Введение к работе
Актуальность темы. Диссертационная работа В.Г.Промыслова посвящена одной из актуальных проблем современной радиоастрономии -улучшению разрешения при построении карт радиоастрономических источников, на примере восстановления карт молекулярных облаков.
В настоящее время накоплен большой опыт и материал, относящийся к наблюдениям и обработке молекулярных облаков. Большинство молекулярных облаков, особенно их наиболее плотные области, где происходит образование звёзд и планет, непрозрачны в оптическом диапазоне, поэтому наблюдения радиолиний молекул-являются основным, а часто и единственным методом изучения этих объектов.
В радиодиапазоне изучение межзвёздных молекул началось с 196,3 г., когда американский радиоастроном А. Варретт с соавторами обнаружил на волне 18 см линии поглощения гидроксила (ОН) в направлении остатка сверхновой Cas А. Впервые указал на возможность наблюдения этой молекулы и рассчитал частоты линий И. С. Шкловский.
С помощью наблюдений молекулярных радиолиний удается определить многие важнейшие параметры межзвёздной среды - кинетическую температуру, плотность, обилие молекул, оценить массу облака и т.д.
Это обстоятельство способствовало интенсивным исследованиям областей звездообразования в линиях простых молекул, таких как СО, CS, NH3. Значительно меньше исследованы молекулярные облака в линиях более сложных молекул типа метилацетилена, метанола, метилцианида.
Наблюдения молекулярных облаков проводятся как интерферометри-ческим методом, так и с применением сканирования на одиночных антеннах.^
Одним из важнейших этапов обработки наблюдательных данных являются процедуры построения и улучшения (восстановления) изображения. Основные проблемы, возникающие при обработке изображений в радиоастрономии, связаны с повышением их качества, устранением дефектов изображения, имеющих аппаратурное происхождение и увеличением разрешения.
Аппаратное разрешение любой радиоастрономической системы зависит от длины волны, на которой проводятся наблюдения и максимальной апертуры (диаметра антенны для систем с заполненной апертурой или максимальной длины базы между элементами системы для антенных решеток). Каждая подобная система является, но существу, уникальным со-
оружением. Затраты на обработку изображение составляют малую часть суммы, требуемой на физическое улучшение системы наблюдения. Поэтому в радиоастрономии обработка изображений с получением на восстановленных картах более высокого разрешения становится экономически оправданной задачей.
Реальные иитерфсрометрические системы малочувствительны к ко-роткобазовым компонентам источника (больше 5-15 угловых секунд), а в большинстве изображений, полученных сканированием одной антенной отсутствуют длишюбазовые компоненты пространственного спектра источника (меньше 20 угловых секунд). Увеличение разрешения при восстановлении изображения источника, картографированного методом сканирования на одной антенне, дает возможность получить пространственные частоты спектра, к которым не чувствительны оба метода наблюдения.
Линейные методы улучшения изображений, основанные на математическом аппарате тихоновской фильтрации, вычислительно эффективны, но имеют недостаток - восстановленное изображение не может содержать пространственных частот, отсутствующих в исходном изображении. Только за счет использования нелинейных методов восстановления изображений возможно расширить полосу пространственных частот. Однако, нелинейные методы приводят к необходимости оптимизации нелинейного функционала, что является в общем случае нетривиальной задачей. Из-за отсутствия аналитического решения приходится использовать численные кетоды. Наличие шумов в реальных наблюдениях приводит к появлению вырожденных матриц и поэтому не всегда удается успешно обработать изображение.
Цель работы состояла в:
Разработке эволюционного алгоритма оптимизации нелинейного функционала для восстановления изображений методом максимума энтропии, устойчиво работающего с вырожденными данными.
Разработке программы, реализующей данный алгоритм для обработки изображений, полученных па одиночной антенне со сканированием главным лучом диаграммы направленности.
Построении с помощью разработанной программы карт молекулярных облаков.
Научная новизна работы. В диссертационной работе В.Г.Промыслова получены следующие новые результаты:
-
Разработан эволюционный алгоритм для восстановления радиоизображений методом максимума энтропии, который является пока единственным алгоритмом такого типа в радиоастрономии.
-
Впервые построена карта источника L 379IRS3 в линии метанола 6-і — 5оЕ. Определены значения параметров высокоскоростного биполярного потока.
Научная и практическая ценность работы. Полученные результаты картографирования тринадцати молекулярных облаков могут быть использованы в дальнейшем для более точного определения их физических параметров.
Программа, реализующая разработанный эволюционный алгоритм оптимизации для восстановления изображений методом максимума энтропии, устойчиво работает с вырожденными данными и позволяет надежно обрабатывать изображения, полученные в результате сканирования источника главным лучом диаграммы направленности на одиночной антенне.
Программа используется в АКЦ ФИАН для обработки наблюдений молекулярных облаков.
Личный вклад автора в совместные работы. Автором разработан эволюционный оптимизационный алгоритм для восстановления радиоизображений методом максимума энтропии.
Создан программный комплекс для обработки изображений с использованием данного алгоритма.
Автором проведены наблюдения и обработаны полученные данные для источника L379 IRS3 в линии метанола 6-і — 50Е. Впервые построена карта источника L379 IRS3 в линии метанола 6-і — 5qE.
При участии автора проводилась обработка наблюдений молекулярных облаков для источников DR 21(ОН), NGC 2264, S 140, G34.26+0.15, Ori S6, G30.8-0.1, G34.26+0.15, W 51Е1/Е2, NGC 281-W, AFGL 5180.
Лично автором выполнена оценка'эффективного разрешения для тринадцати восстановленных карт молекулярных облаков.
Апробация результатов. Все основные результаты и положения, выносимые на защиту достаточно обоснованы в диссертации и положенных в ее основу публикациях.
Результаты обсуждались на следующих семинарах и конференциях:
-
XXVII Радиоастрономическая конференция, Санкт-Петербург, 1997.
-
Conference "The star formation from small to large scale structures." Holland, Noordvijk, 1999.
-
JENAM 2000, Moscow Russia.
-
Отчетные сессии и семинары Астрокосмнческого центра.
Основные результаты, выносимые на защиту
-
Разработан новый эволюционный алгоритм оптимизации для восстановления изображений методом максимума энтропии, способный работать с вырожденными матрицами, встречающимися в большинстве реальных случаях обработки радиоастрономических изображений.
-
Получены формулы расчета значений параметров для операторов выбора и селекции, увеличивающие скорость сходимости алгоритма.
-
Разработана методика использования в эволюционном алгоритме модельного изображения, которая уменьшает приблизительно на 30% время работы программы при восстановлении радиоизображения средней сложности. Методика позволяет внести собственное априорное представление о конечном изображении, без риска получить плохо обоснованный наблюдательными данными результат.
-
Разработан программный комплекс для восстановления изображений методом максимума энтропии.
-
Построены карты тринадцати молекулярных областей в линиях ме-тилацителена (СНзССН) 6^-5^, метанола (СН3ОН) 6_i-50i?, метил-цианида (CH3CN) &к-Ьк и сульфида углерода (CS) J — 2 — 1 с улучшенным в 1.1 — 2 раза разрешением по сравнению с исходными картами молекулярных областей. Для обработанных карт источников L379 IRS3, G34.26+0.15, W51 Е1/Е2, DR 21(ОН) проведено сравнение с известными интерферометрическими картами.
-
Выполнена оценка эффективного разрешения для восстановленных карт молекулярных облаков.
-
Для источника метанола L379 IRS3 в линии б_1-50; рассчитаны физические параметры по восстановленной карте: геометрические размеры облака и плотность высокоскоростного газа.