La reducción de datos

23 September 2021 Michael Richer 1

La reducción de datos


Reducción de datos

• Un proyecto típico pasa por las siguientes etapas– planteamiento del problema– estudio de factibilidad– adquisición de los datos– reducción de los datos– análisis de los datos– publicación de los resultados

• El desarrollo de cada fase puede facilitar o limitar el desarrollo de las etapas subsecuentes.


Reducción de datos• La reducción de los datos consta en quitarles los (d)efectos del

detector y del sistema óptico.• Las etapas de la reducción dependen de los fines planteados

para el proyecto.• Por ejemplo, en imagen directa, la reducción típicamente

incluye– sustracción del overscan y la estructura bidimensional del bias– sustracción de la corriente oscura (de ser necesario)– corrección por el campo plano– quitar franjas de interferencia (si hace falta, ¡suerte!)– Normalmente, no incluye la sustracción del cielo, porque

frecuentemente el cielo es necesario para el análisis.


Recordamos…Lo que se ve en una imagen (¡sin ni siquiera una fuente astronómica!):• Características intrínsecas del detector:

– la capacidad del pozo de cada píxel– la corriente oscura– la eficiencia cuántica

• Características del manejo del detector– la eficiencia de transferencia de la carga– la carga espuria

• Características de la electrónica asociada al detector– el bias, su estructura y el overscan– el ruido de lectura – la ganancia y la saturación del ADC– la linealidad

• Configuración del detector– la agrupación de píxeles (binning)

• Viñeteo en el camino óptico


La composición de una señal• Consideramos una imagen de un área del cielo. Esta imagen contiene

señal de– las imágenes de los objetos en esa dirección– el nivel de brillo del cielo (uniforme)– (d)efectos debido al sistema óptico

• viñeteo• sombras debido al polvo

– la “firma” del detector• bias• corriente oscura• ¿franjas de interferencia?

• La reducción de estos datos elimina (en principio) todos los efectos que no se deben al cielo y los objetos observados.


La composición de una señal• En la lista anterior, hay componentes de la señal que son aditivos y otros que son

multiplicativos.• Los componentes aditivos:

– el blanco: los objetos y el cielo de fondo– el detector: el bias, la corriente oscura, carga espuria

• Los componentes multiplicativos– (d)efectos del sistema óptico: viñeteo, polvo, etc.– el detector: eficiencia cuántica– franjas de interferencia (realmente multiplicativo y aditivo)

• Los efectos de cada componente son visibles directamente en las imágenes. • Que tan prominente es cada componente dependerá de los niveles relativos del

los señales de fuentes y del detector:– con poca señal: Se notan principalmente efectos aditivos.– con mucha señal: Se notan principalmente efectos multiplicativos.

¿Cómo corregimos por efectos aditivos o multiplicativos?

• Efectos aditivos se corrigen sustrayendo su efecto:– Bias: Sustraimos el overscan así como la imagen bidimensional del bias

(la “imagen cero”) de las imágenes científicas. Este paso también elimina la carga espuria.

– Corriente oscura: Sustraimos la imagen de corriente oscura de las imágenes científicas.

• Efectos multiplicativos se corrigen dividiendo su efecto:– Campo plano: Estas imágenes tienen los propósitos de (1) corregir por la

respuesta no idéntica de los pixeles y (2) corregir por el viñeteo del camino óptico. Dividimos las imágenes científicas por el campo plano.

– Corregimos por la eficiencia cuántica del detector (así como la eficiencia del resto del instrumento+telescopio) con la calibración contra estrellas estándares.


¿Cómo corregimos por efectos aditivos o multiplicativos?

• Cosas más complicados:– La corrección por franjas de interferencia es complicado. En principio,

uno quiere fabricar un “patrón” de las franjas, escalarlo y alinearlo con las franjas en la imagen científica y sustraerlas. La amplitud y posición de las franjas depende de la iluminación de la imagen, así que conviene fabricar el patrón con imágenes científicas. En la práctica, es inusual lograr una corrección perfecta…

– Patrón del obturador: En imágenes de muy corto tiempo de exposición (≲ 1 s) el tiempo de apertura y cierre del obturador contribuye sustancialmente a la luz de fondo en la imagen. Se requiere una imagen con el patrón del obturador, que se escala al tiempo de exposición de la imagen científica y se sustrae de la misma.

– Condensación de agua: Limpiar y empezar de nuevo.



Descomposición: imagen corta

• bias



• corriente oscura

Integración por partes

+

+ cielo + fuentes astronómicas+ poco tiempo de exposición




• Imagen: poco tiempo de exposición

• En rojo, la zona utilizada en la descomposición siguiente.

rasgos del bias

corriente oscura


Descomposición: corte de una imagen corta


Descomposición: imagen profunda

• bias• como antes



• corriente oscura• como antes

Integración por partes

+

+ cielo + fuentes astronómicas+ buen tiempo de exposición




• Imagen: largo tiempo de exposición

• Los rasgos del bias y de la corriente oscura son mucho menos obvios.

• Los efectos del sistema óptico son mucho más prominentes.

• En rojo, la zona utilizada en la descomposición siguiente.

menos luz: viñeteosombras

defectos en el detector


Descomposición: corte de una imagen profunda

objetos + cielo + bias + corriente oscura

cielo

bias + corriente oscura

bias


Imágenes: calibraciones y datos

• arriba: bias, corriente oscura y campo plano

• abajo: imagen corta e imagen profunda

imagen original

quitar bias

quitar corriente oscura

corregir por campo plano


Paso por paso: imagen corta• imagen corta• Se ve claramente el

efecto de quitar el bias y la corriente oscura.

• Notar que se aprecia poco la corrección por el campo plano.

• O sea, cuando hay poca señal, se notan más fácilmente los efectos aditivos.


Paso por paso: imagen profunda• imagen profunda

(el cielo domina el fondo)

• Se ve claramente el efecto de todos los pasos.

• No se apreciaba los efectos del polvo en la imagen corta debido a la mala señal-a-ruido.

• Con mucha señal, corregir por efectos multiplicativos es evidente.

imagen original

quitar bias

quitar corriente oscura

corregir por el campo plano


Consideraciones generales• Una “receta” no funcionará en todos los casos. • Lo mínimo que habrá que hacer en todos casos (imagen directa) es

– quitar el bias (overscan y patrón; corriente espuria)– corregir por el campo plano

• Más bien, es necesario “explorar” los datos para determinar las correcciones necesarias y aplicarlas.

• Esta exploración debe iniciarse durante la obtención de los datos. Para facilitar esto, se debe leer todos los manuales relevantes antesde llegar al telescopio. Debe quedar claro si la corriente oscura, franjas de interferencia u otras calibraciones especiales son típicamente necesarios. Ojo: Será necesario tener nociones básicas de la reducción de los datos, no solamente de su adquisición.

Consideraciones generales• Es esencial reservar el tiempo necesario para tomar las imágenes de

calibración básica (bias y campo plano, como mínimo absoluto), los cuales se obtienen frecuentemente antes de los datos (durante el crepúsculo de la primera noche de observación).

• Si se ve que los datos requieren de calibraciones adicionales (corriente oscura, franjas de interferencia, etc.), habrá que reservar el tiempo necesario para obtenerlas. De no hacerlo limitará el alcance del proyecto.



Casos complicados

• El patrón dependerá del patrón de iluminación de la imagen: distinto en imagen directa o en espectroscopia. Usualmente es peor cuanto más monocrómatica es la luz.

• Las franjas son usualmente de baja amplitud y es difícil quitarles muy precisamente. • Este es un efecto típicamente tanto multiplicativo como aditivo: la amplitud de las franjas es

función de la intensidad de la luz monocromática (p.ej., líneas de emisión del cielo), pero normalmente se debe a la luz del fondo, que es una señal aditiva.

SITe3, filtro I, 1% Marconi, filtro I, 3% Thomson 2k, Ha, 10%

Ejemplo: franjas @ Ha en M16

Imagen original Imagen reducida



Casos complicados

• Estos patrones del obturador se ven en imágenes de muy poca duración (1 s o menos). Hay un poco más tiempo de exposición en el centro que en los bordes.

• Evitar tiempos de exposición tan cortos, de ser posible. • Notar que esto es un efecto multiplicativo, pero debido al tiempo de exposición.

SITe1, obturador 5 pétalos Marconi, obturador 6 pétalos


• Esta imagen es de un campo plano con una mancha de agua en la ventana del crióstato.

• La estructura (evoluciona con el tiempo) se debe a las reflexiones múltiples dentro de las gotas de agua.

• Aun en ambientes muy secos, la condensación es una preocupación importante dado que el interior del crióstato tendrá una temperatura muy baja, ~ -100º C.

• Obviamente, – es necesario reconocer estos

casos patológicos, porque los datos son inservibles.

– se requiere atención del personal técnico.

• ¡No se trata de una muestra biológica!

• Se trata de un campoplano de un espectroéchelle a través de múltiples gotas de agua en la ventana delcriostato.

• Las cáusticas se deben a reflexiones internas en las gotas, las cuales cambiaban imagen con imagen a medida que se iban formando…


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