[論文レビュー] Analysis of full disc Ca II K spectroheliograms. I. Photometric calibration and CLV compensation

Theodosios Chatzistergos, I. Ermolli+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2017

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 54被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、静穏層域における安定したCLVパターンを活用することで、歴史的全円盤Ca II K分光ヘルモグラム（SHG）の写真的校正および中心から縁への変化（CLV）補正を、自動的かつ新規に実行する手法を提示する。劣化したデータでさえも平均誤差<1%、最大誤差<6.5%を達成し、機器固有のチューニングを必要とせず、多様なアーカイブ源にわたって一貫性があり正確な処理を可能にする。

ABSTRACT

Historical Ca II K spectroheliograms (SHG) are unique in representing long-term variations of the solar chromospheric magnetic field. They usually suffer from numerous problems and lack photometric calibration. Thus accurate processing of these data is required to get meaningful results from their analysis. In this paper we aim at developing an automatic processing and photometric calibration method that provides precise and consistent results when applied to historical SHG. The proposed method is based on the assumption that the centre-to-limb variation of the intensity in quiet Sun regions does not vary with time. We tested the accuracy of the proposed method on various sets of synthetic images that mimic problems encountered in historical observations. We also tested our approach on a large sample of images randomly extracted from seven different SHG archives. The tests carried out on the synthetic data show that the maximum relative errors of the method are generally &lt;6.5%, while the average error is &lt;1%, even if rather poor quality observations are considered. In the absence of strong artefacts the method returns images that differ from the ideal ones by &lt;2% in any pixel. The method gives consistent values for both plage and network areas. We also show that our method returns consistent results for images from different SHG archives. Our tests show that the proposed method is more accurate than other methods presented in the literature. Our method can also be applied to process images from photographic archives of solar observations at other wavelengths than Ca II K.

研究の動機と目的

• 長期間の太陽活動および放射照度研究への応用が制限される、歴史的全円盤Ca II K分光ヘルモグラム（SHG）における写真的校正およびアーティファクト補正の欠如に対処すること。
• 画像品質、機器、観測条件のばらつきがあるにもかかわらず、複数のSHGアーカイブに適用可能な自動的かつ一貫性のある処理手法を開発すること。
• 写真乾板の非線形応答および不均一性を補正することで、太陽コロナ磁気特徴の正確な再構築を可能にすること。
• 実際の劣化を模擬した合成画像を用いて、本手法の正確性を検証し、既存の手法と比較すること。
• 本手法が、7つの異なるSHGアーカイブからの実画像に適用された際の頑健さと一貫性を示すこと。

提案手法

• 本手法は、静穏層域の中心から縁への変化（CLV）の強度が時間的に安定していると仮定し、これを全画像の校正基準として用いる。
• 適切な露出範囲における線形応答を仮定し、太陽円盤全体の静穏層域から特徴的曲線（CC）を導出する。
• 現代観測からのCLVパターンを基準として用い、歴史的画像のCLVを標準化することで、機器および写真的非線形性を補正する。
• スクラッチ、スポット、過剰・不足露出などの不均一性およびアーティファクトは、安定したCLVパターンと静穏層域強度の統計的モデリングを活用して補正する。
• 導出されたCCおよびCLVモデルに基づき、画素単位での補正を施し、全円盤にわたる一貫性のある写真的測定を確保する。
• 外部基準データに依存せず、内在的な太陽物理学（静穏層域CLVの安定性）に依存することで、機器固有の校正を回避する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測機器の詳細を事前に知らない状態でも、多様なアーカイブにわたる歴史的Ca II K分光ヘルモグラムに対して一貫性のある写真的校正を達成できるか？
• RQ2 劣化した歴史的SHGにおいて、非線形応答および画像アーティファクトをどれほど正確に補正できるか？
• RQ3 時間的に不変であると仮定する静穏層域CLVが、とりわけ品質が悪い観測において校正精度にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 本研究で提案する手法は、文献に登場する既存の補正技術と比較して、どの程度正確か？
• RQ5 本手法は、Ca II K以外のスペクトル線や写真による太陽アーカイブにも一般化可能か？

主な発見

• 合成画像を用いた全テストにおいて、極端な劣化状態下でも最大相対誤差が<6.5%に抑えられ、平均誤差は<1%であった。
• 強いアーティファクトがない画像では、任意の画素において理想画像との差が<2%以内に収束した。
• 既存手法と比較して、誤差低減の観点で3～300倍の優位性を示し、極端なケースを除けば最大誤差が<2%まで低下した。
• 合成された現代Ca II Kデータへの適用により、平均誤差が<0.6%まで低下し、従来手法より精度が向上した。
• 7つの異なるSHGアーカイブに適用した結果、機器や観測条件の違いに関わらず一貫性のある結果が得られ、頑健性が裏付けられた。
• Hαや白色光など他のスペクトル線に対しても、わずかな調整で適用可能であり、太陽写真アーカイブへの応用範囲が広がった。