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Data Compression for Helioseismology

dc.contributor.advisorGizon, Laurent Prof. Dr.
dc.contributor.authorLöptien, Björn
dc.date.accessioned2015-10-22T08:40:33Z
dc.date.available2015-10-22T08:40:33Z
dc.date.issued2015-10-22
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0023-9651-D
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-5291
dc.description.abstractDie effiziente Kompression von Daten wird eine wichtige Rolle für mehrere bevorste- hende und geplante Weltraummissionen spielen, die Helioseismologie betreiben werden, wie beispielsweise Solar Orbiter. Solar Orbiter ist die nächste Mission, die Helioseismologie beinhaltet, und soll im Oktober 2018 gestartet werden. Das Hauptmerkmal von Solar Orbiter ist der Orbit. Die Umlaufbahn des Satelliten wird zur Ekliptik geneigt sein, sodass der Satellit einen solaren Breitengrad von bis zu 33 Grad erreichen wird. Dies wird erstmals ermöglichen, die Pole der Sonne mit Hilfe von lokaler Helioseismologie zu studieren. Zusätzlich dazu können kombinierte Beobachtungen von Solar Orbiter und einem anderen Instrument dazu benutzt werden, die tiefen Schichten der Sonne mittels stereoskopischer Helioseismologie zu erforschen. Die Aufnahmen der Dopplergeschwindigkeit und der Kontinuumsintensität, die für Helioseismologie benötigt werden, werden vom Polarimetric and Helioseismic Imager (PHI) geliefert werden. Große Hindernisse für Helioseismologie mit Solar Orbiter sind die niedrige Datenüber- tragungsrate und die (wahrscheinlich) kurzen Beobachtungszeiten. Außerdem erfordert die Untersuchung der Pole der Sonne Beobachtungen in der Nähe des Sonnenrandes, sogar von dem geneigten Orbit von Solar Orbiter aus. Dies kann zu systematischen Fehlern führen. In dieser Doktorarbeit gebe ich eine erste Einschätzung ab, wie stark Helioseismologie von verlustbehafteter Datenkompression beeinflusst wird. Mein Schwerpunkt liegt dabei auf der Solar Orbiter Mission, die von mir erzielten Ergebnisse sind aber auch auf andere geplante Missionen übertragbar. Zunächst habe ich mit Hilfe synthetischer Daten die Eignung des PHI Instruments für Helioseismologie getestet. Diese basieren auf Simulationen der Konvektion nahe der Sonnenoberfläche und einem Modell von PHI. Ich habe eine sechs Stunden lange Zeitreihe synthetischer Daten erstellt, die die gleichen Eigenschaften wie die von PHI erwarteten Daten haben. Hierbei habe ich mich auf den Einfluss der Punktspreizfunktion, der Vibrationen des Satelliten und des Photonenrauschen konzentriert. Die von diesen Daten abgeleitete spektrale Leistungsdichte der solaren Oszillationen legt nahe, dass PHI für Helioseismologie geeignet sein wird. Aufgrund der niedrigen Datenübertragungsrate von Solar Orbiter müssen die von PHI für die Helioseismologie gewonnenen Daten stark komprimiert werden. Ich habe den Einfluss von Kompression mit Hilfe von Daten getestet, die vom Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) stammen. HMI ist ein Instrument an Bord des Solar Dynam- ics Observatory Satelliten (SDO), der 2010 gestartet worden ist. HMI erstellt mit hoher zeitlicher Abfolge Karten der Kontinuumsintensität, der Dopplergeschwindigkeit und des kompletten Magnetfeldvektors für die komplette von der Erde aus sichtbare Hemispäre der Sonne. Mit Hilfe mit von HMI aufgenommenen Karten der Dopplergeschwindigkeit konnte ich zeigen, dass das Signal-zu-Rausch Verhältnis von Supergranulation in der Zeit-Entfernungs Helioseismologie nicht stark von Datenkompression beeinflusst wird. Außerdem habe ich nachgewiesen, dass die Genauigkeit und Präzision von Messungen der Sonnenrotation mittels Local Correlation Tracking von Granulation durch verlust- behaftete Datenkompression nicht wesentlich verschlechtert werden. Diese Ergebnisse deuten an, dass die niedrige Datenübertragungsrate von Solar Orbiter nicht unbedingt ein großes Hinderniss für Helioseismologie sein muss.de
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subject.ddc530de
dc.titleData Compression for Helioseismologyde
dc.typedoctoralThesisde
dc.contributor.refereeGizon, Laurent Prof. Dr.
dc.date.examination2015-07-29
dc.subject.gokPhysik (PPN621336750)de
dc.description.abstractengEfficient data compression will play an important role for several upcoming and planned space missions involving helioseismology, such as Solar Orbiter. Solar Orbiter, to be launched in October 2018, will be the next space mission involving helioseismology. The main characteristic of Solar Orbiter lies in its orbit. The spacecraft will have an inclined solar orbit, reaching a solar latitude of up to 33 deg. This will allow, for the first time, probing the solar poles using local helioseismology. In addition, combined observations of Solar Orbiter and another helioseismic instrument will be used to study the deep interior of the Sun using stereoscopic helioseismology. The Doppler velocity and continuum intensity images of the Sun required for helioseismology will be provided by the Polarimetric and Helioseismic Imager (PHI). Major constraints for helioseismology with Solar Orbiter are the low telemetry and the (probably) short observing time. In addition, helioseismology of the solar poles requires observations close to the solar limb, even from the inclined orbit of Solar Orbiter. This gives rise to systematic errors. In this thesis, I derived a first estimate of the impact of lossy data compression on helioseismology. I put special emphasis on the Solar Orbiter mission, but my results are applicable to other planned missions as well. First, I studied the performance of PHI for helioseismology. Based on simulations of solar surface convection and a model of the PHI instrument, I generated a six-hour time-series of synthetic Doppler velocity images with the same properties as expected for PHI. Here, I focused on the impact of the point spread function, the spacecraft jitter, and of the photon noise level. The derived power spectra of solar oscillations suggest that PHI will be suitable for helioseismology. The low telemetry of Solar Orbiter requires extensive compression of the helioseismic data obtained by PHI. I evaluated the influence of data compression using data provided by the Helioseismic and Magnetic Imager (HMI). HMI is an instrument onboard the Solar Dynamics Observatory (SDO), launched in 2010. It provides full disk images with high cadence of the continuum intensity, the Doppler-velocity and the full magnetic field vector. Using HMI Doppler-velocity maps, I showed that the signal-to-noise ratio of supergranulation in time-distance helioseismology is robust regarding lossy data compression. In addition, I proved that the accuracy and precision of probing differential rotation with local correlation tracking of granulation is not severely affected by extensive lossy data compression. This indicates that the low telemetry of Solar Orbiter may not be a major challenge for helioseismology.de
dc.contributor.coRefereeSchuessler, Manfred Prof. Dr.
dc.subject.engSolar Physicsde
dc.subject.engHelioseismologyde
dc.subject.engLocal correlation trackingde
dc.subject.engData compressionde
dc.subject.engSupergranulationde
dc.subject.engRotationde
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-0023-9651-D-3
dc.affiliation.instituteFakultät für Physikde
dc.identifier.ppn837727340


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