Beamforming Errors in Murchison Widefield Array Phased Array Antennas and their effects on Epoch of Reionization Science
精确的天线波束模型对于射电观测至关重要，其目的是分离暗时代和再电离时代的红移21厘米谱线发射，并释放21厘米宇宙学的科学潜力。过去的工作主要集中在表征平均天线波束模型使用卫星信号或天文源作为校准器，但天线到天线的变化，由于不完善的仪器一直未被探索。我们通过实验室测量和模拟来表征Murchison宽场阵列（MWA）的这种变化，发现主瓣边缘附近和旁瓣中的典型偏差为+/-10-20%。我们认为这些结果的影响，图像和功率谱为基础的科学。特别是，我们模拟了由100米基线测量的vibration，并发现使用其他完美的前景模型，未建模的波束形成误差严重限制了前景减法精度的傅立叶空间的区域内污染的前景发射（“楔”）。这个区域可能包含了大量的宇宙学信号，访问它将需要测量每个天线的波束模式。然而，未建模的波束成形误差不会污染预期没有前景污染的傅立叶空间区域（“EOR窗口”），这表明前景避免仍然是可行的策略。
2016-02-17 astro-ph.CO astro-ph.IM
Measuring the cosmological 21-cm dipole with 21-cm global experiments
针对21厘米全天平均信号探测受前景等干扰难以验证的问题，本研究通过模拟分析漂移扫描偶极天线实验探测宇宙学21厘米偶极子的条件，提出全球偶极天线网络方案，可大幅缩短探测所需积分时间。
2023-12-19 astro-ph.CO
Precision Calibration of Radio Interferometers for 21 cm Cosmology with No Redundancy and Little Knowledge of Antenna Beams and the Radio Sky
我们介绍了CALAMITY，一个精密的带通校准方法的无线电干涉测量。CALAMITY可以求解具有任意频率结构的方向无关增益，达到21 cm宇宙学所需的高精度，具有最少的前景或天线波束知识，并且不需要任何程度的冗余（重复相同基线的相同测量）。我们通过两项关键创新实现了这一目标。首先，我们使用灵活且高效的基函数集独立地对每个基线上的前景进行建模，所述基函数集与21 cm模式具有最小的重叠，并在校准的前景中执行光谱平滑。其次，我们使用现成的GPU加速API（TENSORFLOW）在单个优化循环中同时求解每个基线前景和每个频率天线增益。GPU加速对于我们的技术能够在合理的时间内同时在所有频率上为具有$\gtrsim 10$天线的干涉仪求解大量前景和增益参数至关重要。在本文中，我们给出了一个概述，我们的技术和使用现实的模拟，并证明其性能在解决和消除病理增益结构的水平，必要的测量波动在21厘米的氢气发射场在宇宙黎明和再电离。如果你想现在就开始使用CALAMITY，你可以在https://github.com/aewallwi/calamity/blob/main/examples/Calamity_Tutorial.ipynb上找到一个教程笔记本。
2021-11-30 astro-ph.CO astro-ph.IM
The precision and accuracy of early Epoch of Reionization foreground models: comparing MWA and PAPER 32-antenna source catalogs
作为观测的再电离时代（EoR）在红移21厘米发射开始，我们评估的精度阵列探测再电离时代（PAPER）和默奇森宽场阵列的早期目录结果的准确性。MWA EoR方法的大部分灵敏度来自减去前景，精度<1%，而PAPER方法依赖于初级束的稳定性和对称性。两者都需要精确的通量校准来设置测量功率谱的幅度。这两种仪器在分辨率、灵敏度、天空覆盖范围和光谱范围方面非常相似，并从几乎同时的数据中产生目录。我们使用贝叶斯MCMC拟合方法来估计这两个仪器在相同的通量尺度上在20%以内，并发现图像大多是一致的。然后，我们通过比较两个重叠的MWA小平面来调查误差的来源，我们发现这些差异主要与初级光束的不准确模型有关，但也与由于CLEAN而导致的明亮光源中的相关误差有关。最后，我们建议减轻和更好地描述这些影响。
2013-03-08 astro-ph.CO astro-ph.IM
Foregrounds in Wide-Field Redshifted 21 cm Power Spectra
在红移z>6处，从再电离时期检测到HI的21 cm发射主要受到前景发射的限制。我们调查的宽场测量和全天空的前景模型使用延迟谱技术，通过天线对之间的信号延迟映射到前景物体的位置的测量签名。我们证明了干涉测量固有的所有尺度敏感，包括最大的角度尺度，由于宽场测量的性质。这些宽场效应对所有观测都是通用的，但天线形状会显著影响它们的振幅。相对于偶极子或相控阵列，从前景污染的角度来看，碟形天线产生最理想的特征。比较最近Murchison宽场阵列观测的数据，我们证明了对HI信号影响最大的前景签名来自远离主视场接收的功率。我们确定扩散发射附近的地平线作为一个重要的影响因素，即使在宽天线间距，通常代表小尺度上的结构。对于通过主视场进入的信号，紧凑发射占主导地位的前景污染。这两种机制在傅立叶延迟空间中的“前景楔形”上留下了特征性的“干草叉”签名。基于这些结果，我们提出，选择性的降权的数据的基础上天线的间距和时间可以减轻前景污染的一个因素~100，可以忽略不计的灵敏度损失。
2015-04-28 astro-ph.CO astro-ph.IM
Informing antenna design for sky-averaged 21-cm experiments using a simulated Bayesian data analysis pipeline
全球21厘米实验旨在测量宇宙黎明和再电离时期的天空平均HI吸收信号。然而，天线色度耦合到明亮的前景可以引入失真的观测数据，这样的实验。我们展示了一种通过数据分析模拟来指导全球实验的天线设计的方法。这是通过对一系列插入的21 cm信号进行模拟观察，然后尝试用数据分析管道识别信号来完成的。我们证明了这种方法的五个天线被认为是潜在的设计的无线电实验分析宇宙氢（REACH），圆锥形日志螺旋天线，倒圆锥形弯曲天线和多边形，方形和椭圆形叶片偶极子。我们发现，对数螺旋天线的性能明显优于其他天线，能够正确和自信地识别每一个插入的21厘米信号。第二位是多边形偶极子天线，它只能检测到0.05K的极低幅度和80MHz的低中心频率的信号。圆锥形弯曲天线被发现执行最不准确，只能检测到最高幅度21厘米的信号，甚至有偏见。我们还表明，由于非平凡的性质，色失真和纠正它的过程中，这些都不是表面上可以预期的结果，从每个天线的色变化的程度。
2021-11-11 astro-ph.CO astro-ph.IM
Delta-map method to remove CMB foregrounds with spatially varying spectra
我们扩展的内部模板前景去除方法占空间变化的光谱参数，如同步辐射和尘埃排放和尘埃温度的光谱指数。由于先前的算法必须假设光谱参数在整个天空（或天空的某些重要部分）上是均匀的，这导致了根据宇宙微波背景（CMB）的前景清洁偏振图估计的张量标量比参数$r$的偏差。新的算法，“Delta映射法”，占空间变化的光谱的一阶微扰。唯一的自由参数是宇宙学参数，如$r$和天空平均前景参数。我们表明，一个干净的CMB地图是极大似然解的一阶扰动，并推导出后验分布的$r$和天空平均前景参数使用贝叶斯统计。应用这一现实的模拟天空地图，包括偏振CMB，同步加速器和热尘埃排放，我们发现，新的算法消除$r$的偏见下降到我们的无噪声模拟（$r\lesssim 4\times 10^{-4}$）未检测到的水平。我们表明，由于平均的空间变化的频谱的极化前景的频率去相关可以占到一阶扰动使用略有不同的光谱参数的斯托克斯$Q$和$U$地图。最后，我们证明了偏振反常微波辐射对前景去除的影响可以被同步辐射光谱的曲率参数所吸收。
2019-02-01 astro-ph.CO
Bayesian data analysis for sky-averaged 21-cm experiments with contamination from linearly polarised foreground
本文利用REACH贝叶斯分析流程评估偏振银河前景对全球21厘米信号提取的影响，证明在总偏振比例低于约3%时可低误差恢复注入信号。
2024-12-03 astro-ph.CO astro-ph.IM
Mitigating antenna gain errors with HyFoReS in CHIME simulations
本文将 HyFoReS 用于 CHIME 模拟，验证其可显著抑制极化可见度中天线增益误差导致的前景泄漏，最高将功率谱残余偏差降低三个数量级。
2025-06-10 astro-ph.CO astro-ph.IM gr-qc
Radio antenna design for sky-averaged 21 cm cosmology experiments: the REACH case
在2018年EDGES实验报告检测到与来自宇宙黎明的21厘米天空平均信号相关的吸收轮廓之后，已经建立了一些实验来验证这一结果。本文讨论了全球21 cm实验的设计过程，特别是宇宙氢分析射电实验（REACH）。本实验将试图通过对仪器进行详细建模和表征，了解并补偿存在的系统误差。详细介绍了用于辅助REACH偶极天线（REACH第一阶段2种天线设计之一）设计过程的定量品质因数和数值建模。该设计过程产生了2.5：1频率带宽的偶极子。该设计的目的是平衡频谱平滑度和低阻抗反射，同时能够描述和理解天线对天空信号的响应，以便在观测和数据分析期间进行至关重要的校准。
2023-01-12 astro-ph.CO astro-ph.IM
Antenna beam characterisation for the global 21cm experiment LEDA and its impact on signal model parameter reconstruction
宇宙黎明是早期宇宙中恒星形成的开始，原则上可以通过中性氢的21 cm跃迁来研究，其天空平均吸收信号，红移到MHz频率，预测为{ \it O}（10-100）\，mK。探测需要将21厘米的信号从明亮的彩色前景发射中分离出来，这是由于银河系的结构，以及它如何与仪器响应耦合的特性。在这项工作中，我们提出了表征天线增益模式的大口径实验，通过模拟检测黑暗时代（LEDA），评估所使用的天线接地平面几何形状的影响，并测量土壤特性。然后，我们调查的光束模式的不确定性的高斯吸收功能的重建的影响。假设图案是已知的并且针对仪器的色度进行校正，则前景可以用对数多项式建模，并且21 cm信号以高精度识别。然而，土壤特性的不确定性导致色度的\textperthousand \变化，这可能使信号恢复产生偏差。偏置在幅度上可以达到两倍，在频率位置上可以达到几个百分点。这些影响似乎不会被较大的接地层所减轻，相反，具有较大接地层的增益模式表现出更复杂的频率结构，显著地损害了参数重构。我们的研究结果与其他天线设计研究的结果一致，强调了色响应的重要性，并建议在全球信号实验中假设对数多项式前景模型时要谨慎。
2022-06-24 astro-ph.CO astro-ph.IM
The wedge bias in reionization 21-cm power spectrum measurements
一个建议的方法来处理前景发射在即将到来的21厘米观测从时代的再电离是限制观测到一个未受污染的窗口在傅立叶空间。以这种方式可以避免前景发射，因为它被限制在$k_{\parallel}, k_{\perp}$空间中的楔形区域。然而，功率谱是各向异性的，由于红移空间的扭曲，从奇特的速度。因此，在前景回避窗口中测得的21 cm功率谱-仅对接近视线方向的有限角度范围进行采样-不同于全球面平均功率谱，全球面平均功率谱需要对\emph{all}角度进行平均。在本文中，我们首次计算了这种“楔形偏差”的大小。我们发现，偏置是最强的高红移，其中使用前景回避测量将高估功率谱约100%，可能模糊了独特的上升和下降的签名，预计为球平均21厘米功率谱。在再电离的后期阶段，偏置变为负值，幅度变小（$\lesssim 20$ %）。这种效应对空间尺度和再电离拓扑结构的依赖性很弱。
2015-11-12 astro-ph.CO
The Impact of Beam Variations on Power Spectrum Estimation for 21-cm Cosmology I: Simulations of Foreground Contamination for HERA
探测再电离时期（EoR）的宇宙学信号需要高精度的校准，以将宇宙学信号与前景发射分离开来。在无线电干涉测量中，天线元件的扰动初级波束会破坏精确校准，这导致污染圆柱平均功率谱中的无前景区域或EoR窗口。对于氢时代再电离阵列（HERA），我们模拟和表征的扰动初级束流引起的饲料运动，如轴向，横向和倾斜运动，以上的14米盘。为了了解扰动光束的影响，能见度测量建模与两个不同的前景组件，点源和漫射源，我们发现不同的饲料运动呈现出不同的反应，每种类型的天空源。HERA的冗余基线校准在存在非冗余天线波束的情况下，由于馈电运动，在增益解决方案中引入了色误差，这会产生进入EoR窗口的前景功率泄漏。观测到的垂直进给运动的泄漏主要来自天顶周围的点源。此外，所观察到的泄漏从水平和倾斜饲料运动主要来自附近的水平扩散组件。对于具有最小前景偏差的EoR信号的鲁棒检测来说，色增益误差的减轻将是必要的，并且这将在随后的论文中讨论。
2022-10-28 astro-ph.CO astro-ph.IM
Forecasting performance of CMB experiments in the presence of complex foreground contaminations
我们提出了一个新的，半解析的框架来估计的水平的残差来自多频宇宙微波背景（CMB）的数据和预测其对宇宙学参数的影响CMB地图。数据被假定为包含不可忽略的信号的天体物理和/或银河系的起源，我们使用参数分量分离技术清洁。我们考虑到在分离过程中假设的前景模型与真实模型之间的差异，允许缩放律和/或其空间变化的差异。我们的估计和他们的不确定性，包括系统和统计的影响，并平均超过仪器噪声和CMB信号实现。该框架可以进一步扩展，以自洽地考虑前景模型中现有的不确定性。我们演示和验证的框架上的简单的研究案例，旨在估计张量标量比，r。所提出的方法是计算效率允许在一个单一的CPU上的数百个设置和前景模型的调查。
2016-11-01 astro-ph.CO
Complete Sampling of the $uv$ Plane with Realistic Radio Arrays: Introducing the RULES Algorithm, with Application to 21 cm Foreground Wedge Removal
本文提出RULES算法设计uv平面完备覆盖的射电阵列，用少于1000个天线实现10λ至100λ范围完备采样，并证明其能将21厘米前景楔形功率抑制十六个数量级，显著优于随机阵列。
2025-09-18 astro-ph.CO astro-ph.IM
Detecting Cosmic Reionization using Bi-Spectrum Phase
利用$z\gtrsim 6$星系际介质的21厘米谱线探测中性氢（H_i，{ PDMATHABMM_i}），是研究宇宙再电离（宇宙的一个主要相变）的最有希望的探测方法之一。然而，这些研究面临着来自宇宙物体的明亮前景发射的严峻挑战。目前的技术需要精确的仪器校准以将弱的H 1，{ \sc 1}线信号与前景连续发射分离。我们建议通过使用干涉双谱相位的测量来减轻这种校准要求。双谱相位不受基于天线的方向无关校准误差的影响，因此对于紧凑阵列，它仅取决于天空亮度分布（受通常的热噪声影响）。我们表明，前景同步辐射连续谱的双谱相位具有相对于宇宙学线信号的特征平滑谱。利用傅立叶技术利用这种光谱差异可以有效地分离这两者，同时消除了现有方法固有的对仪器和电离层引入的相位进行精确的基于天线的校准的需要。使用基准模型的连续前景，和宇宙学H\，{ \sc i}信号，我们表明后者应该是可检测的双谱相位谱，在$|k_\parallel| \gtrsim 0.5\,h$ ~Mpc $^{-1}$，使用现有的仪器具有合理的意义。我们的方法也将有利于其他H\，{ \sc i}强度映射实验，面临类似的挑战，如那些测量重子声学振荡（BAO）。
2018-05-02 astro-ph.CO
Simulations of primary beam effects on the cosmic bispectrum phase observed with the Hydrogen Epoch of Reionization Array
中性氢的21~cm跃迁有望成为再电离时代最好的观测探针。测量21厘米信号的主要困难是存在明亮的前景，需要非常精确的干涉校准。闭合量可以规避校准要求，但是可能受到方向相关效应的影响，特别是天线主波束响应。本文研究了互耦对天线主波束闭合相位及其功率谱的影响。我们的模拟表明，受互耦合影响的初级光束导致泄漏的前景功率进入EoR窗口，这可以高达$\sim4$数量级高于没有考虑互耦合的情况。然而，对于包括29 μ m基线的三元组，这种泄漏基本上限于$k < 0.3$ ~ $h$ ~Mpc $^{-1}$。当明亮的前景出现在天线旁瓣中时，泄漏幅度更明显，正如预期的那样。最后，我们发现，包括相互不同的互耦合光束的三元组具有类似于包括相同类型的互耦合光束的三元组的功率谱，这表明三元组（或可见度对）内的光束到光束的变化不是EoR窗口中的前景泄漏的主要来源。
2022-05-19 astro-ph.CO astro-ph.IM
On the contamination of the global 21~cm signal from polarized foregrounds
全球（即天空平均）$21$ ~cm信号实验可以测量从宇宙黎明到再电离时代的宇宙演化。这些测量受到明亮前景发射的挑战，如果其光谱平滑，则可以从宇宙学信号中分离出来。这种假设在单极化天线的情况下失败了，因为它们测量线性极化的前景发射-这是不可避免的法拉第旋转通过星际介质。我们研究了银河系极化前景对提取全球21 cm信号的影响，通过真实的天空和偶极子模拟，在低频段从$50$到$100$ ~MHz，其中21 cm的吸收轮廓是预期的，并在更高的频段（$100-200$ ~MHz）。我们发现，具有复杂频率结构的极化污染物的存在下，可以偏置的幅度和形状的重建信号参数在两个频带。我们调查，如果极化前景可以解释意想不到的$21$ ~cm宇宙黎明信号最近报道的EDGES合作。我们发现，未考虑的偏振前景污染可以产生增强和扭曲的$21$ ~cm吸收谷，类似于Bowman等人（2018）报告的异常轮廓，其幅度与假设的输入高斯轮廓（在$\sim 1.5 σ$水平）处于轻度紧张状态。此外，我们注意到，在来自偏振前景的污染的假设下，重建的EDGES信号的幅度可以被高估大约$30\%$，减轻了基于奇异物理的解释的要求。
2019-08-14 astro-ph.CO
Assessment of the Projection-induced Polarimetry Technique for Constraining the Foreground Spectrum in Global 21 cm Cosmology
探测宇宙学天空平均（全球）21厘米信号作为观测频率的函数，将为研究早期宇宙（大爆炸后$\sim$ 4亿年）星系际介质（IGM）的电离和热历史提供一个强有力的工具。在传统的总功率全球21厘米实验中，最大的挑战是去除前景同步辐射（$\sim 10^3$ - $10^4$ K），以揭示微弱的宇宙学信号（数十至数百mK），特别是因为固有的平滑前景光谱被仪器效应破坏。虽然EDGES团队最近报告了天空平均光谱中78 MHz的吸收曲线，但有必要用独立的方法来确认这一检测。利用指向北天极（NCP）的宽视场天线观测各向异性前景源辐射的投影效应可以产生净极化，称为投影诱导极化效应（PIPE）。由于地球的自转，以环极区域为中心的观测将对净偏振的波形施加动态天空调制，这是前景分量所特有的。在这项研究中，我们回顾了这种新的基于偏振测量的技术的实施实用性和潜在的仪器效应，详细的数值模拟和测试平台仪器，宇宙暮光偏振计（CTP）。此外，我们探索了一种基于SVD的分析方法，用于使用天空调制PIPE将前景和仪器效应与背景全球21 cm信号分离。
2019-08-05 astro-ph.CO astro-ph.IM
Selection between foreground models for global 21-cm experiments
在再电离时期和之前，天空平均测量21厘米线的前景的精确形式是未知的。我们建议，用于拟合全球21-cm数据的前景模型的复杂程度应该由数据驱动，根据贝叶斯模型选择方法。这种方法的第一个测试进行了应用嵌套抽样简化模型的全球21厘米数据计算贝叶斯证据的模型。如果假设前景是对数-对数空间中的n阶多项式，则对于n=4系数的合理值，我们可以推断使用n=4而不是n=3的必要性，其中具有有限频率覆盖的积分<2 h。使用高阶多项式不一定会阻止21 cm信号的显著检测。即使n=8，我们也可以获得非常强有力的证据，将信号的合理模型与具有128 h积分的零模型区分开来。然而，如果前景如此复杂，信号的更微妙的特征可能会丢失。使用仅包括吸收的信号的更简单的模型来证明这一点。结果突出了一些陷阱，试图量化的意义，从错误的信号参数单独的检测。
2015-02-25 astro-ph.CO
Low multipole mapmaking for global 21-cm experiments
提出基于成图的方法，通过反演观测方程估计低阶天空模式，解决色散波束与前景相互作用导致的信号估计偏差问题，在SSF方法失败时仍能准确推断宇宙学信号。
2025-06-26 astro-ph.CO
The Impact of Foregrounds on Redshift Space Distortion Measurements With the Highly-Redshifted 21 cm Line
中性氢的21厘米高红移线已被认为是宇宙学的独特探针，从相对较低的红移（z ~ 1）一直到再电离期（z ~ 8）甚至更远。到目前为止，大多数工作集中在恢复球平均功率谱的21厘米的信号，因为这种方法最大化的信号噪声在初始测量。然而，像星系巡天一样，21厘米的信号受到红移空间畸变的影响，并且在视线和横向方向之间具有固有的各向异性。对这种各向异性的测量可以产生独特的宇宙学信息，甚至可能将物质功率谱与天体物理效应隔离开来。然而，在干涉测量中，前景在视线方向和横向方向之间也具有各向异性的足迹：所谓的前景“楔形”。虽然前景减法技术正在积极发展，“前景避免”的方法，简单地忽略污染模式可以说是最成功的日期。在这项工作中，我们分析了这种前景各向异性的影响，在恢复的红移空间失真签名在21厘米测量在高和中等的红移。我们发现，即使是最大的EoR实验（HERA和SKA）的前景楔损坏几乎所有的红移空间信号，使宇宙学信息无法恢复，没有前景减法。这种情况在较低的红移下有所改善，从观测坐标到宇宙学坐标的红移依赖映射显着减小了楔形的大小。仅使用前景回避，我们发现，像CHIME这样的大型实验可以对宇宙学参数施加非平凡的约束。
2014-12-17 astro-ph.CO
Redundant Array Configurations for 21 cm Cosmology
要实现21厘米层析成像在再电离时代之前和期间对星系际介质进行统计探测的潜力，需要大型望远镜和精确的系统控制。下一代望远镜现在正在设计和建造，以应对这些挑战，从第一代实验中吸取经验教训，这些实验显示了密集的高度冗余阵列的好处-其中天空中的相同模式由许多天线对采样-实现高灵敏度，精确校准和强大的前景缓解。在这项工作中，我们专注于氢时代的再电离阵列（HERA）作为一个干涉仪与密集的，冗余的核心设计以下这些教训，以优化21厘米宇宙学。我们展示了如何适度地补充或修改像HERA这样的紧凑设计仍然可以提供高灵敏度，同时增强校准和前景缓解的策略。特别是，我们比较了几个阵列配置的成像能力，无论是瞬间（解决仪器和电离层的影响）和旋转合成（前景去除）。我们还研究了使用瞬时冗余的配置对校准性的影响。我们发现，通过“离网”天线和增加角分辨率通过遥远的“支腿”天线的子孔径采样的改进成像是可能的冗余校准阵列配置。
2016-07-06 astro-ph.CO astro-ph.IM
Unbiased constraints on reionization model parameters in presence of the foreground wedge
将再电离时期中性氢（HI）的红移21 cm信号与更大的天体物理前景分开的一种可能方法是将分析限制在傅立叶空间中的楔形区域。前景被限制在这个楔形，因为它们的平滑的光谱特性，这使得人们可以估计HI功率谱的前景自由的部分，称为再电离窗口。然而，由于信号中的视线各向异性，窗口中的球平均功率谱的估计与真实值不同。对于给定的再电离模型，可以通过根据勒让德多项式扩展功率谱来估计和考虑该差异。这个校正后的功率谱，称为聚类楔形，然后可以用于比较模型预测与观测。在这项工作中，我们仔细检查，胺是否聚类楔形是适当的，这样的模型比较，他们是否提供真正的无偏约束的EoR参数。我们使用的半数值模拟，再加上MCMC为基础的统计方法，为我们的分析。我们发现，聚类楔形不仅产生忠实的约束，统计参数值的不确定性也是可比的使用数据，而不存在任何前景。我们还发现，聚类楔有助于打破不同的EoR模型参数之间的退化。
2018-06-22 astro-ph.CO
Improved foreground removal in GMRT 610 MHz observations towards redshifted 21-cm tomography
前景去除是高红移宇宙21厘米层析成像的一个挑战。我们使用档案GMRT数据（获得完全不同的天文目标），以估计在红移约1的前景。我们使用的统计量是在角多极l处相隔Δν的两个频率之间的互功率谱，或者等价地是多频率角功率谱C_l（Δν）。使用该数据对C_I（Δν）的早期测量揭示了沿着Δν的振荡图案的存在，这被证明是前景去除的严重障碍（Ghosh等人，2011）。使用相同的数据，在本文中，我们表明，它是可能的，以大大减少这些振荡，通过抑制旁瓣响应的主天线元件。抑制在角度多极l处工作得最好，对于该角度多极l，存在u-v平面的密集采样。对于三个角多极子l = 1405、1602和1876，该旁瓣抑制连同低阶多项式拟合完全导致（\leq 0.02 mK ^2）的残差，与3σ水平的噪声一致。由于多项式拟合是在估计功率谱之后进行的，因此可以确保HI信号的估计没有偏差。HI信号的相应99%上限为xHI b \leq 2.9，其中xHI为平均中性分数，b为偏倚。
2011-08-18 astro-ph.CO
The foreground wedge and 21 cm BAO surveys
来自未分辨低红移大尺度结构的红移H{ \sc \，i} 21 cm辐射是一个很有希望的观测地面重子声学振荡（BAO）的窗口。这种方法的一个主要挑战是将宇宙信号从银河系和银河系外起源的前景中分离出来，这些前景比前者强许多数量级。前景所期望的平滑频谱名义上只会污染非常小的$k_\parallel$模式;然而，望远镜天线方向图在该波长处对前景的色响应引入了非平滑结构，在我们感兴趣的物理尺度上普遍污染了宇宙信号。这种污染在傅立叶空间中限定了横向模式周围的楔形体积，这对于宇宙信号是不可接近的。在本文中，我们测试的影响，这种污染的楔形未来的21厘米BAO调查使用Fisher信息矩阵计算。我们包括由于BAO重建技术，已用于星系调查和测试的影响，这个楔形的BAO重建作为一个函数的信号噪声，并将结果在Fisher矩阵计算的信号改善。我们发现，在$z=1-2$预期的楔形效应是非常有害的角直径距离：角直径距离的误差增加了3-4.4倍，而H（z）的误差增加了1.5-1.6倍。我们的结论是，校准技术，清除前景“楔”将是非常有价值的约束角直径距离强度映射21厘米的调查。
2015-11-30 astro-ph.CO
Impact of Antenna Structure and Orientation on Forward-Modelled Global 21 cm Signal Recovery
Stellenbosch University（斯坦陵布什大学）
研究探讨了天线结构和取向误差对21厘米信号恢复的影响，发现即使0.25度的取向偏差也会显著偏移参数推断，同时通过贝叶斯证据可推断天线取向，强调观测策略和天线设计在减少天线-天空耦合系统误差中的重要性。
2026-03-26 astro-ph.CO
Chromatic effects in the 21 cm global signal from the cosmic dawn
来自中性氢的红移21厘米亮度分布是研究宇宙暗期、宇宙黎明和再电离的一个很有前途的探针。LOFAR的低波段微波辐射计（LBA）可以在45 MHz到85 MHz（30 z>16）的频率范围内使用，以测量天空平均红移21 cm亮度温度作为频率的函数，或者等效地，宇宙红移。这些低频受到强烈的银河前景发射的影响，通过频率依赖的电离层和天线波束失真，导致空间结构到频谱结构的色混合观察。使用简单的模型，我们表明，（i）由于电离层折射和吸收的额外的天线温度是在\sim 1%的水平- 2至3个数量级高于预期的21厘米的信号，并有一个近似的ν^{-2}的依赖性，（ii）电离层折射导致在天空频谱上的膝状调制在ν \approx 4 \times等离子体频率。使用更现实的模拟，我们表明，在测量的天空光谱，超过50%的21厘米的信号方差可以失去混淆前景和色彩效果。我们的结论是前景和色彩混合可能不会被减去频率的通用功能，如以前认为的，而是必须仔细建模使用额外的先验和干涉测量。
2013-06-10 astro-ph.CO astro-ph.IM
Calibration of the EDGES High-Band Receiver to Observe the Global 21-cm Signature from the Epoch of Reionization
EDGES高波段实验的目的是在红移范围$14.8 \gtrsim z \gtrsim 6.5$内探测来自再电离时期（EoR）的$21$ -cm信号的天空平均亮度温度。为了探测这种红移信号，EDGES高波段在西澳大利亚Murchison射电天文台的频率范围$90-190$ MHz内进行单天线测量。在本文中，我们描述了目前的战略，用于校准的EDGES高波段接收机和报告校准结果的仪器中使用的$2015-2016$观测活动。我们传播的接收机校准测量的天线温度使用蒙特卡罗方法的不确定性。我们定义了一个性能目标的$1$ ~mK残差RMS建模前景减法从基准温度谱使用五项多项式。在$95\%$置信度下，大多数校准不确定度产生$1$ ~mK或更小的残差。然而，天线和接收器反射系数中的当前不确定性可导致甚至在低前景天空区域中高达$20$ mK的残差。可以通过以下方式来减少这些主要残差：1）提高反射测量的精度，特别是它们的相位; 2）提高天线-接收器界面处的阻抗匹配;以及3）减少天线反射相位随频率的变化。
2016-12-10 astro-ph.CO astro-ph.IM
Validation of EDGES Low-Band Antenna Beam Model
天线的响应是全球EoR特征探测实验（EDGES）测量的不确定性来源。我们的目标是验证波束模型的低频段（50-100 MHz）偶极天线与模型之间的比较和对数据。我们发现，一个简化的模型的天线在一个无限的完美的导电接地平面的模拟，有一个例外，强大的数值电磁求解器代码或算法的变化。对于天线与实际有限的接地平面和现实的土壤属性的模拟，我们发现，三个数值求解器中的两个同意。将我们的分析管道应用于早期EDGES低波段仪器的模拟漂移扫描观测，该仪器具有10 m $\times$ 10 m接地平面，我们发现拟合和删除五项前景模型后的残留水平，以本地恒星时（LST）平均约250 mK的数据分组，数值求解器之间的$\pm$ 40 mK变化。对主30 m $\times$ 30 m接地层进行的类似分析将LST平均残差降至约90 mK，两个可行解算器之间的$\pm$为10 mK。更广泛地说，我们表明，较大的接地平面通常比较小的接地平面表现更好。模拟数据的功率在实际观测值的4 $\%$以内，这是天空和波束模型净精度的限制。我们观察到，残留的光谱结构后，前景模型拟合模拟数据和观测之间的定性匹配，这表明光束的频率依赖性是合理的模型表示。我们发现，0.02钐$^{-1}$和相对介电常数为3.5的土壤电导率产生良好的模拟光谱和观测之间的协议。这与Sutinjo等人（2015年）报告的Murchison射电天文台（E…
2021-03-02 astro-ph.CO astro-ph.IM
Detecting a Stochastic Gravitational Wave Background in the presence of a Galactic Foreground and Instrument Noise
探测一个随机的引力波背景需要我们首先理解和模拟任何天体物理前景。在毫赫兹频段，主要的前景信号将来自银河系中尚未解决的白矮星双星。我们建立在我们以前的工作表明，一个随机的引力波背景可以检测到的仪器噪声和银河系的混乱前景的存在。我们的方法的关键是准确地建模的各种信号分量的频谱。我们模拟的千兆激光干涉仪空间天线（LISA）在兆赫频段的检测器与6和4链接操作的数据。我们得到了仪器噪声参数、星系能级和调制参数以及随机背景能量密度的后验分布函数。我们发现，我们能够检测到一个尺度不变的随机背景的能量密度低至Ω_gw = 2 e-13的6链接干涉仪和Ω_gw = 5e-13的4链接干涉仪与一年的数据。
2013-10-07 astro-ph.CO gr-qc
A Ground Plane Artifact that Induces an Absorption Profile in Averaged Spectra from Global 21-cm Measurements - with Possible Application to EDGES
目前的大多数全球21厘米实验包括地面屏幕，有助于减轻来自地球的影响。在本文中，我们报告一个可能的系统性的工件内的地平面，可能会产生广泛的吸收功能，在这些实验观察到的光谱。使用解析近似和数值模拟，伪影的起源及其对天空平均光谱的影响进行了描述。公开发布的EDGES数据集，其中一个78 MHz的吸收功能，最近建议，用于探测潜在的存在接地平面谐振。虽然EDGES频谱缺乏噪声水平使得传统的拟合优度统计无法实现，但均方根残差可用于评估在类似情况下执行的相对拟合优度。使用具有简单2项前景和三个腔模共振的模型拟合EDGES光谱与EDGES团队使用的由5项前景和平坦高斯信号组成的模型拟合相同的光谱进行比较。与物理激励共振和经验平坦高斯模型的拟合分别具有20.8 mK（11个参数）和24.5 mK（9个参数）的均方根残差，这使我们能够得出结论，接地层共振构成了对EDGES数据的另一种合理解释。
2019-03-05 astro-ph.CO astro-ph.IM
Robust Extraction of Global 21 cm Spectrum from Experiments with a Chromatic Beam Based on Physics-Motivated Error Modeling
State Key Laboratory of Radio Astronomy and Technology, National Astronomical Observatories, CAS（射电天文科学与技术国家重点实验室，中国科学院国家天文台）；School of Astronomy and Space Science, University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学天文与空间科学学院）
本文提出了一种基于物理驱动误差建模的方法，用于稳健提取月球轨道实验中的全球21厘米信号，通过联合拟合前景和信号以提高提取效率。
2025-12-09 astro-ph.CO astro-ph.IM
Bayesian evidence-driven likelihood selection for sky-averaged 21-cm signal extraction
该研究针对无似然推理中寻找数据集真实似然近似的问题，通过注入不同非高斯噪声的全天平均21厘米信号模拟实验，验证了贝叶斯证据可用于似然选择，提出噪声结构未知时可用广义正态似然近似真实似然。
2023-03-20 astro-ph.CO
Multi-frequency angular power spectrum of the 21~cm signal from the Epoch of Reionisation using the Murchison Widefield Array
多频角功率谱（MAPS）是球平均功率谱的替代方案，并且计算角功率谱中的局部波动而不需要视线谱变换。测试了不同的MAPS方法和前景污染的处理方法，并与球平均功率谱和单频角功率谱进行了比较。我们将MAPS应用于Murchison宽场阵再电离期实验的$z=6.2-7.5$中110小时的数据，计算了21厘米亮温起伏的统计功率。在存在明亮前景的情况下，在MAPS应用之前应用滤波器以去除大规模模式，由于系统性而显著降低MAPS功率。MAPS显示了10 $^2$ -10 $^3$的对比度，与应用滤波器后的0- 4 MHz的光谱分离的模拟21 cm宇宙学信号，反映了球平均功率谱的结果。计算了单频角功率谱。在$z=7.5$和$l=200$中，我们发现角功率为53 mK $^2$，超过模拟宇宙学信号功率的一千倍。残留的光谱结构，固有的校准数据，而不是从大规模模式的频谱泄漏，是系统的功率偏差的主要来源。与球面平均功率谱相比，单频角功率谱产生稍差的结果，应用了频谱滤波器以减少前景。探索其他滤波器可能会改善这一结果，同时考虑更宽的带宽。
2022-08-12 astro-ph.CO astro-ph.IM
Quantifying Sky Map Resolution Requirements for Beam Chromaticity Correction in Sky-Averaged 21 cm Experiments
University of Cambridge（剑桥大学）；Cavendish Laboratory, University of Cambridge（剑桥大学卡文迪许实验室）；Kavli Institute for Cosmology in Cambridge, University of Cambridge（剑桥大学卡弗里宇宙学研究所）
本研究量化了全球21厘米实验波束色差校正所需的天图分辨率，发现约1°的分辨率降级不会引入可测量的残差增幅，为相关实验的天区模型设计提供了实用约束。
2026-09-15 astro-ph.CO
Removing systematics-induced 21-cm foreground residuals by cross-correlating filtered data
对中性氢发射的红移21厘米信号的观测是探索宇宙中大尺度结构的一个有希望的途径。然而，宇宙学21厘米信号是具有挑战性的观察，由于天体物理前景，这是几个数量级的亮度。传统的线性前景去除方法可以最佳地去除已知望远镜响应的前景，但是对望远镜系统误差（例如天线增益和延迟误差）敏感，从而在恢复的信号中留下前景污染。另一方面，诸如主成分分析的非线性方法已经成功地用于前景去除，但是它们导致难以表征并且需要仔细分析的信号损失。在本文中，我们提出了一个系统的鲁棒前景去除技术，结合线性和非线性的方法。我们首先使用线性滤波器获得信号和前景估计。在假设信号估计被可参数化的系统效应引起的前景残差污染的情况下，我们通过将初始信号和前景估计互相关来推断系统引起的污染。校正推断的误差，我们能够减去前景污染的线性滤波信号的幅度的望远镜系统的第一顺序。在干涉21厘米调查的模拟中，我们的算法消除了由功率谱中的一到两个数量级的复增益误差引起的前景泄漏。因此，我们的技术简化了现代和下一代21厘米宇宙学实验的望远镜表征的要求。
2022-03-14 astro-ph.CO astro-ph.IM gr-qc
Bayesian Data Analysis for Sky-averaged 21-cm Experiments in the Presence of Ionospheric Effects
电离层在低频无线电波上引入了色失真，因此对21厘米宇宙学构成了障碍。在本文中，我们介绍了时变色电离层的影响，模拟天线温度数据的全球21厘米数据分析管道，并试图检测注入全球信号。我们证明，在湍流电离层条件下，超过5%的误差，我们的知识的电离层参数可能会导致相对较低的证据和高的均方根误差（RMSE），这表明一个错误或零检测。当对于包括在不同时间的数据的情况使用恒定天线波束时，检测的重要性随着时间样本的数量的增加而降低。它还表明，对于观测，包括在不同的时间，重新调整波束配置根据时变的电离层条件应大大提高检测的意义，产生更高的证据和更低的RMSE，这是一个必要的程序时，电离层条件是不理想的成功检测。
2022-04-22 astro-ph.CO astro-ph.IM
In Search of Global 21-cm Signal using Artificial Neural Network in light of ARCADE 2
针对 ARCADE 2 超额射电背景下的全球 21 厘米信号提取问题，本文结合前景建模、电离层畸变与 ANN 参数提取，并以贝叶斯方法对比验证。
2025-05-15 astro-ph.CO
Probing Primordial Stochastic Gravitational Wave Background with Multi-band Astrophysical Foreground Cleaning
原始随机引力波背景（SGWB）携带着早期宇宙物理学的第一手信息，可能包括暴胀效应、预热效应、宇宙弦效应、电弱对称破缺等。然而，致密双星的天体物理前景可能掩盖了SGWB，给探测和精确测量带来困难。在本文中，我们提出了一种前景清洗方法，利用引力波观测在其他频段。我们应用这种方法来探测与星载引力波探测器，如激光干涉仪空间天线（LISA）的SGWB。我们发现，来自致密双星（黑洞和中子星）的LISA波段天体物理前景的谱密度可以以10- 10级的精度预测，假设第三代GW探测器的10年观测，例如，宇宙探险家虽然这种多波段的方法不适用于二进制白矮星（BWD），通常合并之前，进入地面探测器的频带，我们限制我们的前景清理频率高于$\sim5$兆赫，所有银河系BWD可以单独解决LISA和形状的光谱密度的前景河外BWD可以重建和/或建模具有一定的不确定性。前景清理后，LISA对原始SGWB的灵敏度将大大提高，无论是两个LISA星座，其中SGWB可以通过互相关它们的输出测量或只有一个星座与三个航天器，其中SGWB可以通过对比信号通道和零通道的响应测量。
2020-10-14 astro-ph.CO gr-qc
Extracting the Global 21-cm signal from Cosmic Dawn and Epoch of Reionization in the presence of Foreground and Ionosphere
本文首次用ANN从含前景及电离层折射、吸收和热辐射效应的全天区平均数据中提取21厘米信号参数，基于tanh模型与ARES合成信号训练，精度达96%以上，真实物理模型集上为97%–98%。
2024-01-28 astro-ph.CO
Carbon monoxide and ionized carbon line emission global signals: foregrounds and targets for absolute microwave spectrometry
本文研究未来微波光谱仪测量CO/[CII]全球信号的前景，发现其可约束星系金属丰度与分子气体演化，并量化了该信号对μ和y型谱畸变测量的影响及与CO LIM巡天的协同潜力。
2024-06-11 astro-ph.CO astro-ph.GA
Demonstration of hybrid foreground removal on CHIME data
针对21厘米宇宙学实验中望远镜系统误差导致的前景难分离问题，将HyFoReS技术应用于CHIME数据，通过高低延迟数据互相关估计并减除前景残差，可提升信号信噪比，助力大尺度模式恢复。
2024-08-16 astro-ph.CO astro-ph.IM gr-qc
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
Calibration and 21-cm Power Spectrum Estimation in the Presence of Antenna Beam Variations
探测再电离时代（EoR）的信号需要对银河系和银河系外前景、低频无线电仪器、仪器校准和数据分析管道有深刻的理解。在这项工作中，我们建立在现有的工作，旨在了解21厘米功率谱（PS）测量的校准误差的影响。已经确定的是，校准误差有可能通过引入模拟EoR信号结构的额外光谱特征来抑制EoR检测。我们提出了一个简单的方法来估计各种各样的建模残差的影响，在EoR PS估计。我们将此框架应用于Murchison宽场阵列（MWA）中的破碎偶极子的特定情况，以了解其效果并估计其对PS估计的影响。结合估计的百分比MWA瓷砖，至少有一个破碎的偶极子（15%-40%）与分析描述的波束错误引起的偶极子，我们计算校准和源减法后的前景的残差。我们发现，不正确的光束建模引入偏差在二维PS上的顺序为$\sim 10^3\, \mathrm{mK}^2 \,h^{-3}\, \mathrm{Mpc}^{3}$。虽然这比当前最低限值低三个数量级，但比预期信号高两个数量级。因此，确定当前射束模型和方向相关校准管道的准确性对于我们搜索EoR信号至关重要。
2020-02-26 astro-ph.CO astro-ph.IM
Ionospheric Attenuation of Polarized Foregrounds in 21 cm Epoch of Reionization Measurements: A Demonstration for the HERA Experiment
具有不是频率的平滑函数的偏振状态的前景对HI再电离时期（EoR）功率谱测量提出了挑战，如果它们没有与期望的Stokes I信号干净地分离的话。天线电磁响应的固有极化杂质限制了天空中极化状态的分量可以彼此分离的程度，导致这种频率结构可能被混淆为HI发射。我们调查法拉第旋转的潜力，地球的电离层提供一种机制，既缓解，系统的测试，这种污染。具体来说，我们考虑延迟功率谱估计，它依赖于前景将被分离的宇宙信号在傅立叶空间中的一个明确划定的边界的期望，并正在使用的氢时代的再电离阵列（HERA）实验。通过模拟的能见度测量，其中包括电离层法拉第旋转计算从真实的历史电离层等离子体密度数据，我们发现，在重复观测的天空的偏振态的非相干平均可以衰减偏振泄漏的功率谱的10倍或更多。此外，该效应提供了一种测试EoR功率谱估计中偏振前景污染的存在的方式。
2018-08-17 astro-ph.CO astro-ph.IM
Simulation-Based Inference of the sky-averaged 21-cm signal from CD-EoR with REACH
针对传统似然采样法计算成本高、难以纳入物理21厘米信号模型的问题，本研究采用TMNRE基于模拟的推断方法，结合模拟观测数据验证了其可改善参数约束，为REACH实验的21厘米信号研究提供新路径。
2025-06-12 astro-ph.CO astro-ph.IM
Measurement of All-sky Neutral hydrogen Absorption Spectrum (MANAS)
California Institute of Technology（加州理工学院）；Arizona State University（亚利桑那州立大学）；University of Colorado Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）
研究旨在测量宇宙黎明的天空平均红移21厘米信号，核心方法是结合多种设备并制定误差预算，主要贡献是能量化如天空、电离层等系统误差对21厘米实验的影响。
2026-07-28 astro-ph.CO
Spectral Redundancy for Calibrating Interferometers and Suppressing the Foreground Wedge in 21cm Cosmology
针对21cm宇宙学观测中前景分离与高精度校准难题，提出新型nucal谱冗余校准方法，无需天空或波束模型，可有效抑制楔形区域前景且信号损失小，适用于新一代21cm强度映射实验。
2024-06-21 astro-ph.CO astro-ph.IM
FlexKnot and Gaussian Process for 21 cm global signal analysis and foreground separation
针对21 cm全天平均信号分析中信号分量模型不完整的问题，提出前景正交高斯过程和FlexKnot自由参数化两种新方法，经合成数据和EDGES低频带数据验证有效。
2023-12-18 astro-ph.CO astro-ph.IM
The Array of Long Baseline Antennas for Taking Radio Observations from the Sub-Antarctic
测量红移21厘米的中性氢在<30兆赫的发射有可能探测宇宙的“黑暗时代”，宇宙的历史时期，至今仍未观察到。由于明亮的银河前景、电离层污染和地面无线电频率干扰，在这些频率上进行观测是非常具有挑战性的。很少有低于30 MHz的天空图，大多数都有中等分辨率。我们介绍了从亚南极（ALBATROS），一个新的实验，目的是图像低频银河系发射的分辨率比现有数据的数量级的改进的无线电观测的长基线天线阵列。ALBATROS阵列将由自主运行的天线站组成，每个天线站记录基带数据，这些数据将离线进行干涉组合。该阵列将安装在马里恩岛，最终将包括10个台站，工作频率范围为1.2-125兆赫，最大基线长度约为20公里。我们介绍了ALBATROS仪器的设计，并讨论了2018-2019年在马里恩岛进行的探路者观测。
2020-11-21 astro-ph.CO astro-ph.IM
Detecting cosmological recombination lines with a non-ideal antenna -- a first step to practical realization
针对宇宙复合辐射（CRR）谱线比CMB弱9个数量级且未被探测的问题，本研究首次用非理想天线波束色偏模型模拟探测，证明色偏天线可探测CRR，还揭示天线非理想性容忍度的影响因素，为APSERa实验设计提供参考。
2024-11-28 astro-ph.CO astro-ph.IM
Inferring astrophysical parameters using the 2D cylindrical power spectrum from reionisation
本研究利用基于模拟的推断方法（边际神经比率估计），结合SKA 1000小时模拟观测，证明2D柱面功率谱通过区分横向与红移信息，将天体物理参数约束的不确定性降低约30-40%，优于1D球面平均功率谱。
2024-03-21 astro-ph.CO
Global 21 cm Signal Recovery Under Changing Environmental Conditions
针对环境条件变化时传统方法难以恢复宇宙21厘米信号的问题，提出基于掩蔽自回归流的工具，相比传统流程贝叶斯证据更高，信号恢复均方根误差最高降低45%。
2024-09-17 astro-ph.CO
