[论文解读] The LOFAR Two Meter Sky Survey: Deep Fields, I -- Direction-dependent calibration and imaging

C. Tasse, T. W. Shimwell+30 more|Durham Research Online (Durham University)|Nov 16, 2020

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 77被引用 40

一句话总结

本论文提出一种基于方向相关的校准与成像流水线(ddf-pipeline-v2)，用于LOFAR High Band Antenna数据，生成Boötes和Lockman Hole场在约150 MHz下的深层、高保真、热噪声极限的图像，在深度积分中实现前所未有的低噪声水平。

ABSTRACT

The Low Frequency Array (LOFAR) is an ideal instrument to conduct deep extragalactic surveys. It has a large field of view and is sensitive to large scale and compact emission. It is, however, very challenging to synthesize thermal noise limited maps at full resolution, mainly because of the complexity of the low-frequency sky and the direction dependent effects (phased array beams and ionosphere). In this first paper of a series we present a new calibration and imaging pipeline that aims at producing high fidelity, high dynamic range images with LOFAR High Band Antenna data, while being computationally efficient and robust against the absorption of unmodeled radio emission. We apply this calibration and imaging strategy to synthesize deep images of the Bootes and LH fields at 150 MHz, totaling $\sim80$ and $\sim100$ hours of integration respectively and reaching unprecedented noise levels at these low frequencies of $\lesssim30$ and $\lesssim23$ $μ$Jy/beam in the inner $\sim3$ deg$^2$. This approach is also being used to reduce the LoTSS-wide data for the second data release.

研究动机与目标

• 阐述在低频段进行深层LOFAR星系外调查的必要性，并解释方向相关校准挑战。
• 描述第三代校准与成像的数学与算法框架(RIME, ddC-rime, ddI-rime)。
• 介绍并验证 ddf-pipeline-v2，以产生高动态范围、热噪声极限的图像。
• 将该流水线应用于Boötes和Lockman Hole场，并报告所得图像质量与鲁棒性改进。

提出的方法

• 给出射电干涉测量方程(RIME)形式，含方向无关的(G)和方向相关的(J) Jones/Mueller 矩阵。
• 描述两步标定与成像(ddC-rime 与 ddI-rime)及dd-self-calibration 的概念。
• 采用以Jones为基础的分面方法，结合多方向求解器(kMS, DDFacet, and killMS)嵌入在ddf-pipeline-v2中。
• 实现提高动态范围的策略，以处理亮源伪迹和未建模的通量吸收。
• 在一个循环中迭代求解天空模型x和Jones项，结合自标定，包含聚类、引导化(bootstrapping)与平滑步骤。
• 展示相较于先前的ddf-pipeline-v1，在稳定性与鲁棒性方面的改进。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将第三代校准与成像（方向相关）整合，以在~150 MHz 下生成热噪声极限的LOFAR 图像？
• RQ2 基于分面且以Jones为基础的dd校准方法在深LOFAR场中的优点与局限性是什么？
• RQ3 与早期流水线相比，ddf-pipeline-v2 是否能提供更鲁棒的成像，减少伪迹与未建模的通量吸收？
• RQ4 在像Boötes和Lockman Hole这样的深场以及长时间积分条件下，可达到的噪声水平和动态范围是多少？
• RQ5 方向相关效应（离子层、波束形状）如何影响低频下的高保真天区重建？

主要发现

• 在Boötes和Lockman Hole 内部约3平方度区域，使用约80–100小时积分，实现噪声水平 ≲30 μJy/beam 与 ≲23 μJy/beam。
• 证明方向相关校准与成像流水线能够从LOFAR HBA数据生成热噪声极限的映射。
• 证明使用ddf-pipeline-v2在亮源周围的伪迹及未建模的通量吸收方面得到改进的鲁棒性。
• 与ddf-pipeline-v1相比，统一流水线中使用kMS/DDFacet 的dd-calibration与成像可获得更好的图像质量和减少的伪迹（见 Sec. 3）。
• 提供了一个可扩展、I/O 高效的工作流，能够跨多个分面和频率-时间域处理方向相关效应。