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一般化オーロラトモグラフィ法の再構成アルゴリズムの比較(途中経過) 1 PowerPoint Presentation
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一般化オーロラトモグラフィ法の再構成アルゴリズムの比較(途中経過) 1

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一般化オーロラトモグラフィ法の再構成アルゴリズムの比較(途中経過) 1 - PowerPoint PPT Presentation


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一般化オーロラトモグラフィ法の再構成アルゴリズムの比較(途中経過) 1. 田中良昌、麻生武彦、田邉国士、 B. Gustavsson 、門倉昭、小川泰信. 情報・システム研究機構 新領域融合研究センター 国立極地研究所 早稲田大学理工学部 トロムソ大学. これまでの問題点.  特性エネルギー E P が小さいところ( E P <1keV )で、再構成がうまくいかない。.  再構成のエネルギー範囲の最大値を、 E=300eV-20keV  →  E=10eV-50keV に広げると、再構成がうまくいかない。 電子エネルギーが高く見積もられる傾向がある。.

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Presentation Transcript
slide1

一般化オーロラトモグラフィ法の再構成アルゴリズムの比較(途中経過)1一般化オーロラトモグラフィ法の再構成アルゴリズムの比較(途中経過)1

田中良昌、麻生武彦、田邉国士、

B. Gustavsson、門倉昭、小川泰信

  • 情報・システム研究機構 新領域融合研究センター
  • 国立極地研究所
  • 早稲田大学理工学部
  • トロムソ大学
slide2
これまでの問題点
  •  特性エネルギーEPが小さいところ(EP <1keV)で、再構成がうまくいかない。
  •  再構成のエネルギー範囲の最大値を、E=300eV-20keV → E=10eV-50keV に広げると、再構成がうまくいかない。 電子エネルギーが高く見積もられる傾向がある。

Q0 (全エネルギーフラックス)

EP (特性エネルギー)

eV

mW/m2

CNAデータを取り込むときに、問題となる。

slide3
理想的な条件下での再構成テスト

左図のような理想的な観測点、オーロラの配置を仮定して、再構成をテストする。(全てのボクセルが、必ず3観測点以上から見えている。)

C2

C3

200km

5

300km

4

セルを通る

視線が存在

する観測点

の数

Skibotn

3

200km

2

80km

E

1

S

C4

C5

  • 水平空間分布

EP (特性エネルギー)

Q0 (全エネルギーフラックス)

eV

mW/m2

slide4

高度 (km)

放射率 (cm-3 s-1)

放射率 (cm-3 s-1)

放射率 (cm-3 s-1)

共役勾配(CG)法

オーロラ3次元構造

アークに沿っての放射率の差

Λ再構成– Λ入力

放射率(Λ)

Cor=0.88

高度 (km)

共役勾配法で解く。

解に負の値が許されているので、発光ピーク高度周辺はうまく再構成できない。

slide5

高度 (km)

放射率 (cm-3 s-1)

放射率 (cm-3 s-1)

放射率 (cm-3 s-1)

Gauss-Newton法

非負条件(Λ≧0)あり

オーロラ3次元構造

アークに沿っての放射率の差

Λ再構成– Λ入力

ただし、初期値は、CG法で求めた解を使用。

   (負の値には0を入れる)

Cor=0.99

高度 (km)

x について、ガウス・ニュートン法で解く

かなりうまくいっているが、放射率ピーク高度より上でうまく再構成できない。

初期値をCG法の解としたため?

放射率ピーク高度

slide6
乗法的SIRT法

オーロラ3次元構造

アークに沿っての放射率の差

Λ再構成– Λ入力

ただし、画素値に0が入っているとうまく再構成できない

場所が生じるので、画像に+10Rのオフセットを加えた。

Cor=0.997

放射率ピーク高度

これが最もうまく再構成できている。

高度 (km)

放射率 (cm-3 s-1)

放射率 (cm-3 s-1)

放射率 (cm-3 s-1)

slide7

Q0 (全エネルギーフラックス)

EP (特性エネルギー)

入射電子フラックス

eV

共役勾配法

mW/m2

NI=300

Gauss-

Newton法

非負条件(Λ≧0)あり

eV

mW/m2

初期値は、CG法の解

NI=300

SIRT法が最も再構成結果が良い。

乗法的

SIRT法

eV

mW/m2

NI=30, Noise=+10R

e p 500ev
アークが全てEP=500eVのとき

C2

C3

200km

  • 水平空間分布

EP (特性エネルギー)

Q0 (全エネルギーフラックス)

Skibotn

200km

eV

mW/m2

C4

C5

e p 500ev1

放射率の高度分布

アークが全てEP=500eVのとき

共役勾配法

NI=300

入力

高度 (km)

再構成

Gauss-Newton法

非負条件(Λ≧0)あり

ピーク高度より上の放射率が、うまく再構成できない。

初期値は、CG法の解

NI=300

高度 (km)

乗法的SIRT法

NI=30

SIRT法は、問題なし。

高度 (km)

e p 500ev2
アークが全てEP=500eVのとき

入射電子フラックス

Q0 (全エネルギーフラックス)

EP (特性エネルギー)

共役勾配法

NI=300

Gauss-

Newton法

非負条件(Λ≧0)あり

EPが小さいと、ピーク高度より上の放射率の割合が高いので、うまく再構成できなくなる。

初期値は、CG法の解

NI=300

乗法的

SIRT法

SIRT法は問題なし。

NI=20, Noise=+10R

e p 500ev3
アークが全てEP=500eVのとき

入射電子フラックス

Q0 (全エネルギーフラックス)

EP (特性エネルギー)

Gauss-

Newton法

非負条件(Λ≧0)あり

EPが小さいと、ピーク高度より上の放射率の割合が高いので、うまく再構成できなくなる。

初期値は、CG法の解

NI=300

乗法的

SIRT法

SIRT法は問題なし。

NI=20, Noise=+10R

Gauss-

Newton法

非負条件(Λ≧0)あり

初期値は、SIRT法の解

NI=20

slide12

一般化オーロラトモグラフィ法の再構成アルゴリズムの比較(途中経過)2一般化オーロラトモグラフィ法の再構成アルゴリズムの比較(途中経過)2

田中良昌、麻生武彦、田邉国士、

B. Gustavsson、門倉昭、小川泰信

  • 情報・システム研究機構 新領域融合研究センター
  • 国立極地研究所
  • 早稲田大学理工学部
  • トロムソ大学
slide13
実際のALIS観測点の場合

5

200km

300km

4

Tromsø

セルを通る

視線が存在

する観測点

の数

3

Skibotn

2

200km

80km

S

1

E

Kilpisjarvi

  • 水平空間分布

Abisko

Silkkimuotka

EP (特性エネルギー)

Q0 (全エネルギーフラックス)

Kiruna

eV

km

mW/m2

Tjautjas

km

km

slide14

ALIS オーロラ画像(427.8-nm)

Skibotn

Abisko

R

R

Kiruna

Silkkimuotka

Tjautjas

R

R

R

slide15
オーロラ3次元構造

共役勾配法

乗法的SIRT法

SIRT法でも、ところどころ、アーティファクトが見られる。

高高度(低エネルギー)側の発光が北側にずれている。これは、観測点が南側に集中しているため。

slide16

入射電子フラックス

Q0 (全エネルギーフラックス)

EP (特性エネルギー)

共役勾配法

eV

mW/m2

NI=300

Gauss-

Newton法

非負条件(Λ≧0)あり

初期値は、CG法の解

NI=300

SIRT法でもうまくいかない。

高高度(低エネルギー)側の発光が北側に広がったため、フラックスが分散している。

乗法的

SIRT法

NI=30, Noise=+10R

tjautjas soroya
Tjautjasの代わりに、Soroyaを加えてみる

SoroyaはIMAGE地磁気観測網の観測点(SOR)。ここに、Skibotnと同じカメラを置いて、EISCAT上空に向ける。

Soroya

Soroya

200km

5

Tromsø

4

Skibotn

3

200km

2

1

S

Kilpisjarvi

E

  • 水平空間分布

Abisko

Silkkimuotka

EP (特性エネルギー)

Q0 (全エネルギーフラックス)

Kiruna

eV

km

mW/m2

km

km

slide18
オーロラ3次元構造

乗法的SIRT法で計算

NI=30, Noise=+10R

ALIS観測点を使用

Soroyaを加え場合

ALISのみの場合よりは、かなり修正されたが、まだアーティファクトあり。

slide19

入射電子フラックス

乗法的SIRT法で計算

NI=30, Noise=+10R

ALIS観測点のみ

Soroyaを加えた場合

NI=20

ALISのみの場合よりは、かなり修正された。しかし、もう少し改善したい。

アーク1つだと、おそらくもう少し良い。

slide20
まとめ

理想的な観測点・オーロラ配置を仮定したテストから、

  • 非負条件(    )は必須である。
  • CG法の解を初期値として非負条件を付加しGauss-Newton法で解いた場合、発光ピークより高い高度では、3次元構造の再構成がうまくいかない。

    → EPが小さいところで、入射電子エネルギー分布の再構成がうまくいかない。

  • 乗法的SIRT法は、高高度の放射率を最も良く再構成できる。
  • しかしながら、SIRT法を用いる場合、ハイパーパラメータの決定方法、事前分布(拘束条件)の取り扱い等に疑問がある。

    → 初期値をSIRT法で決定し、Gauss-Newton法で解いてはどうか?

既存のALIS観測点を使用した場合、

  • SIRT法を使ったとしても、EISCAT上空の入射電子エネルギー分布の再構成には困難がある。
  • 特に、 (低エネルギー電子が担っている)高高度のオーロラ発光は、ALIS観測点がEISCATサイトの南側に集中しているため、実際よりも北側にずれてしまう。

    → 低エネルギー帯の電子フラックスの再構成がうまくいかない原因になる。

  • Tjautjasの代わりにIMAGEチェーンのSoroyaにカメラを置いてみると、再構成結果はかなり改善される。