliverables”, etc.!) ­ still made an attempt!● “Demonstrable” progress: ~1 year● Tricky details: ~3 years (probably more)

Page 18: Image plane corrections

18S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

 Time lines: Development● Code development time much longer

● Complexity – code base● Partly unavoidable● Improvements: Possible & Necessary ● Use of simpler UI (UNIX command­line, inp/set/save/go)

➢ Currently usable on real data (minus data selection)● Complexity – algorithm

● Very difficult to predict (more difficult in evolving code­base)● Can run into dead­ends

● Optimization and stability/robustness● From “working algorithm” to “usable implementation”● Stability/robustness/numerical testing: Time consuming & related 

to the code­base complexity/stability/evolution.

Page 19: Image plane corrections

19S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

 Progress so far● Use aperture function / eliminate re­gridding [Done]● Write the imaging and solver code [Done]● SelfCal <­> imaging iterations [Testing]● Component image model (Asp­Clean + PB­Projection + 

W­Projection) [Next!]

● Is current deep L­band imaging pointing­error limited? ● Mosaicking dynamic range limited by pointing errors?● Wide­band imaging

● Use PB­projection to correct for PB scaling ● MSF extensions: Freq. sensitive image plane modeling 

(Component based imaging)

Page 20: Image plane corrections

20S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

 Interesting extensions● Fast mosaicking

● Use the pointing vector as the “offset” (Golap):    Azimuthally symmetric PB

● Use model for aperture illumination as a function of PA and pointing errors

● Variable PB­sidelobes and pointing errors constitute the dominant error for mosaicking: Not included in existing simulations/imaging performance estimates

● Wide band imaging● PB scaling contributes the dominant error:                        

Not included in existing simulations● Use it with Component based sky model

Page 21: Image plane corrections

21S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

Computing and I/O costs● Significant increase in run­time due to more sophisticated 

parameterization● Deconvolution: Fast transform (both ways)  

● E.g. limits the use of MCMC approach     ● Calibration:  Fast prediction

● Cost of computing residual visibilities is dominated by I/O costs for large datasets (~200GB for EVLA)

● Deconvolution: Approx. 20 access of the entire dataset● Calibration: Each trial step in the search accesses the entire 

dataset

Page 22: Image plane corrections

22S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

References1. Hamaker, Bregman & Sault, 1996, A&AS, 117, 1372. Cornwell, 1995, The Generic Interferometer: II Image Solvers,  AIPS++ 

Note 1843.Bhatnagar & Cornwell, 2004, Scale sensitive deconvolution of 

interferometric images, A&A, 426, 747­754, 2004 (astro­ph/0407225)4.Cornwell, Golap & Bhatnagar, 2003, W­Projection: A new algorithm for 

non­coplanar baselines, Tech. rep., EVLA Memo 675.Brisken, 2003, Using Grasp8 To Study The VLA Beam, Tech. rep., EVLA 

Memo 586.Bhatnagar, Cornwell & Golap, 2004, Solving for the antenna based 

pointing errors, Tech. rep., EVLA Memo 847.Bhatnagar, Cornwell & Golap, 2006., Image plane corrections, EVLA 

Memo 100http://www.aoc.nrao.edu/~sbhatnag/talks.html

Page 23: Image plane corrections

23S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

 Pointing SelfCal● Model image: deconvolved using entire data● Pixelated model image

Page 24: Image plane corrections

24S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

 Pointing SelfCal

● Stokes­I imaging: Before and after pointing correction

Page 25: Image plane corrections

25S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

 Pieces of the puzzle● Efficient algorithms to correct for image plane effects 

● Approximate inverse transform (Vis ­> Image) ● Forward transform (accurate)

● Decomposition of the sky in a more appropriate basis● Frequency sensitive

● Solvers for the “unknown” image plane effects● As expensive as imaging!

● Larger computers! (More memory, CPU power, fast I/O)

Page 26: Image plane corrections

26S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

Known direction dependent effects● Non­coplanar baselines

● Traditional approach: Faceting

● W­projection: Visibility filtering (>10x faster)

V u , v , w=∬ I l , mG l , m , we2 ulvm dl dm

1−l2−m2

Page 27: Image plane corrections

27S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

 W­projection: ExampleL­Band, VLA C­array, ~40hr. integration (Fomalont et al.)­RMS: ~15microJy, Peak: 40mJy ­Errors vary across the image (pointing?). ­Time varying first side­lobe not corrected. 

Page 28: Image plane corrections

28S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

 Pointing SelfCal

● Stokes­V imaging:  Need to use component imaging?

Page 29: Image plane corrections

29S. Bhatnagar: Wed. Lunch Talk, Socorro, March 29, 2006

 Scale sensitive imaging: Asp­Clean● Pixel­to­pixel noise in the image is correlated 

● The scale of emission fundamentally separates signal (Io) from the noise (IN).

● Asp­Clean (Bhatnagar & Cornwell, A&A,2004)● Search for local scale, amplitude and position

I D=PI oPI N where P=Beam Matrix