Jorge Núñez de Murga Department d’Astronomia i Meteorologia Universitat de Barcelona

Jorge Núñez de Murga

Department d’Astronomia i Meteorologia

Universitat de Barcelona

AyA2008-01225: Optimización del retorno científico de la observación astronómica:

Nuevos desarrollos y aplicaciones.

Jornada de seguimiento de proyectos en Astronomía y Astrofísica. Madrid, 14 de septiembre de 2010

• Título del proyecto: Optimización del retorno científico de la observación astronómica. nuevos desarrollos y aplicaciones

• Entidad financiadora: MCyT-SEPCyT

• Referencia: AyA2008-01225

• Programa: Plan Nacional de I+D+I

• Duración desde: 1/1/2009 - 31/12/2011

• Investigador principal: Jorge Núñez de Murga (Universitat de Barcelona)

• Resto equipo investigador: Octavi Fors Aldrich, Maite Merino Espasa, Roberto Baena Gallé, Jose Luís Muiños Haro (ROA), Francisco Javier Montojo Salazar (ROA), Antoni Maria Correig Blanchar, José María Codina Vidal y Abert Prades Valls (UPC)

PROYECTO AyA2008-01225PROYECTO AyA2008-01225

• El presente proyecto es la continuación de los proyectos subvencionados:• AyA2005-08604 (dedicado precisamente a deconvolución, super-

resolución y sus aplicaciones)

• AyA2001-3092

• PB097-0903

• PB95-1031

• PB94-0905

• PB90-0478

• Así como de las acciones especiales y convenios para la puesta en marcha del Telescopio TFRM (Cámara Baker-Nunn de San Fernando):• AYA2002-11251-E (194,000 euros)

• AYA2001-4114-E

• Convenio especial Generalitat Cataluña (300,000 euros)


• Gracias a los avances tecnológicos, los detectores astronómicos están ya muy cercanos a ciertos límites físicos:

• Eficiencia cuántica (cercana ya al 100%)

• Tamaño mínimo del píxel (de pocas micras de tamaño).

• El procesado digital de las imágenes es fundamental para la optimización del retorno científico de las observaciones astronómicas y figura entre los de más proyección dentro de la Astronomía actual.

• Entre las muchas técnicas de procesado digital de datos astronómicos dos de las áreas de mayor impacto:

• Deconvolución

• Técnicas de super-resolución


• Objetivos teóricos:

• Optimización del retorno científico de las observaciones astronómicas utilizando para ello,

• Nuevos desarrollos de las herramientas matemáticas más modernas como son, por ejemplo:

• Técnicas Bayesianas,

• Descomposición en wavelets.

• Aplicación práctica:• Mejorar la detectabilidad de objetos débiles

• Mejorar las imágenes submuestreadas

• Deconvolución de datos interferométricos

• Mejorar la detectabilidad de basura espacial orbital


• Aplicación concreta a imágenes de gran campo (4ºx4º) obtenidas con las cámaras Baker-Nunn de San Fernando y Calgary y, por otra parte, a datos interferométricos para lograr:• Incremento de entre 0.7 y 0.8 magnitudes en el límite de

detección (al menos un 100% de incremento en objetos detectables)

• Incremento de resolución de hasta un factor 2

• Los objetivos pueden influir notablemente en aplicaciones concretas tales como:• Incremento en la resolución del HST,

• Incremento en la detección de NEOs y PHAs

• Detección de basura espacial en las órbitas GEO y GTO


• Objetivos concretos del proyecto:1. Continuación del estudio y desarrollo de nuevos algoritmos para la

deconvolución de imágenes.

2. Desarrollo de algoritmos basados en la descomposición en wavelets para la obtención de superresolución.

3. Desarrollo de algoritmos de detección automática de NEOs, PHAs y TNOs en campos grandes y densos.

4. Aplicación de los puntos anteriores a las imágenes submuestreadas de gran campo de las cámaras Baker-Nunn.

5. Aplicación a las imágenes de observación de satélites artificiales y basura espacial.

6. Aplicación a la deconvolución de datos interferométricos.

7. Aplicación a otros datos e instrumentos (HST, IR, speckle, óptica adaptativa, Scanning CCD, etc.).

8. Aplicación a la reducción de observaciones fotométricas (Visual e IR) de estrellas por la Luna.


Resultados del proyecto hasta la fecha:

Publicaciones 2010

O. Fors, J. Núñez, X. Otazu y A. Prades, “Improving the ability of image sensors to detect

faint stars and moving objects using image deconvolution techniques”, Sensors. Special

issue on "Image Sensors", vol. 10, pp. 1743-1752 (2010). (objetivos 1, 4 y 5)

A. Richichi, O. Fors, W-P. Chen, and E. Mason, “New high-sensitivity, milliarcsecond

resolution results from routine observations of lunar occultations at the ESO VLT”,

Astron. & Astrophys. Vol. pp. Aceptado A&A http://adsabs.harvard.edu/abs/

2010arXiv1007.2611R (2010) (objetivos 7 y 8)

R. Baena y J. Núñez, “Effects of the Curvelet Transform over Interferometric Images”, Int.

Journal of Imaging Systems and Technol., vol. 20, n.4, pp. (2010). (objetivos 1 y 6)



M.T. Merino y J. Núñez “Super-Resolution with Additive-Substitutive wavelets of Remotely

Sensed Images”, IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing. Vol. n. , pp. (Enviado

sept. 2010) (objetivos 2 y 7)

O. Fors, F.J. Montojo, R. Baena, J.L. Muiños, J. Núñezz, R. Boloix, M. Merino y R. Morcillo,

“Fabra-ROA Baker-Nunn camera at Observatori Astronòmic del Montsec: an instrument

update for space debris observation”, 11th Annual AMOS Conference, Maui, Hawaii,

September 14-17, 2010. AMOS Conference proceedings, http://www.amostech.com/

publications/proceedings.cfm pp. (2010). (objetivos 4 y 5)

R. Baena and S. Gladysz, “Estimation of differential photometry in adaptive optics observations

with a wavelet-based maximum likelihood estimator”, PASP, (enviado septiembre 2010).

(objetivo 7)



S. Gladysz, R. Baena, J. Christou, and L. Roberts, “Differential photometry in adaptive optics

imaging”, 11th Annual AMOS Conference, Maui, Hawaii, USA, September 14-17, 2010.

AMOS Conference procc, http://www.amostech.com/ publications/proceedings.cfm pp.

(2010). (objetivo 7)

Publicaciones 2009

E.P. Horch, D.R. Veillette, R. Baena, S.C. Shah, G.V. O’Rielly, W.F. van Altena,

“Observations of binary stars with the differential speckle survey instrument. I,

Iinstrument description and first results”, The Astronomical Journal, vol. 137, pp. 5057–

5067 (2009). (objetivo 7)



J. Núñez, O. Fors y A. Prades, “Using Image Deconvolution to Increase the Ability to Detect

Stars and Faint Orbital Objects in CCD Imaging”, International Conference on Digital

Image Processing (ICDIP-2009), Marzo 7-9, 2009, Bangkok, Tailandia, ISBN: 978-1-

4244-3570-8, pp. 195-199 (2009). (objetivos 1, 4 y 5)

A. Richichi, C. Barbieri, O. Fors, E. Mason, “The beauty of speed”, The ESO Messenger, vol.

135, pp.32-36 (2009). (objetivos 7 y 8)

A. Richichi, O. Fors, E. Mason, M. Delbo, J. Stegmeier, G. Finger, “Life on the fast lane: the

burst mode at the VLT at present and in the future”, Astrophysics and Space Science

Proceedings, "Science with the VLT in the ELT Era". ISSN 1570-6591. Springer

Netherlands (2009), p. 455 (2009). (objetivos 7 y 8)



O. Fors, J. Núñez, J.L. Muiños, F.J. Montojo, R. Baena, M. Merino, R. Morcillo y V. Blanco,

“The Fabra-ROA Baker-Nunn Camera at Observatori del Montsec: a wide-field imaging

facility for exoplanet detection”, Pathways towards habitable planets, V. Coude du

Foresto, D. Gelino, I. Ribas (eds.), Astronomical Society of the Pacific. Conf. Series, vol,

430, pp 428-429. (2009) (objetivos 4 y 5)

A. Richichi, O. Fors, E. Mason, W.P. Chen, G. Finger, J. Stegmaier y J. Núñez.

“Milliarcsecond binaries detection by lunar occultations with VLT”, Double and Multiple

Stars: Dynamics, Physics, and Instrumentation, Santiago de Compostela, Diciembre 10-

11, AIP Conf. Proc. Vol. pp. (2009). (objetivos 7 y 8)



A. Richichi, O. Fors, E. Mason,W.P. Chen, G. Finger, J. Stegmaier, C. Barbieri, G. Naletto,

T. Occhippinti. and G. Capraro, “Scientific results at ESO with millisecond and

nanosecond time resolution”, Detectors for Astronomy 2009, EPJ Web of Conferences

http://www.eso.org/ sci/meetings/dfa2009/Writeups/WR-richichi.pdf), Garching,

Alemania, (2009) (objetivos 7 y 8)

Resumen: 14 publicaciones (7 en revistas, 7 en proceedings

arbitrados) que cubren la totalidad de los objetivos del proyecto

excepto el objetivo 3 (desarrollo de algoritmos de detección

automática de NEOs, PHAs y TNOs en campos grandes y densos)

que está pendiente de desarrollo.



Los resultados anteriores han sido presentados en diversos

congresos y reuniones: International Conference on Digital Image Processing (ICDIP-2009), Bangkok, Tailandia

03/2009.

Double and Multiple Stars: Dynamics, Physics and Instrumentation. Santiago de Compostela, España, 12/2009

Seminars at University of Vienna, Vienna, Austria, 11/2009 http://astro.univie.ac.at/research/seminars-colloquia/?L=2

Pathways towards habitable planets, Barcelona, España, 09/2009

Science with the VLT in the ELT Era. ESO, Garching, Alemania, 06/2009

Detectors for Astronomy 2009, EPJ Web of Conferences, Garching, Alemania, 10/2009.

High Time Resolution Astrophysics (HTRA) IV - The Era of Extremely Large Telescopes, Creta , Grecia, 05/2010.

Digital Image Processing and Analysis (DIPA) meeting, June 7-8 2010, Westin La Paloma, Tucson, Arizona United States. 06/2010

11th Annual AMOS Conference, Maui, Hawaii, USA, September 14-17, 09/2010.


Resultados del proyecto hasta la fecha:Varias de las publicaciones (aplicación a ocultaciones lunares) se basan

en la obtención de los siguientes periodos de observación:Telescopio 10.4m GTC (ORM). Programa de ocultaciones lunares:

• Semestre 1 2010 (2010A): concedidas 1+1 horas (modo aún por determinar, colaborador en la propuesta).

Telescopio 8.2m VLT-UT1 de ESO (Cerro Paranal). Programa de ocultaciones lunares:

• Semestre 2 2009 (P83): 15 horas (modo servicio, colaborador en la propuesta)

• Semestre 2 2009 (P83): 2 noches (modo visitante, colaborador y observador en la propuesta)

• Semestre 2 2010 (P85): concedidas 15 horas (modo servicio, colaborador en la propuesta)

• Semestre 2 2010 (P85): concedidas 0.5 noches (modo visitante, colaborador y observador en la propuesta)

Telescopio 3.5m WIYN (WIYN Observatory, Kitt Peack, USA). Programa de interferometría Speckle sobre estrellas binarias.

• Semestre 1 2009: 6 noches de observación (modo visitante, observador en la propuesta).


Resultados del proyecto hasta la fecha:Durante el desarrollo del proyecto se han realizado estancias de larga duración en el extranjero :•European Southern Observatory (ESO), Garching bei Munchen, (Alemania), 10 de mayo a 20 de junio de 2010 (6 semanas). Tema: Lunar occultations. (OFA)•South Connecticut State University (SCSU), New Haven (Connecticut, USA). 2 de Junio a 3 de Agosto de 2009 (9 semanas). Tema: Colaboración con la SCSU para el tema de reducción de datos de interferometry Speckle (RBG)•Kitt Peak National Observatory (Tucson, Arizona, USA) y Lowel Observatory (Flagstaff, Arizona, USA). 9 de junio a 20 de junio de 2009 (2 semanas). Tema: Interferometría Speckle. Observaciones Speckle y colaboración con el grupo del Lowel Observatory para el tema de reducción de datos de interferometría Speckle (RBG). •European Southern Observatory (ESO), Garching bei Munchen, (Alemania), 21 Septiembre a 19 de Diciembre de 2009. Tema: Deconvolución de imágenes interferométricas en Radioastronomía(RBG).


Resultados del proyecto hasta la fecha:Durante el desarrollo del proyecto se ha recibido la visita de investigadores colaboradores extranjeros :

•Dr. Andrea Richichi, ESO: Noviembre 2009 (1 semana) en el marco del programa del European Southern Observatory “Lunar Occultations of stellar sources”

•Prof. William F. Van Altena, Yale University: Junio 2010 (3 semanas) en el marco de la colaboración astrométrica para la cámara Baker-Nunn.

•Dr. Mike Mazur, University of Calgary: septiembre 2010 (1 semana) en el marco de la colaboración para la cámara Baker-Nunn.


Resultados del proyecto hasta la fecha:Puesta a punto de la cámara Baker-Nunn de San Fernando

Durante el desarrollo del proyecto se ha trabajado muy intensamente en diferentes partes que componen el proyecto de modernización, robotización y traslado al Observatorio del Montsec de la cámara Baker-Nunn de San Fernando

•Telescopio óptimo para completar los objetivos 4 y 5 del proyecto

•Desmonte del espejo de 78cm de la cámara y su realuminización en la empresa Clausing Inc.. (Illinois, USA), que lo sometió a la técnica "diamond Brite", de larga duración y 97% reflectividad•Repulido por la empresa Harold Johnson Optical Labs. (CA, USA) del primer elemento del sistema corrector óptico de 50cm de diámetro para eliminar la falta de transparencia motivada por el carácter higroscópico del vidrio (se recuperó la totalidad de la transparencia original de la lente)


Resultados del proyecto hasta la fecha:Puesta a punto de la cámara Baker-Nunn de San Fernando

•Traslado desde el Reino Unido (GRPro Ltd, Redruth, UK) del módulo de fibra de vidrio para el edificio de la cámara (transporte especial)•Instalación bajo condiciones meteorológicas muy duras del edificio•Realización de ajustes y pruebas de apertura y cierre del edificio.•instalación de un suelo especial anti reflexión de la luz; instalación eléctrica e informática; instalación de sistemas de protección para rayos; instalación de webcams, aire acondicionado, SAIs, etc.;

•Traslado de la cámara al Montsec, montaje, ajuste óptico y mecánico y obtención de primera luz en la nueva ubicación (septiembre 2010).

•El telescopio ha quedado ya, por tanto, totalmente preparado para la realización de las observaciones a que se refieren los punto 4 y 5 de los objetivos del proyecto (aplicación de los nuevos algoritmos a las imágenes submuestreadas de gran campo de las cámaras Baker-Nunn y particularmente )



ColaboracionesEl proyecto ha continuado con una larga tradición de colaboraciones internacionales reflejadas en la lista de publicaciones. Concretamente las colaboraciones han sido con: •Yale University. Depatment of Astronomy, New Haven, (CT, USA)•University of Massachusetts. Department of Physics, Dartmouth, MA, (USA)•South Connecticut University. Department of Physics, (New Haven, CT, USA)•Royal Holloway University of London. Department of Computer Science.. Egham, (Surrey, UK)•University of Calgary. Rothney Observatory, Calgary, (Alberta, Canadá)• European Southern Observatory. Garching b.M. (R.F. Alemania)•Spanish Virtual Observatory (SVO). Villafranca del Castillo (Madrid)



Colaboraciones

Los programas de colaboración se han centrado en la deconvolución de imágenes ópticas e interferométricas; la modificación de la cámara Baker-Nunn de San Fernando; el programa de ocultaciones lunares fotoeléctricas con cámaras infrarojas y la utilización conjunta de las cámaras Baker-Nunn de San Fernando y Calgary. Los beneficios para el proyecto han sido grandes ya que se trata de colaboraciones con los mejores especialistas mundiales para el desarrollo de varios de los puntos del plan de trabajo del presente proyecto.

Cabe destacar especialmente las colaboraciones con el Depatment of Astronomy, Yale University, New Haven, (CT, USA); el Department of Physics, South Connecticut University, New Haven, (CT, USA) , el Rothney Observatory, University of Calgary, Calgary, (Alberta, Canadá) y el European Southern Observatory, Garching b.M. (R.F. Alemania).



Grado de consecución de los objetivos propuestos

De lo anteriormente expuesto, particularmente en las publicaciones, se

puede deducir:•El grado de consecución de los objetivos propuestos en este proyecto es aproximadamente del 60% •Cuadra perfectamente con el tiempo dedicado al mismo desde su inicio en enero de 2009 hasta la fecha (20 meses) respecto a la duración del mismo (tres años) . •Una gran parte del trabajo que falta se basa en la aplicación de los nuevos algoritmos de deconvolución y superresolución a las imágenes submuestreadas de la cámara Baker-nunn de San Fernando que ha quedado ya lista para su completo uso tras su actualización y traslado a la sierra del Montsec.


Algunos resultados concretos del proyecto relativos a:

•Nuevos algoritmos para deconvolución de datos interferométricos (Synthesis Imaging)

•Uso de la transformada de curvelets para el tratamiento y la deconvolución de imágenes.

•Obtención de superresolution mediante la transformada de wavelets

•Uso de la deconvolución de imágenes para mejorar la detección de faint moving objects (NEOs, PHAs, space debris)

•Puesta a punto, traslado y ajuste de la cámara Baker-Nunn de San Fernando


WORK IN PROGRESS: New algorithms for Synthesis ImagingWORK IN PROGRESS: New algorithms for Synthesis Imaging

Basic ideas:

– Data should not be moved from their origin

– Compute the Likelihood in Fourier domain

Algorithms:

A) Gaussian with = constant

2

2

| ( , ) ( , )|

2

,

In place of ( | ) in object ( , ) space compute:

1( | )

2

V u v a u v

obsu v k

P p a x y

P V a e

*

2( )

2( )

using the hermitian property of visibilities ( , ) ( , )

taking the maximum respect ( , ), using

log ( | )( , ); 0 gives:

( , ) ( , )

( ( , ) ( , ))

iux vy

obsN

iux vy

N

u

V u v V u v

a x y

P V aa u ve

a x y a x y

V u v a u v e

2

,

21 ( ) 2

,

( 1) ( )

;

using the sample function ( , ) and taking IFT

( ( , ) ( , )) ( , ) ;

The maximum Likelihood algorithm:

( , ) ( , ) ( ( , ) ( , ) ( , ) ( , ))

k

v

iN ux vyN

u v

k k

F u v

V u v a u v F u v e

a x y a x y IFT V u v F u v a u v F u v const

WORK IN PROGRESS: Synthesis ImagingWORK IN PROGRESS: Synthesis Imaging

1/2

( 1) ( )

B) Gaussian with . but independent of signal

(ex: ( , )=| ( , )| ).

Similar algorithm:

( , ) ( , ) ( , ) ( , )( , ) ( , )

| ( , ) |

k k

var

u v V u v

V u v F u v a u v F u va x y a x y IFT const

V u v

2

1/2

| ( , ) ( , )|

2| ( , )|

1/ 2,

C) Gaussian with . but dependent of signal

case: ( , )=| ( , )| :

the likelihood:

1( | )

2 | ( , ) |

V u v a u v

a u vobs

u v k

var

u v a u v

P V a ea u v


22 2 ( )

3,

Derivatives are more difficult because the dependence of

( , ) of ( , ).

log ( | )0 gives:

( , )

| ( , ) | | ( , ) |( , )

2 | ( , ) |

using the sample function ( , ) a

obs

ik ux vyN

u v

u v a x y

P V a

a x y

V u v a u va u v e

a u v

F u v

nd taking IFT

The maximum Likelihood algorithm:


2 2( 1) ( )

3

| ( , ) ( , ) | | ( , ) ( , ) |( , ) ( , ) ( , )

2| ( , ) ( , ) |

k k V u v F u v a u v F u va x y a x y IFT a u v const

a u v F u v


• Maximum likelihood algorithms should be stopped

• Entropy prior can be incorporated easily

Example: VLA observation of microquasar LSI +61 303 with good (u,v) coverage:

(u,v) coverage Image (dirty map) PSF (dirty beam)


CLEAN deconvolution MLE deconvolution (algorithm C, central star removed)

WORK IN PROGRESS: Using the curvelet transformWORK IN PROGRESS: Using the curvelet transform

Basic ideas:

– Using the curvelet transform to enhance some structures in optical and interferometric images

– Curvelets have properties oriented to classify the visual information in the image depending on its elongated structures

Effects of deleting the curvelet coefficient corresponding to scales 0 and 1 (high frequencies).

WORK IN PROGRESS: Using the curvelet transformWORK IN PROGRESS: Using the curvelet transform

Top row: sources in the green circlers at curvelet scale (c3 or c2). Lower row: the corresponding images in the wavelet representation at the same scales.

The curvelet transform exhibits:1. Better capability of separating extended sources from point objects.2. Better isolation of the sources with respect to the background 3. Higher tendency to keep the information belonging to the sources in fewer scales

Real interferometric data

WORK IN PROGRESS: Obtaining SuperresolutionWORK IN PROGRESS: Obtaining Superresolution

Basic ideas:

– Using wavelet based image fusion to combine images to obtain superresolution

– Expand all images to a finer grid. Perform the wavelet transform of all images.

– Substitutes at each pixel the wavelet plane w1;1 by: (w1;1 + w2;1 +… +wn;1)/n


Remote sensing application:


Astronomical application:– Left: combination of 9 simulated images of Mercury obtained from a real

Mariner 10 image – Right: combination of 18 real images obtained by the HST STIS (CCD

mode) of the Hubble Deep Field North project database (HDFN).

WORK IN PROGRESS: Using Image Deconvolution to detect faint moving objects (NEOs, PHAs, space debris)

WORK IN PROGRESS: Using Image Deconvolution to detect faint moving objects (NEOs, PHAs, space debris)

Basic ideas:

– About 600,000 space debris objects are larger than 1cm but only about 13,000 of them are cataloged. Space debris has become a growing concern in recent years.

– Invert the imaging equation in order to concentrate the light spread along the trail in few pixels. To do this, we use the image of a trailing object as PSF.

Simulated example

WORK IN PROGRESS: Using Image Deconvolution to detect faint moving objects (space debris)

WORK IN PROGRESS: Using Image Deconvolution to detect faint moving objects (space debris)

Real example

CCD image of a group of satellites (upper left). The same image with most of its stars removed (upper right). AWMLE deconvolution of upper right image using the brightest satellite trail as PSF (lower panel).

Puesta a punto de la cámara Baker-Nunn de San Fernando

http://www.am.ub.es/bnc/images/rsgallery/original/DSC00104p.JPG



Puesta a punto de la cámara Baker-Nunn de San Fernando

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