Polarization leakage in Epoch of Reionization windows: I. LOFAR observations of the 3C196 field
来自再电离时期（EoR）的21 cm信号的检测是具有挑战性的，特别是因为，即使在去除前景之后，残留斯托克斯$I$图也包含来自可以模拟信号的偏振发射的泄漏。在这里，我们讨论了仪器偏振的LOFAR和斯托克斯参数之间的泄漏目前现实的模拟。从3C 196场中偏振辐射的LOFAR观测中，我们量化了LOFAR标称模型光束引起的偏振泄漏水平，并使用功率谱分析将其与EoR信号进行了比较。我们发现，在134- 166 MHz处，在场的中心4 $^\circ$内，$(Q,U)\rightarrow I$泄漏功率低于$k<0.3$ Mpc $^{-1}$处的EoR信号。泄漏被发现被定位在法拉第深度为0附近，并且泄漏的rms作为偏振发射的rms的分数被示出为在0.2- 0.3%之间变化，这两者都可以用于去除泄漏。此外，我们可以定义一个“EoR窗口”的偏振泄漏在圆柱形功率谱以上的PSF诱导的楔形和以下$k_\parallel\sim 0.5$ Mpc $^{-1}$，和窗口扩展到$k_\parallel\sim 1$ Mpc $^{-1}$在所有$k_\perp$时，70\%的泄漏已被删除。这些LOFAR结果表明，即使在未来的阵列（如SKA）中对$\lesssim 4^\circ$的视场进行适度的偏振校准，也将确保偏振泄漏在0.02-1 Mpc $^{-1}$的尺度下保持远低于预期的EoR信号。
2015-05-13 astro-ph.CO astro-ph.IM
Predictions for the 21cm-galaxy cross-power spectrum observable with LOFAR and Subaru
21 cm-星系互功率谱有望成为再电离时代（EoR）的一个有前途的探测器，因为它可以提供关于再电离过程和不同红移下电离区典型尺度的信息。随着即将到来的观测21厘米发射从EoR与低频阵列（LOFAR），和高红移Lyalpha发射器（LAEs）与斯巴鲁的Hyper Suprime Cam（HSC），我们调查了这种交叉功率谱的可观测性与这两个仪器，这都是计划观察ELAIS-N1场在z=6.6。本文采用N体+辐射转移（包括连续辐射和Lyalpha辐射）的方法，计算了红移为6.68，7.06和7.3的三维21 cm星系互功率谱，并预测了LOFAR和HSC观测到的二维21 cm星系互功率谱。一旦考虑了噪声和投影效应，我们对21厘米星系互功率谱的预测在大于~ 60 h $^{-1}$ Mpc（对应于k ~ 0.1 h Mpc $^{-1}$）的尺度上显示出明显的反相关性，在z=6.6时p=0.04，在z=7.3时p=0.048。相反，在较小的尺度上，信号完全被污染了。
2015-09-11 astro-ph.CO
Statistical inversion of the LOFAR Epoch of Reionization experiment data model
LOFAR是一个新的和创新的努力，以建立一个射电望远镜在多米波频谱窗口操作。LOFAR最令人兴奋的应用之一将是寻找来自再电离时代（EoR）的红移21厘米线发射。目前认为，黑暗时代，即宇宙重新组合后变成中性的时期，一直持续到宇宙大约40万年。在EoR期间，物体开始在早期宇宙中形成，它们的能量足以吸收中性氢。实现这一科学目标所需的精确度和准确度，基本上可以转化为积累大量数据。描述LOFAR望远镜对天空强度分布的响应的数据模型的特点是参数的非线性和与所需宇宙学信号相比的大噪声水平。在这张海报中，我们提出了一个统计上最优的地图制作过程及其属性的实现。该方法的基本假设是噪声是高斯分布的，且与台站和频率通道无关，离线LOFAR处理可以显著提高数据的动态范围。这些假设符合我们对LOFAR再电离实验的预期。
2010-08-25 astro-ph.CO astro-ph.IM
A numerical study of 21-cm signal suppression and noise increase in direction-dependent calibration of LOFAR data
我们调查的背景下，低频阵列（LOFAR）21厘米的再电离（EoR）实验的方向相关的增益校准的系统效果。LOFAR EoR关键科学项目旨在探测$50-250 λ$干涉基线上中性氢的21厘米信号。我们表明，微弱的信号的抑制可以有效地避免校准这些短基线只使用较长的基线。然而，由于在校准期间过拟合引起的小增益误差，这种方法导致短基线上的过度方差。我们应用一个正则化的期望最大化算法与共识优化（sagecal-co）的真实数据与模拟信号，表明过拟合可以在很大程度上减轻惩罚频谱非平滑增益解决方案在校准过程中。这在模拟中以大约4倍的系数减少了多余的功率。我们的研究结果与早期的偏置方差权衡的理论分析一致，并支持LOFAR 21厘米信号数据的增益校准方法。
2021-11-03 astro-ph.CO astro-ph.IM
Assessing the impact of two independent direction-dependent calibration algorithms on the LOFAR 21-cm signal power spectrum
本研究比较了DDECAL和SAGECAL两种方向依赖校准算法对LOFAR-EoR 21厘米功率谱的影响，发现包含波束模型可提升主波束区域源扣除效果，但两种算法最终产生可比较的功率谱，当前上限不依赖校准方法。
2024-11-05 astro-ph.CO astro-ph.IM
Deeper multi-redshift upper limits on the Epoch of Reionization 21-cm signal power spectrum from LOFAR between z=8.3 and z=10.1
本研究通过改进校准、RFI抑制及机器学习信号分离等方法，利用LOFAR重处理数据得到z≈8.3-10.1处EoR 21厘米功率谱新上限，较此前提升2-4倍，为研究再电离时代天体物理过程提供了更严格的约束。
2025-04-22 astro-ph.CO
Cosmological 21cm experiments: Searching for a needle in a haystack
有几个计划和正在进行的实验旨在探索再电离时代（EoR），在此期间，星系际介质中的气体从完全中性到几乎完全电离的关键时期。这些实验将通过中性氢的红移21厘米线探测EoR，使用无线电阵列：例如低频阵列（LOFAR）和Murchinson宽场阵列（MWA）。然而，不幸的是，宇宙学的21厘米信号受到天体物理前景和非天体物理和仪器效应的高度污染。因此，为了可靠地探测宇宙学信号，必须非常好地理解所有数据成分及其对所需信号的影响，并探索EoR的其他补充或确证探针。这些会议记录给出了前景的观测约束的概述，目前的理论努力来模拟前景，并讨论了前景去除的问题。给出了LOFAR-EoR实验的主要结果。
2010-08-25 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
Influence of sources with a spectral peak in the detection of Cosmic Dawn and Epoch of Reionization
该研究针对具有谱峰的射电源可能破坏低频光谱平滑性、影响宇宙黎明与再电离时期信号探测的问题，通过交叉匹配星表识别出4423个谱峰源，经模拟验证其对信号提取的影响可忽略。
2024-01-31 astro-ph.CO
A Bayesian analysis of redshifted 21-cm HI signal and foregrounds: Simulations for LOFAR
对EoR的21厘米中性氢（HI）超精细发射的观测有望为第一批恒星、星系和吸积黑洞的形成打开一扇全新的窗口。为了表征微弱的21厘米信号，我们需要开发成像技术，可以非常精确地重建扩展发射。在这里，我们提出了一种反演技术，在NCP的LOFAR基线，基于贝叶斯形式主义与最佳空间正则化，这是用来重建扩散前景图直接从模拟的能见度数据。我们注意到空间正则化在很大程度上对图像去噪，允许在$0.03\,{\rm Mpc^{-1}}<k_{\perp}<0.19\,{\rm Mpc^{-1}}$和$0.14\,{\rm Mpc^{-1}}<k_{\para}<0.35\,{\rm Mpc^{-1}}$范围内的相当大的$k_{\perp}-k_{\para}$空间上恢复21 cm功率谱，而不减去噪声功率谱。我们发现，结合使用GMCA（一种非参数前景去除技术），在$10 \, {\rm MHz}$带宽上积分600小时之后，我们可以在图中针对$60 \, {\rm mK}$的输入高斯随机rms噪声水平在$2σ$统计波动内主要恢复球形平均功率谱。
2015-06-16 astro-ph.CO
Mitigating residual foregrounds and systematic errors in SKA1-Low AA* EoR observations via Bayesian Gaussian Process Regression
Indian Institute of Technology Indore（印度印多尔理工学院）；The University of Manchester（曼彻斯特大学）
本文利用贝叶斯高斯过程回归方法，评估其在SKA1-Low合成CD/EoR观测中抑制残留前景和系统误差的能力，通过模拟验证其在不同k模式下的信号恢复效果。
2026-05-11 astro-ph.CO
The Scale of the Problem : Recovering Images of Reionization with GMCA
如果我们要深入了解一个未探索的宇宙学时代，从再电离时代的红移21厘米发射数据中准确和精确地去除21厘米前景是必不可少的。我们应用非参数技术，广义形态成分分析或GMCA，模拟LOFAR-EoR数据，并表明它有能力清理前景，具有高精度。我们在令人印象深刻的频率和尺度范围内以高精度恢复了21 cm的1D，2D和3D功率谱。我们发现，GMCA保留了21厘米的相位信息，特别是当最小的空间尺度数据被丢弃。虽然它已被证明，LOFAR-EoR图像恢复理论上是可能的，使用图像平滑，我们补充说，小波分解是一种有效的方式恢复21厘米的信号映射到相同或更高的精度与更大的灵活性。通过将GMCA输出残差图（等于噪声、21 cm信号和任何前景拟合误差）与一个频率下的21 cm图进行比较，并丢弃较小的小波尺度信息，我们发现相关系数为0.689，而等效平滑图像的相关系数为0.588。仅考虑中央50%的地图，这些系数分别提高到0.905和0.605，我们得出结论，小波分解是一个更强大的方法去噪重建21厘米的地图比平滑。
2013-01-10 astro-ph.CO
Deconvolving the Wedge: Maximum-Likelihood Power Spectra via Spherical-Wave Visibility Modeling
通过红移的21厘米线直接探测再电离时期（EoR），将对婴儿宇宙结构形成的研究产生前所未有的影响。为了实现这一承诺，目前和未来的21厘米实验需要检测这种微弱的EoR信号的前景是几个数量级更大。这需要极端的噪声控制和改进的宽视场高动态范围成像技术。我们提出了一种新的成像方法的基础上的最大似然框架，解决了直接在球体上的干涉方程，或等效的$uvw$域。该方法使用球面波和球面谐波（SpH）之间的一对一关系。它始终处理来自整个天空的信号，并且不需要$w$项校正。球谐系数表示天空亮度分布和$uvw$域中的亮度，并提供空间功率谱的直接估计。使用这些频谱平滑的SpH系数，可以从信号中去除明亮的前景，包括它们的旁瓣噪声，这是高动态范围宽视场成像中的限制因素之一。与直接从其中清楚地存在楔形的前景图像计算的功率谱相比，在圆柱形（$k_{\perp}, k_{\parallel}$）功率谱中有效地消除（即，去卷积）了引起所谓的"楔形"的色彩效应。我们使用模拟LOFAR观测来说明我们的方法，找到了具有最小偏差的输入EoR信号的出色重建。
2017-11-13 astro-ph.CO
Realistic Simulations of the Galactic Polarized Foreground: Consequences for 21-cm Reionization Detection Experiments
再电离期（EoR）红移21厘米谱线的测量受到强烈的天体物理前景污染、电离层畸变、复杂的仪器响应和其他不同类型噪声（如射频干扰）的挑战。天体物理前景主要是来自我们银河系的弥散同步辐射。在这里，我们提出了一个模拟的银河系发射作为前景模块的LOFAR-EoR关键科学项目端到端的模拟。模拟产生的总强度和偏振强度超过$10^\circ \times 10^\circ$地图的银河系同步辐射和自由-自由发射，包括所有观察到的发射特性：空间波动的幅度和光谱指数的同步辐射，以及法拉第旋转效应。这些模拟的重要性源于这样一个事实，即银河系极化发射可以表现出类似于EoR信号沿频率方向的方式。因此，不适当的仪器校准将导致偏振信号泄漏到总信号中，并掩盖所需的EoR信号。在本文中，我们解决这个问题，第一次通过现实的模拟。
2015-06-10 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
21-cm Signal from the Epoch of Reionization: A Machine Learning upgrade to Foreground Removal with Gaussian Process Regression
本文提出用变分自编码器在GRIZZLY模拟上训练的核升级高斯过程回归，以更准确地去除LOFAR前景并提取再电离时期21厘米信号，在多数情况下可在2σ不确定度内恢复信号形状与功率，并分析了红移依赖性。
2023-11-29 astro-ph.CO astro-ph.IM
The brightness and spatial distributions of terrestrial radio sources
微弱的未检测到的射频干扰源（RFI）可能会在长期的无线电观测中变得可见，当它们随着时间的推移而持续存在时。因此，它们可能会阻碍感兴趣的微弱天文信号的检测。这个问题对于再电离时代（EoR）项目尤其重要，该项目试图从宇宙中最早的结构中检测微弱的红移HI信号。我们探索RFI的情况下，在30-163 MHz的研究亮度直方图观测到的可见度数据与LOFAR，类似于宇宙学中使用的放射源计数分析。一个经验RFI分布模型推导出允许模拟RFI在无线电观测。亮度直方图示出了遵循幂律分布的RFI分布，其估计指数约为-1.5。通过几个假设，这可以用地面无线电源的均匀分布来解释，其辐射遵循现有的传播模型。幂律的外推意味着，如果RFI源的强度在时间积分后仍然很强，那么当前的LOFAR EoR观测应该受到严重的RFI限制。这与实际观测相反，实际观测几乎达到热噪声，并且被认为不受RFI限制。因此，我们的结论是，不太可能有未检测到的RFI源，将成为可见的长期观察。因此，没有迹象表明RFI会阻止LOFAR的EoR检测。
2013-07-22 astro-ph.CO astro-ph.IM physics.ao-ph
Foreground Characterization and Mitigation in the Observations of the CD/EoR with the SKA
本文综述了SKA观测宇宙黎明和再电离时期时，银河系同步辐射等前景的建模与抑制方法，强调SKA-Low AA*配置和SKA天文台前景挑战在提升信号恢复能力中的作用。
2026-07-07 astro-ph.CO astro-ph.IM
Extracting the Epoch of Reionization Signal with 3D U-Net Neural Networks Using Data-driven Systematic Effect Model
本研究利用3D U-Net神经网络结合LOFAR前景残差与GPR计算的噪声，从模拟SKA-Low图像中提取EoR 21厘米信号，发现长积分时间可确保功率谱估计可靠，但超方差非相干性显著影响提取效果。
2025-06-08 astro-ph.CO astro-ph.IM gr-qc
