Universität zu Köln

Guan, Xin (2015). Atmospheric calibration for sub-millimeter radio astronomy. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

This thesis is focused on improving the calibration accuracy of sub-millimeter astronomical observations. The wavelength range covered by observational radio astronomy has been extended to sub-millimeter and far infrared with the advancement of receiver technology in recent years. Sub-millimeter observations carried out with airborne and ground-based telescopes typically suffer from 10% to 90% attenuation of the astronomical source signals by the terrestrial atmosphere. The amount of attenuation can be derived from the measured brightness of the atmospheric emission. In order to do this, the knowledge of the atmospheric temperature and chemical composition, as well as the frequency-dependent optical depth at each place along the line of sight is required. The altitude-dependent air temperature and composition are estimated using a parametrized static atmospheric model, which is described in Chapter 2, because direct measurements are technically and financially infeasible. The frequency dependent optical depth of the atmosphere is computed with a radiative transfer model based on the theories of quantum mechanics and, in addition, some empirical formulae. The choice, application, and improvement of third party radiative transfer models are discussed in Chapter 3. The application of the calibration procedure, which is described in Chapter 4, to the astronomical data observed with the SubMillimeter Array Receiver for Two Frequencies (SMART), and the German REceiver for Astronomy at Terahertz Frequencies (GREAT), is presented in Chapters 5 and 6. The brightnesses of atmospheric emission were fitted consistently to the simultaneous multi-band observation data from GREAT at 1.2 ∼ 1.4 and 1.8 ∼ 1.9 THz with a single set of parameters of the static atmospheric model. On the other hand, the cause of the inconsistency between the model parameters fitted from the 490 and 810 GHz data of SMART is found to be the lack of calibration of the effective cold load temperature. Besides the correctness of atmospheric modeling, the stability of the receiver is also important to achieving optimal calibration accuracy. The stabilities of SMART and GREAT are analyzed with a special calibration procedure, namely the “load calibration". The effects of the drift and fluctuation of the receiver gain and noise temperature on calibration accuracy are discussed in Chapters 5 and 6. Alternative observing strategies are proposed to combat receiver instability. The methods and conclusions presented in this thesis are applicable to the atmospheric calibration of sub-millimeter astronomical observations up to at least 4.7 THz (the H channel frequency of GREAT) for observations carried out from ∼ 4 to 14 km altitude. The procedures for receiver gain calibration and stability test are applicable to other instruments using the same calibration approach as that for SMART and GREAT. The structure of the high performance, modular, and extensible calibration program used and further developed for this thesis work is presented in the Appendix C.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Das Ziel der hier vorliegenden Arbeit ist es die Kalibrationsgenauigkeit von astronomischen Beobachtungen im sub-millimeter Bereich zu verbessern. Der Wellenlängenbereich, der durch die beobachtende Radioastronomie abgedeckt wird, wurde in den letzten Jahren durch Fortschritte in der Empfänger-Technologie in den sub-millimeter und Ferninfrarot Bereich ausgedehnt. Sub-millimeter Beobachtungen an luft- und bodengestützten Teleskopen erleiden typischerweise 10% bis 90% Abschwächung des Signals der astronomischen Quelle durch die Erdatmosphäre. Der Umfang der Abschwächung kann aus der gemessenen Helligkeit der atmosphärischen Emission bestimmt werden. Um dies zu ermöglichen, benötigen wir Kenntnis über die Atmosphärentemperatur, die chemische Zusammensetzung, aber auch die frequenzabhängige optische Tiefe an jeder Stelle entlang der Sichtlinie. Die Höhenabhängigkeit der Temperatur und Zusammensetzung der Atmosphäre werden mit Hilfe von parametrisierten, statischen Atmosphären-modellen abgeschätzt, die in Kapitel 2 beschrieben werden, da direkte Messungen aus technischen und finanziellen Gründen nicht durchführbar sind. Die frequenzabhängige optische Tiefe der Atmosphäre wird mit einem Strahlungstransportmodell basierend auf den Theorien der Quantenmechanik und einigen empirischen Formeln berechnet. Die Wahl, Anwendung und Verbesserung von Strahlungstransportmodellen von Dritten werden in Kapitel 3 diskutiert. Die Anwendung der Kalibrationsprozedur, beschrieben in Kapitel 4, auf astronomische Daten, die mit dem SubMillimeter Array Receiver for Two Frequencies (SMART) und dem German REceiver for Astronomy at Terahertz Frequencies (GREAT) beobachtet wurden, ist in den Kapiteln 5 und 6 dargestellt. Die Helligkeiten der atmosphärischen Emission wurden konsistent mit einem einzigen Satz von Parametern des statischen Atmosphärenmodells an die simulatan beobachteten multi-band Daten von GREAT bei 1.2 ∼ 1.4 und 1.8 ∼ 1.9 THz gefittet. Die Ursache der Inkonsistenz von Modellparametern der 490 und 810 GHz Daten von SMART liegt dagegen in der mangelnden Kalibration der effektiven cold load Temperatur. Neben der Korrektheit der atmosphärischen Modelle ist auch die Stabilität des Empfängers entscheidend für das Erreichen einer optimalen Kalibrationsgenauigkeit. Die Stabilitäten von SMART und GREAT werden mit einer speziellen Kalibrationsmethode, der sogenannten “load calibration", analysiert. Die Effekte von drift und Fluktuationen des Empfänger-gains und der Empfänger-Rauschtemperatur auf die Kalibrationsgenauigkeit werden in den Kapiteln 5 und 6 diskutiert. Alternative Beobachtungsstrategien zur Bekämpfung von Empfänger-Instabilitäten werden vorgeschlagen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Methoden und Schlussfolgerungen sind auf die atmosphärische Kalibration von astronomischen sub-millimeter Beobachtungen bis mindestens hinauf zu 4.7 THz (der H Kanal Frequenz von GREAT) und für Beobachtungen aus ∼ 4 bis 14 km Höhe anwendbar. Die Methoden zur Kalibration des Empfänger-gains und zum Test der Empfänger-Stabilität sind auch für andere Instrumente anwendbar, die den gleichen Kalibrationsansatz wie SMART und GREAT benutzen. Die Struktur des hoch leistungsfähigen, modularen und erweiterbaren Kalibrationsprogramms, das in dieser Arbeit benutzt und weiter entwickelt wurde, wird in Appendix C vorgestellt. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Guan, Xin guan@ph1.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-69662
Date:	30 November 2015
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Mathematics and Science Education > Institute of Physics Education
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language radio astronomy, sub-millimeter, atmospheric calibration English
Date of oral exam:	21 January 2016
Referee:	Name Academic Title Stutzki, Jürgen Prof. Dr. Crewell, Susanne Prof. Dr.
Funders:	Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projects:	Collaborative Research Centre 956 sub-project A3
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6966