NRAO Home > CASA > CASA Task Reference Manual

0.1.127 spxfit

Requires:

Synopsis
Fit a 1-dimensional model(s) to an image(s) or region for determination of spectral index.

Description



Arguments





Inputs

imagename

Name of the input image(s)

allowed:

any

Default:

variant

box

Rectangular region to select in direction plane. See ”help par.box” for details. Default is to use the entire direction plane.

allowed:

string

Default:

region

Region selection. See ”help par.region” for details. Default is to use the full image.

allowed:

string

Default:

chans

Channels to use. See ”help par.chans” for details. Default is to use all channels.

allowed:

string

Default:

stokes

Stokes planes to use. See ”help par.stokes” for details. Default is to use all Stokes planes.

allowed:

string

Default:

axis

The profile axis. Default: use the spectral axis if one exists, axis 0 otherwise (<0).

allowed:

int

Default:

-1

mask

Mask to use. See help par.mask. Default is none.

allowed:

string

Default:

minpts

Minimum number of unmasked points necessary to attempt fit.

allowed:

int

Default:

1

multifit

If true, fit a profile along the desired axis at each pixel in the specified region. If false, average the non-fit axis pixels and do a single fit to that average profile. Default False.

allowed:

bool

Default:

False

spxtype

Type of function to fit. ”plp” = power logarithmic polynomial, ”ltp” = logarithmic transformed polynomial.

allowed:

string

Default:

plp

spxest

REQUIRED. Initial estimates as array of numerical values for the spectral index function coefficients. eg [1.5, -0.8] if fitting a plp function thought to be close to 1.5*(x/div)**(-0.8) or [0.4055, -0.8] if fitting an lpt function thought to be close to ln(1.5) - 0.8*ln(x/div).

allowed:

doubleArray

Default:

spxfix

Fix the corresponding spectral index function coefficients during the fit. True means hold fixed.

allowed:

boolArray

Default:

div

Divisor (numerical value or quantity) to use in the logarithmic terms of the plp or ltp function. 0 means calculate a useful value on the fly.

allowed:

any

Default:

variant 0

spxsol

Name of the spectral index function coefficient solution image to write.

allowed:

string

Default:

spxerr

Name of the spectral index function coefficient error image to write.

allowed:

string

Default:

model

Name of model image. Default: do not write the model image (””).

allowed:

string

Default:

residual

Name of residual image. Default: do not write the residual image (””).

allowed:

string

Default:

wantreturn

Should a record summarizing the results be returned?

allowed:

bool

Default:

True

stretch

Stretch the mask if necessary and possible? See help par.stretch

allowed:

bool

Default:

False

logresults

Output results to logger?

allowed:

bool

Default:

True

logfile

File in which to log results. Default is not to write a logfile.

allowed:

string

Default:

append

Append results to logfile? Logfile must be specified. Default is to append. False means overwrite existing file if it exists.

allowed:

bool

Default:

True

sigma

Standard deviation array or image name(s).

allowed:

any

Default:

variant

outsigma

Name of output image used for standard deviation. Ignored if sigma is empty.

allowed:

string

Default:

Returns
record

Example

 
 
This task fits a power logarithmic polynomial or a logarithmic tranformed polynomial to one dimensional profiles for determination of spectral indices.  
 
PARAMETER SUMMARY  
imagename       Name of the input image(s). More than one image name can be given as an  
                array, in which case the images are concatenated along the specified axis  
                and the resultant image is what is used by the fitter. In this case,  
                all images must have the same dimensions along all axes other than the fit axis.  
box             Rectangular region to select in direction plane. See "help par.box" for details.  
                Default is to use the entire direction plane.  
region          Region selection. See "help par.region" for details. Default is to use the full image.  
chans           Channels to use. See "help par.chans" for details. Default is to use all channels.  
stokes          Stokes planes to use. See "help par.stokes" for details. Default is to use all Stokes planes.  
axis            Axis along which to do the fit(s). <0 means use the spectral axis or the  
                zeroth axis if a spectral axis is not present.  
mask            Mask to use. See help par.mask. Default is none.  
stretch         Stretch the input mask if necessary and possible? Only used if a mask is specified.  
                See help par.stretch.  
minpts          Minimum number of points necessary to attempt a fit.  
multifit        Fit models at each pixel in region (true) or average profiles and fit a single model (false).  
spxtype         Type of function to fit. "plp" => power logarithmic polynomial, "ltp" => logarithmic  
                transformed polynomial.  
spxest          REQUIRED. Initial estimates as array of numerical values for the spectral index  
                function coefficients. eg [1.5, -0.8] if fitting a plp function thought to be close to  
                1.5*(x/div)**(-0.8), or [0.4055, -0.8] if fitting an lpt function thought to be close to  
                ln(1.5) - 0.8*ln(x/div).  
spxfix          Fix the corresponding spx function coefficients during the fit. True=>hold fixed  
div             Divisor (numerical value or quantity) to use in the logarithmic terms of the plp or ltp  
                function. 0 => calculate a useful value on the fly.  
spxsol          Name of the function coeffecients solution image to write.  
spxerr          Name of the function coeffecients error image to write.  
model           Name of model image to write.  
residual        Name of residual image to write.  
wantreturn      If true, return a record summarizing the fit results, if false, return false.  
stretch         Stretch the mask if necessary and possible? See help par.stretch  
logresults      Output results to logger?  
logfile         File in which to log results. Default is not to write a logfile.  
append          Append results to logfile? Logfile must be specified. Default is to append. False means overwrite existing file if it exists.  
sigma           Standard deviation numerical array, image name (string), or string array of names of images which will be  
                concatenated to create the sigma image that is used by the fitter.  
outsigma        Name of output image used for standard deviation. Ignored if sigma is empty.  
 
This application performs a non-linear, least squares fits using the Levenberg-Marquardt algorithm of either a power logarithmic polynomial or a  
logarithmic tranformed polynomial to pixel values along a specified axis of an image or images. A description of the fitting algorithm may be found  
in AIPS++ Note 224 (http://www.astron.nl/casacore/trunk/casacore/doc/notes/224.html) and in Numerical Recipes by W.H. Press et al., Cambridge  
University Press. These functions are most often used for fitting the spectral index and higher order terms of a spectrum. A power logarithmic  
polynomial (plp) has the form  
 
y = c0*(x/div)**(c1 + c2*ln(x/div) + c3*ln(x/div)**2 + ... + cn*ln(x/div)**(n - 1))  
 
and a logarithmic transformed polynomial (ltp) is simply the result of this equation after taking the natural log of both sides so that it has the form  
 
ln(y) = c0 + c1*ln(x/div) + c2*ln(x/div)**2 +  ... + cn*ln(x/div)**n  
 
Because the logarithm of the ordinate values must be taken before fitting a logarithmic transformed polynomial,  
all non-positive pixel values are effectively masked for the purposes of fitting.  
 
The coefficients of the two forms are equal to each other except that c0 in the second equation is equal to  
ln(c0) of the first. In the case of fitting a spectral index, which is traditionally represented as alpha, is  
equal to c1.  
 
In both cases, div is a numerical value used to scale abscissa values so they are closer to unity when they are sent to the fitter. This generally  
improves the probability that the fit will converge. This parameter may be specified via the div parameter. A value of 0  
(the default) indicates that the application should determine a reasonable value for div, which is determined via  
 
div = 10**int(log10(sqrt(min(x)*max(x))))  
 
where min(x) and max(x) are the minimum and maximum abscissa values, respectively.  
 
So, for example, if S(nu) is proportional to nu**alpha and you expect alpha to be near -0.8 and the value of S(nu) is 1.5 at  
1e9 Hz and your image(s) have spectral units of Hz, you would specify spxest=[1.5, -0.8] and div=1e9 when fitting a plp function,  
or spxest=[0.405, -0.8] and div=1e9 if fitting an ltp function close to ln(1.5) - 0.8*ln(x/div).  
 
 
A CAUTIONARY NOTE  
Note that the likelihood of getting a reliable solution increases with the number of good data points as well as the goodness  
of the initial estimate. It is possible that the first solution found might not be the best one, and  
so, if a solution is found, it is recommended that the fit be repeated using the solution of the previous fit as the  
initial estimatE for the new fit. This process should be repeated until the solutions from one fit to the next differ only insignificantly.  
The convergent solution is very likely the best solution.  
 
AXIS  
The axis parameter indicates on which axis profiles should be fit; a value <0 indicates the spectral axis should be used,  
or if one does not exist, that the zeroth axis should be used.  
 
MINIMUM NUMBER OF PIXELS  
The minpts parameter indicates the minimum number of unmasked pixels that must be present in order for a fit  
to be attempted. When multifit=T, positions with too few good points will be masked in any output images.  
 
ONE FIT OF REGION AVERAGE OR PIXEL BY PIXEL FIT  
The multifit parameter indicates if profiles should be fit at each pixel in the selected region (true), or if the profiles in that region should be  
averaged and the fit done to that average profile (false).  
 
FUNCTION TYPE  
Which function to fit is specified in the spxtype parameter. Only two values (case insensitive) are supported. A value of  
"plp" indicates that a power logarithmic polynomial should be fit. A value of "ltp" indicates a logarithmic transformed  
polynomial should be fit.  
 
INCLUDING STANDARD DEVIATIONS OF PIXEL VALUES  
If the standard deviations of the pixel values in the input image are known and they vary in the image (eg they are higher for pixels  
near the edge of the band), they can be included in the sigma parameter. This parameter takes either an array or an image name. The  
array or image must have one of three shapes: 1. the shape of the input image, 2. the same dimensions as the input image with the lengths  
of all axes being one except for the fit axis which must have length corresponding to its length in the input image, or 3. be one  
dimensional with lenght equal the the length of the fit axis in the input image. In cases 2 and 3, the array or pixels in sigma will  
be replicated such that the image that is ultimately used is the same shape as the input image. The values of sigma must be non-negative.  
It is only the relative values that are important. A value of 0 means that pixel should not be used in the fit. Other than that, if pixel  
A has a higher standard deviation than pixel B, then pixel A is noisier than pixel B and will receive a lower weight when the fit is done.  
The weight of a pixel is the usual  
 
weight = 1/(sigma*sigma)  
 
In the case of multifit=F, the sigma values at each pixel along the fit axis in the hyperplane perpendicular to the fit axis which includes  
that pixel are averaged and the resultant averaged standard deviation spectrum is the one used in the fit. Internally, sigma values are normalized  
such that the maximum value is 1. This mitigates a known overflow issue.  
 
One can write the normalized standard deviation image used in the fit by specifying its name in outsigma. This image can then be  
used as sigma for subsequent runs.  
 
RETURNED DICTIONARY STRUCTURE  
The returned dictionary has a (necessarily) complex structure. First, there are keys "xUnit" and "yUnit" whose values are  
the abscissa unit and the ordinate unit described by simple strings. Next there are arrays giving a broad overview of the  
fit quality. These arrays have the shape of the specified region collapsed along the fit axis with the axis corresponding to the fit  
axis having length of 1:  
 
attempted: a boolean array indicating which fits were attempted (eg if too few unmasked points, a fit will not be attempted).  
converged: a boolean array indicating which fits converged. False if the fit was not attempted.  
valid:     a boolean array indicating which solutions fall within the specified valid ranges of parameter space. Any solution for  
           which a value or error is NaN is automatically marked as invalid.  
niter:     an int array indicating the number of iterations for each profile, <0 if the fit did not converge  
direction: a string array containing the world direction coordinate for each profile  
 
There is a "type" array having number of dimensions equal to the number of dimensions in the above arrays plus one. The shape of  
the first n-1 dimensions is the same as the shape of the above arrays. The length of the last dimension is equal to the number of  
components fit. The values of this array are all "POWER LOGARITHMIC POLYNOMIAL" or "LOGARITHMIC TRANSFORMED POLYNOMIAL", depending  
on which type function was fit.  
 
There will be a subdictionary accessible via the "plp" or "ltp" key (depending on which type of function was fit) which will have  
subkeys "solution" and "error" which will each have an array of values. Each of these arrays will have one more dimension than the overview arrays  
described above. The shape of the first n-1 dimensions will be the same as the shape of the overview arrays described above, while the  
final dimension will have length equal to the number of parameters that were fit. Along this axis will be the  
corresponding fit result or associated error (depending on the array’s associated key) of the fit. In cases where  
the fit was not attempted or did not converge, a value of NAN will be present.  
 
OUTPUT IMAGES  
In addition to the returned dictionary, optionally one or more of any combination of output images can be written.  
The model and residual parameters indicate the names of the model and residual images to be written; empty values inidcate that these images  
should not be written.  
 
The parameters spxsol and spxerr are the names of the solution and error images to write, respectively. In cases  
where more than one coefficient are fit, the image names will be appended with an underscore followed by the relevant  
coefficient number ("_0", "_1", etc). These images contain the arrays for the associated parameter solutions or errors  
described in previous sections. Pixels for which fits were not attempted, did not converge, or converged but have values  
of NaN (not a number) or INF (infinity) will be masked as bad.  
 
LPT vs PLP  
Ultimately, the choice of which functional form to use in determining the spectral index is up to the user and should be based  
on the scientific goals. However, below is a summary of one user’s experience and preferences as an example:  
 
If the weights are known or can be determined from the images (eg. the source-free image rms and a fractional calibration error) then I  
favor a weighted fit using the non-linear (power-law) model. An unweighted fit using the non-linear model will, in general, give far  
too much leverage to large flux values.  
 
If the weights are unknown or will not be considered by the fitting algorithm, then I prefer the log-transformed polynomial model. However,  
this does not work well in low signal-to-noise regions. A conservative mask could be created such that only high s/n areas are fit,  
but this could hinder many science objectives.  
 
EXAMPLES  
 
res = spxfit(imagename=["im0.im","im1.im"], multifit=true, spxtype="plp", spxest=[0.5,2,0.1], div="1GHz", spxsol="myplpsolutions.im")  
 


More information about CASA may be found at the CASA web page

Copyright 2016 Associated Universities Inc., Washington, D.C.

This code is available under the terms of the GNU General Public Lincense


Home | Contact Us | Directories | Site Map | Help | Privacy Policy | Search