Take spectra at bin3x3

Show your spectra, your results ...

Take spectra at bin3x3

Postby Stephane Charbonnel » Wed Oct 05, 2011 10:36 pm

Hello,

I don’t know where I can write this post … I hope it is the good place …
On 09/29/2011, I have imaged about more than 10 Be stars. My goal was to give a date in order to confirm evolution or non evolution of objects.
More than 10 objects during 3 or 4 hours : I have used my usual LHIRESIII + ATIK314L but not with 3 exposures of 1200sec at bin1x1 for each object but with only one exposure of 600sec at bin 3x3. The slit was 35µm.
I have given to ISISv3.2.1 pixels of 19.35µm (instead of 6.45µm). All other images were taken at bin 3x3 (object, darks, offset, flat, neon). So, I obtain for example following spectrum:

Image

ISIS give me a resolution of 15600 but I think real resolution is more 5000 than 15000 ?

François Cochard is not agree I give these spectra to BeSS because my slit (35µm) is too little towards size of the pixels (19µm). I would like understand the problem ?

OK, in the future, I will use a mechanical slit of 50µm … But, is it more important to send these spectra in order to color red cases in arasbeam in green or these spectra are really very bad and I must hide them ?

Stéphane
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Re: Take spectra at bin3x3

Postby Stephane Charbonnel » Thu Oct 06, 2011 11:55 am

Hello,

I have forgoten the arasbeam link : http://arasbeam.free.fr/spip.php?page=b ... toile=1142
and I sent the spectrum in FITS format, in the ZIP file because extensions FITS or FIT are not allowed ! Is it possible to correct this ?

Stéphane
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Re: Take spectra at bin3x3

Postby Christian Buil » Fri Oct 07, 2011 11:03 pm

Je te répond en Français Stéphane (traduction assez facile je crois).

Le grandissement du spectrographe LHIRES III est unitaire entre la fente et le détecteur. Donc l'image de la fente dans le plan du détecteur fait bien 35 microns de large dans l'image.

On peut raisonnablement considérer que ces 35 microns représentent la largeur à mi-hauteur caractéristique d'une raie (FWHM), et donne donc la résolution spectrale.

Avec des pixels binné équivalents de 19.35 microns (3 x 6.45) tu échantillonne le FWHM avec 35 / 19.35 = 1.81.

Tu viole ainsi le principe de Nyquist qui impose un échantilonnage par au moins 2 pixels.

La résolution spectrale dans ce cas n'est pas donnée par la fente mais par les pixels de ton capteur. Elle est dégradée. Mais cette dégradation est subtile. Il ne faut pas par exemple s'étonner que ISIS te retourne une formation apparement erronnée. En régime de sous-échantilonnage aucun algorithme n'est capable de donner avec précision la valeur de la résolution spectrale liée à la largeur de fente.

Supposons que tu ferme encore plus la fente : son image est entièrement contenu dans la taille d'un pixel, et on ne voit pas la résolution évoluer, même en fermant encore et encore la fente (en fait, à un moment donnée elle risque de ce dégrader légèrement à cause de l'apparition du phénomène de diffraction).

C'est un peu la même chose si tu passe d'un binning 2x2 à un binning 3x3 : l'échantilonnage est si limite (résolution limitée par la taille du pixel équivalent) que ISIS (ou tout autre soft) va te donner un pouvoir de résolution a peu près constant.

Il est probable que ton image est affectée d'aberrations optiques et que donc le FWHM soit tel que tu a un échantillonnage fort proche de 2. Donc tu respecte à la limite Nyquist.

Mais attention...

Cette situation n'est pas confortable car tu ai en particulier sensible aux defauts de focalisation sur ton spectre. Ton profil spectral risque de changer significativement en fonction du temps pour un simple problème instrumental. Ce n'est pas terrible.

Tu ai aussi extrèmement sensible aux défauts locaux du capteur (points chauds et cosmiques) : un défaut sur un pixel mal placé (sur la trace du spectre, dans la raie Halpha) va créer un effet très visible dans le spectre, dificile à elliminer sans casser quelque chose de réel dans le profil. Je reviens plus loin la dessus.

En outre, comme tu binne aussi suivant l'axe vertical, ton spectre doit être particulièrement étroit, ce qui ne facilite pas l'obtention d'un continuum fiable pour peu que la trace de ton spectre ne soit pas strictement confondu avec l'axe des lignes du CCD (erreur géométrique).

Cette histoire de binning est en réalité un faux amis en spectro en particulier (mais aussi en ciel profond si on regarde de près).
Sur-échantillonner le spectre de manière excessive peut conduire c'est vrai à une dégradation du rapport signal sur bruit (on dilue l'information sur des pixels bruités).

Mais la dégradation n'est souvent vraiment effective en pratique que lorsque le FWHM dépasse 3, voir même 4 pixels. C'est à mettre en regard du bruit spatial évoqué plus haut en régime de sous échantillonnage, trop souvent négligé (le spectre prend un aspect artificiel - ca s'appelle aussi un bruit corrélé). En plus, tu ne fait qu'une seule image, ce qui augmente le risque d'avoir une fausse détection dans le spectre et ce qui interdit un traitement statistique (3 images devrait être un minimum, quitte à réduire le temps de pose unitaire).

Enfin, il faut que tu prenne bien en compte l'existance d'algorithmes de binning optimaux (voir la dernière version de ISIS qui améliore cela, mais tu trouve aussi ce type d'extracteur du profil dans Audace par exemple). C'est là qu'il faut faire porter l'effort. Le resultat peu être spectaculaire, au point que tu ne vois pas de différence entre un binning spatial de 3 ou de 1 (sauf que ce dernier donnera une meilleure photométrie).

Dans ton cas (survey rapide), je ferais du binning 2x2 avec une acquisition séquentielle de 3 poses de 180 à 240 s chacune. Ou alors passer à une fente de 50 microns si tu accepte de perdre en résolution.

Je t'invite aussi, et c'est une recommendation pour tout le monde, de ne pas s'accrocher absolument à la théorie (celle du gain potentielle du binning), mais de faire des comparaisons entre divers points de fonctionnement (bin 3x3 une image, binning 2x2 une image, binning 2x2 3 images, ....) par l'expérimental. Tu fais cela sur une même étoile un peu faible. Ce n'est pas du tout du temps perdu et le résuiltat peu servir pour toute la vie.

L'evaluation dans une gamme de sa configuration est une étape clef pour bien exploiter son équipement.
Tu va gaspiller une nuit, mais tu va apprendre énormément... et pas mal d'autres personnes aussi si tu comunique le résultat ici - car à partir de là on pourra faire une analyse critique ensemble pour améliorer le tout. Je suis toujours un peu étonné de voir comment le rapport signal sur bruit peu être différents entre observateurs qui utilisent un matériel fort semblable (je ne parle pas nécessairement de toi Stéphane) : cela signifie que ce matériel n'est pas toujours utilisé optimalement (ce forum peu aider à progresser via les échanges plus intensif que nous pouvons avoir les uns les autres).

J'ajoute encore que si les étoiles observées ont une largeur naturelle de raies importantes, la haute résolution et les problèmes d'échantilonnage limite sont réduits (raies spectrale naturelle bien résolue donc - comme la raie Halpha dans Vega ou mieux dans Altair). Il n'empèche, on cherche à voir des choses subtiles et tu a bien de l'information qui se perd en sous-échantilonnant (on ne sais jamais ce que l'on va trouver !).

Christian B
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Re: Take spectra at bin3x3

Postby Stephane Charbonnel » Mon Oct 31, 2011 8:57 pm

Bonsoir,

J'ai un peu avancé sur le sujet. J'avoue que mon analyse n'est pas encore complète car à ce moment là, il me manquait des tailles de fente étalonnées.
Toutes les spectres suivants ont été réalisés avec une fente de 35 µm (qui en théorie n'est pas censé respecter le critère de Nyquist pour du bin 3x3 avec des pixels résultants de 19.35 µm).
La résolution n'est pas censée changer car la taille de fente reste identique et donc donnée à environ 16'000
Voici les images obtenues (dans l'ordre chronologique) :

Image

Image

Image
(nuages en fin de session diminuant le SNR).

La différence au niveau de l'émission entre les images bin2x2 et bin3x3 est importante. Et pourtant ces deux images subissent des traitements équivalents (chaque binning a sa série de flat, offset et dark). Par contre, la réponse utilisée a été la même dans les 3 cas (je ne vois pas ce qui pourrait l'empêcher).
On remarque clairement que le bin 3x3 semble moins bruité que le bin 1x1 ce qui montrerait qu'en fait le spectre est sous-échantillonné. De plus, on remarque un problème au bas de l'aile dans le bin 3x3 par rapport aux autres. Enfin, une sur-calibration avec les raies telluriques montre une distorsion qui reste incorrigible en bin 3x3, même avec 3 raies du néon pour l'étalonnage. Bref, le critère de Nyquist est à peine non respecté et ça se voit !
Au contraire, on retrouve dans le bin 2x2 des détails importants dans le spectre, un spectre parfaitement linéarisé, mais ce qui me semble plus bizarre est le fait que les 2 pics sont équivalents alors qu'ils ont un jour d'avance sur le bin 1x1 et quasiment aucune différence d'avec le bin 3x3.

Clairement, il va falloir que je teste différentes situations, la même nuit et toujours sur une Be en émission de magnitude environ égale à 6 :
Fente 23 µm : 4 x 1200 sec en bin 1x1
Fente 35 µm : 3 x 1200 sec en bin 1x1, 4 x 400 sec en bin 2x2 et 3 x 200 sec en bin 3x3
Fente 50µm : 3 x 200 sec en bin 3x3

Affaire à suivre
Stéphane
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Re: Take spectra at bin3x3

Postby Christian Buil » Tue Nov 01, 2011 5:46 pm

Bonne mise en perspective Stéphane de la problématique du binning.

Je ne pense pas que le spectre ai changé physiquement d'aspect d'une nuit à l'autre, en tout cas, c'est assez hautement improbable.
Je pense que les écarts viennent de la manière d'acquérir les données. Et donc ici, le facteur de binning est bel et bien critique.

Note l'aspect des raies H2O en binning 3x3. Tu va voir que parfois elles sont très étroites parfois plus large. Cela ne traduit pas la réalité. C'est vraiment typique du sous-échantilonnage : il y a une perte d'information, ici sur la forme des raies (FWHM).

On a aussi le risque de produire de la fausse information. Il est possible que ce soit le cas avec le double pic. Si tu avais acquis un second jeu de données en binning 3x3 dans la suite, indépendant, il est bien possible que le profil n'eut pas été identique. Le poids de chaque macro-pixels en binning est considérable et le moindre petit incident (un cosmique, un écart sur le bruit, ...) produit un effet fort sur le profil.

En binning 1x1 (éventuellement 2x2) , j'ai nettement plus confiance en ce que je vois. Si tu utilise bien les softs, le binning optimal est capable de distinguer le pixel (élementaire cette fois) déviant et de filter le bruit occasionné. Pense vraiment à exploiter correctement l'option binning optimisé dans ISIS (par exemple), ainsi que le filtrage cosmique spécifique.

Du reste, le rapport signal sur bruit dans le binning 1x1 n'est pas vraiment dégradé par rapport au binning 3x3 dans ton résultat il me semble. Au contraire même je dirais. En binning 3x3 tu prend plein pot les bruits spatiaux ou bruit corrélé, et ca détruit le bénéfice du binning 3x3. Le bruit spatial vient à dominer le bruit de lecture de la caméra et il n'y a aucun gain a attendre d'un binning supérieur. Ton produit (S/B x quantité d'info) commence à ce dégrader. Je pense que tu ai à l'optimum de ce produit (la gain d'info inclue la résolution, mais aussi la confiance dans les données) en binning 1x1, à la limite en binning 2x2, et pas du tout en binning 3x3.

Très interessente discussion

Christian
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Re: Take spectra at bin3x3

Postby Stephane Charbonnel » Tue Nov 01, 2011 9:14 pm

Christian,

Oui, dès le début de la comparaison, je vois que le bin 3x3 est à écarter (ou alors avec une fente de 50µm mais c'est la résolution de départ qui en pâti).
Ce qui me laisse plus perplexe est le bin 2x2 : en effet, les raies de l'eau sont moins "claires" qu'en bin 1x1 et le deuxième pic est moins élevé qu'en bin 1x1, ce qui montrerait que malgré un critère de Nyquisit copieusement respecté, ce mode est limite.
Pour le moment, je vais donc rester en bin 1x1.
La question que je me pose maintenant et que je vais tester : est-ce que je passe à 25µm pour tenter une meilleure résolution (je ne suis qu'à 16'000 avec 35µm) mais avec une perte de luminosité derrière mon "cul de bouteille" et donc 4 x 1200 sec au lieu de 3 x 1200 sec sur la de la magnitude 7 - 8.

Cordialement
Stéphane
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Re: Take spectra at bin3x3

Postby Christian Buil » Wed Nov 02, 2011 1:52 am

Stéphane,

Mon senti est qu'il vaut mieux travailler à 35 microns, à moins d'avoir un télescope et un seeing (+ suivi) de très haute qualité. C'est encore ici une question de produit optimal (Resolution x détectablité). Ces deux quantité sont fortement couplées, mais le produit n'est pas obligatoirement constant. Il ne faut pas trop chercher la résolution forte si on a des points un peu faible ailleurs. Question de senti donc.

Pour l'évaluation Bin1x1, Bin2x2 il faut peut être sélectionner une étoile plus brillantes pour rendre le bruit moins génant quant à la certitude des détails vu. Disons une étoile de type K, F ou G de magnitude 2 à 3.

Christian
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Re: Take spectra at bin3x3

Postby Stephane Charbonnel » Wed Nov 02, 2011 9:16 am

D'accord Christian
C'est sur qu'à 25 µm, à part perdre beaucoup de lumière, je ne suis pas sûr que ça me rapporte tant que ça au niveau résolution.

Stéphane
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