source: sasview/Invariant/invariant.py @ a284455

ESS_GUIESS_GUI_DocsESS_GUI_batch_fittingESS_GUI_bumps_abstractionESS_GUI_iss1116ESS_GUI_iss879ESS_GUI_iss959ESS_GUI_openclESS_GUI_orderingESS_GUI_sync_sascalccostrafo411magnetic_scattrelease-4.1.1release-4.1.2release-4.2.2release_4.0.1ticket-1009ticket-1094-headlessticket-1242-2d-resolutionticket-1243ticket-1249ticket885unittest-saveload
Last change on this file since a284455 was 992199e, checked in by Gervaise Alina <gervyh@…>, 14 years ago

modify invariant wrapper bring the pylint score 10/10

  • Property mode set to 100644
File size: 36.0 KB
RevLine 
[a45622a]1#####################################################################
2#This software was developed by the University of Tennessee as part of the
3#Distributed Data Analysis of Neutron Scattering Experiments (DANSE)
4#project funded by the US National Science Foundation.
5#See the license text in license.txt
6#copyright 2010, University of Tennessee
7######################################################################
[2e94cbde]8
9"""
[a45622a]10This module implements invariant and its related computations.
[2e94cbde]11
[a45622a]12:author: Gervaise B. Alina/UTK
13:author: Mathieu Doucet/UTK
14:author: Jae Cho/UTK
[c75a8ed]15
[75047cf]16"""
17import math 
[ef9ed58]18import numpy
[75047cf]19
[46d50ca]20from DataLoader.data_info import Data1D as LoaderData1D
[75047cf]21
[b6666d4]22# The minimum q-value to be used when extrapolating
23Q_MINIMUM  = 1e-5
24
25# The maximum q-value to be used when extrapolating
26Q_MAXIMUM  = 10
27
28# Number of steps in the extrapolation
29INTEGRATION_NSTEPS = 1000
30
[59a41066]31class Transform(object):
[ef9ed58]32    """
[a45622a]33    Define interface that need to compute a function or an inverse
34    function given some x, y
[59a41066]35    """
[76c1727]36   
37    def linearize_data(self, data):
[59a41066]38        """
[a45622a]39        Linearize data so that a linear fit can be performed.
40        Filter out the data that can't be transformed.
41       
42        :param data: LoadData1D instance
43       
[76c1727]44        """
45        # Check that the vector lengths are equal
46        assert(len(data.x)==len(data.y))
47        if data.dy is not None:
48            assert(len(data.x)==len(data.dy))
49            dy = data.dy
50        else:
[bdd162f]51            dy = numpy.ones(len(data.y))
[76c1727]52           
53        # Transform the data
[bdd162f]54        data_points = zip(data.x, data.y, dy)
55
[76c1727]56        output_points = [(self.linearize_q_value(p[0]),
57                          math.log(p[1]),
[cbaa2f4]58                          p[2]/p[1]) for p in data_points if p[0]>0 and \
59                          p[1]>0 and p[2]>0]
[76c1727]60       
61        x_out, y_out, dy_out = zip(*output_points)
62       
[bdd162f]63        # Create Data1D object
[76c1727]64        x_out = numpy.asarray(x_out)
65        y_out = numpy.asarray(y_out)
66        dy_out = numpy.asarray(dy_out)
[bdd162f]67        linear_data = LoaderData1D(x=x_out, y=y_out, dy=dy_out)
[76c1727]68       
69        return linear_data
[bdd162f]70   
71    def get_allowed_bins(self, data):
[76c1727]72        """
[a45622a]73        Goes through the data points and returns a list of boolean values
74        to indicate whether each points is allowed by the model or not.
75       
76        :param data: Data1D object
[59a41066]77        """
[cbaa2f4]78        return [p[0]>0 and p[1]>0 and p[2]>0 for p in zip(data.x, data.y,
79                                                           data.dy)]
[bdd162f]80       
[aafa962]81    def linearize_q_value(self, value):
[59a41066]82        """
[a45622a]83        Transform the input q-value for linearization
[59a41066]84        """
[82703a1]85        return NotImplemented
[aafa962]86
[bdd162f]87    def extract_model_parameters(self, constant, slope, dconstant=0, dslope=0):
[59a41066]88        """
[a45622a]89        set private member
[59a41066]90        """
[82703a1]91        return NotImplemented
[aafa962]92     
93    def evaluate_model(self, x):
[59a41066]94        """
[a45622a]95        Returns an array f(x) values where f is the Transform function.
[59a41066]96        """
[82703a1]97        return NotImplemented
98   
[bdd162f]99    def evaluate_model_errors(self, x):
100        """
[a45622a]101        Returns an array of I(q) errors
[bdd162f]102        """
103        return NotImplemented
104   
[59a41066]105class Guinier(Transform):
106    """
[a45622a]107    class of type Transform that performs operations related to guinier
108    function
[59a41066]109    """
110    def __init__(self, scale=1, radius=60):
111        Transform.__init__(self)
112        self.scale = scale
113        self.radius = radius
[bdd162f]114        ## Uncertainty of scale parameter
115        self.dscale  = 0
116        ## Unvertainty of radius parameter
117        self.dradius = 0
[76c1727]118       
[aafa962]119    def linearize_q_value(self, value):
[82703a1]120        """
[a45622a]121        Transform the input q-value for linearization
122       
123        :param value: q-value
124       
125        :return: q*q
[82703a1]126        """
127        return value * value
[59a41066]128   
[bdd162f]129    def extract_model_parameters(self, constant, slope, dconstant=0, dslope=0):
[a45622a]130        """
131            assign new value to the scale and the radius
[82703a1]132        """
[bdd162f]133        self.scale = math.exp(constant)
134        self.radius = math.sqrt(-3 * slope)
135       
136        # Errors
137        self.dscale = math.exp(constant)*dconstant
138        self.dradius = -3.0/2.0/math.sqrt(-3 * slope)*dslope
[59a41066]139       
[c4f52e3]140        return [self.radius, self.scale], [self.dradius, self.dscale]
141       
[aafa962]142    def evaluate_model(self, x):
[59a41066]143        """
[a45622a]144        return F(x)= scale* e-((radius*x)**2/3)
[59a41066]145        """
146        return self._guinier(x)
[aafa962]147             
[bdd162f]148    def evaluate_model_errors(self, x):
149        """
[a45622a]150        Returns the error on I(q) for the given array of q-values
151       
152        :param x: array of q-values
[bdd162f]153        """
[cbaa2f4]154        p1 = numpy.array([self.dscale * math.exp(-((self.radius * q)**2/3)) \
155                          for q in x])
156        p2 = numpy.array([self.scale * math.exp(-((self.radius * q)**2/3))\
157                     * (-(q**2/3)) * 2 * self.radius * self.dradius for q in x])
[bdd162f]158        diq2 = p1*p1 + p2*p2       
159        return numpy.array( [math.sqrt(err) for err in diq2] )
160             
[59a41066]161    def _guinier(self, x):
162        """
[a45622a]163        Retrive the guinier function after apply an inverse guinier function
164        to x
165        Compute a F(x) = scale* e-((radius*x)**2/3).
166       
167        :param x: a vector of q values
168        :param scale: the scale value
169        :param radius: the guinier radius value
170       
171        :return: F(x)
[59a41066]172        """   
173        # transform the radius of coming from the inverse guinier function to a
174        # a radius of a guinier function
175        if self.radius <= 0:
[cbaa2f4]176            msg = "Rg expected positive value, but got %s"%self.radius
177            raise ValueError(msg) 
[59a41066]178        value = numpy.array([math.exp(-((self.radius * i)**2/3)) for i in x ]) 
179        return self.scale * value
180
181class PowerLaw(Transform):
182    """
[a45622a]183    class of type transform that perform operation related to power_law
184    function
[ef9ed58]185    """
[59a41066]186    def __init__(self, scale=1, power=4):
187        Transform.__init__(self)
188        self.scale = scale
189        self.power = power
[76c1727]190   
[aafa962]191    def linearize_q_value(self, value):
192        """
[a45622a]193        Transform the input q-value for linearization
194       
195        :param value: q-value
196       
197        :return: log(q)
[aafa962]198        """
199        return math.log(value)
200   
[bdd162f]201    def extract_model_parameters(self, constant, slope, dconstant=0, dslope=0):
[82703a1]202        """
[a45622a]203        Assign new value to the scale and the power
[82703a1]204        """
[bdd162f]205        self.power = -slope
206        self.scale = math.exp(constant)
207       
208        # Errors
209        self.dscale = math.exp(constant)*dconstant
[c4f52e3]210        self.dpower = -dslope
211       
212        return [self.power, self.scale], [self.dpower, self.dscale]
[82703a1]213       
[aafa962]214    def evaluate_model(self, x):
[59a41066]215        """
[a45622a]216        given a scale and a radius transform x, y using a power_law
217        function
[59a41066]218        """
219        return self._power_law(x)
[bdd162f]220   
221    def evaluate_model_errors(self, x):
222        """
[a45622a]223        Returns the error on I(q) for the given array of q-values
224        :param x: array of q-values
[bdd162f]225        """
226        p1 = numpy.array([self.dscale * math.pow(q, -self.power) for q in x])
[cbaa2f4]227        p2 = numpy.array([self.scale * self.power * math.pow(q, -self.power-1)\
228                           * self.dpower for q in x])
[bdd162f]229        diq2 = p1*p1 + p2*p2       
230        return numpy.array( [math.sqrt(err) for err in diq2] )
[59a41066]231       
232    def _power_law(self, x):
233        """
[a45622a]234        F(x) = scale* (x)^(-power)
235            when power= 4. the model is porod
236            else power_law
237        The model has three parameters: ::
238            1. x: a vector of q values
239            2. power: power of the function
240            3. scale : scale factor value
241       
242        :param x: array
243        :return: F(x)
[59a41066]244        """
245        if self.power <= 0:
[cbaa2f4]246            msg = "Power_law function expected positive power,"
247            msg += " but got %s"%self.power
248            raise ValueError(msg)
[59a41066]249        if self.scale <= 0:
[cbaa2f4]250            msg = "scale expected positive value, but got %s"%self.scale
251            raise ValueError(msg) 
[59a41066]252       
253        value = numpy.array([ math.pow(i, -self.power) for i in x ]) 
254        return self.scale * value
[ef9ed58]255
[59a41066]256class Extrapolator:
[75047cf]257    """
[a45622a]258    Extrapolate I(q) distribution using a given model
[75047cf]259    """
[bdd162f]260    def __init__(self, data, model=None):
[75047cf]261        """
[a45622a]262        Determine a and b given a linear equation y = ax + b
263       
264        If a model is given, it will be used to linearize the data before
[cbaa2f4]265        the extrapolation is performed. If None,
266        a simple linear fit will be done.
[a45622a]267       
268        :param data: data containing x and y  such as  y = ax + b
269        :param model: optional Transform object
[75047cf]270        """
271        self.data  = data
[bdd162f]272        self.model = model
[59a41066]273       
[2a11d09]274        # Set qmin as the lowest non-zero value
275        self.qmin = Q_MINIMUM
276        for q_value in self.data.x:
[59a41066]277            if q_value > 0: 
[2a11d09]278                self.qmin = q_value
279                break
280        self.qmax = max(self.data.x)
[bdd162f]281             
282    def fit(self, power=None, qmin=None, qmax=None):
[75047cf]283        """
[a45622a]284        Fit data for y = ax + b  return a and b
285       
286        :param power: a fixed, otherwise None
287        :param qmin: Minimum Q-value
288        :param qmax: Maximum Q-value
[75047cf]289        """
[bdd162f]290        if qmin is None:
291            qmin = self.qmin
292        if qmax is None:
293            qmax = self.qmax
294           
295        # Identify the bin range for the fit
296        idx = (self.data.x >= qmin) & (self.data.x <= qmax)
297       
[437a9f0]298        fx = numpy.zeros(len(self.data.x))
[59a41066]299
[bdd162f]300        # Uncertainty
[cbaa2f4]301        if type(self.data.dy)==numpy.ndarray and \
302            len(self.data.dy)==len(self.data.x):
[3082632]303            sigma = self.data.dy
[2a11d09]304        else:
305            sigma = numpy.ones(len(self.data.x))
[59a41066]306           
[9b6497bb]307        # Compute theory data f(x)
[bdd162f]308        fx[idx] = self.data.y[idx]
[472b11c]309       
[bdd162f]310        # Linearize the data
311        if self.model is not None:
[cbaa2f4]312            linearized_data = self.model.linearize_data(\
313                                            LoaderData1D(self.data.x[idx],
[bdd162f]314                                                                fx[idx],
[cbaa2f4]315                                                            dy = sigma[idx]))
[bdd162f]316        else:
317            linearized_data = LoaderData1D(self.data.x[idx],
318                                           fx[idx],
319                                           dy = sigma[idx])
[59a41066]320       
[472b11c]321        ##power is given only for function = power_law   
322        if power != None:
[bdd162f]323            sigma2 = linearized_data.dy * linearized_data.dy
[eb62193]324            a = -(power)
[bdd162f]325            b = (numpy.sum(linearized_data.y/sigma2) \
326                 - a*numpy.sum(linearized_data.x/sigma2))/numpy.sum(1.0/sigma2)
327           
[82703a1]328           
[cbaa2f4]329            deltas = linearized_data.x*a + \
330                    numpy.ones(len(linearized_data.x))*b-linearized_data.y
[bdd162f]331            residuals = numpy.sum(deltas*deltas/sigma2)
332           
333            err = math.fabs(residuals) / numpy.sum(1.0/sigma2)
334            return [a, b], [0, math.sqrt(err)]
335        else:
336            A = numpy.vstack([ linearized_data.x/linearized_data.dy,
337                               1.0/linearized_data.dy]).T       
[cbaa2f4]338            (p, residuals, rank, s) = numpy.linalg.lstsq(A,
339                                        linearized_data.y/linearized_data.dy)
[bdd162f]340           
341            # Get the covariance matrix, defined as inv_cov = a_transposed * a
342            err = numpy.zeros(2)
343            try:
344                inv_cov = numpy.dot(A.transpose(), A)
345                cov = numpy.linalg.pinv(inv_cov)
346                err_matrix = math.fabs(residuals) * cov
347                err = [math.sqrt(err_matrix[0][0]), math.sqrt(err_matrix[1][1])]
348            except:
349                err = [-1.0, -1.0]
350               
351            return p, err
[aafa962]352       
[b6666d4]353
[75047cf]354class InvariantCalculator(object):
355    """
[a45622a]356    Compute invariant if data is given.
357    Can provide volume fraction and surface area if the user provides
358    Porod constant  and contrast values.
359   
360    :precondition:  the user must send a data of type DataLoader.Data1D
361                    the user provide background and scale values.
362                   
363    :note: Some computations depends on each others.
[75047cf]364    """
365    def __init__(self, data, background=0, scale=1 ):
366        """
[a45622a]367        Initialize variables.
368       
369        :param data: data must be of type DataLoader.Data1D
[cbaa2f4]370        :param background: Background value. The data will be corrected
371            before processing
372        :param scale: Scaling factor for I(q). The data will be corrected
373            before processing
[75047cf]374        """
[b6666d4]375        # Background and scale should be private data member if the only way to
376        # change them are by instantiating a new object.
377        self._background = background
378        self._scale = scale
[7182d96]379        # slit height for smeared data
380        self._smeared = None
[b6666d4]381        # The data should be private
382        self._data = self._get_data(data)
[7182d96]383        # get the dxl if the data is smeared: This is done only once on init.
[16f60cb]384        if self._data.dxl != None and self._data.dxl.all() >0:
[7182d96]385            # assumes constant dxl
[16f60cb]386            self._smeared = self._data.dxl[0]
[f31ab59]387     
[b6666d4]388        # Since there are multiple variants of Q*, you should force the
389        # user to use the get method and keep Q* a private data member
390        self._qstar = None
391       
392        # You should keep the error on Q* so you can reuse it without
393        # recomputing the whole thing.
394        self._qstar_err = 0
[75047cf]395       
[b6666d4]396        # Extrapolation parameters
397        self._low_extrapolation_npts = 4
[59a41066]398        self._low_extrapolation_function = Guinier()
[4e80ae0]399        self._low_extrapolation_power = None
[90e5ca1]400        self._low_extrapolation_power_fitted = None
[ef9ed58]401   
[b6666d4]402        self._high_extrapolation_npts = 4
[59a41066]403        self._high_extrapolation_function = PowerLaw()
[4e80ae0]404        self._high_extrapolation_power = None
[90e5ca1]405        self._high_extrapolation_power_fitted = None
[75047cf]406       
[2e94cbde]407        # Extrapolation range
408        self._low_q_limit = Q_MINIMUM
409       
[b6666d4]410    def _get_data(self, data):
[75047cf]411        """
[a45622a]412        :note: this function must be call before computing any type
413         of invariant
414         
415        :return: new data = self._scale *data - self._background
[75047cf]416        """
[b6666d4]417        if not issubclass(data.__class__, LoaderData1D):
418            #Process only data that inherited from DataLoader.Data_info.Data1D
419            raise ValueError,"Data must be of type DataLoader.Data1D"
[6d55d81]420        #from copy import deepcopy
[82703a1]421        new_data = (self._scale * data) - self._background   
[bdd162f]422       
423        # Check that the vector lengths are equal
424        assert(len(new_data.x)==len(new_data.y))
425       
426        # Verify that the errors are set correctly
427        if new_data.dy is None or len(new_data.x) != len(new_data.dy) or \
428            (min(new_data.dy)==0 and max(new_data.dy)==0):
429            new_data.dy = numpy.ones(len(new_data.x)) 
[82703a1]430        return  new_data
431     
[c4f52e3]432    def _fit(self, model, qmin=Q_MINIMUM, qmax=Q_MAXIMUM, power=None):
[75047cf]433        """
[a45622a]434        fit data with function using
435        data = self._get_data()
436        fx = Functor(data , function)
437        y = data.y
438        slope, constant = linalg.lstsq(y,fx)
439       
440        :param qmin: data first q value to consider during the fit
441        :param qmax: data last q value to consider during the fit
442        :param power : power value to consider for power-law
443        :param function: the function to use during the fit
444       
445        :return a: the scale of the function
446        :return b: the other parameter of the function for guinier will be radius
447                for power_law will be the power value
[ef9ed58]448        """
[bdd162f]449        extrapolator = Extrapolator(data=self._data, model=model)
450        p, dp = extrapolator.fit(power=power, qmin=qmin, qmax=qmax) 
[82703a1]451       
[cbaa2f4]452        return model.extract_model_parameters(constant=p[1], slope=p[0],
453                                              dconstant=dp[1], dslope=dp[0])
[ef9ed58]454   
455    def _get_qstar(self, data):
[75047cf]456        """
[a45622a]457        Compute invariant for pinhole data.
458        This invariant is given by: ::
459   
460            q_star = x0**2 *y0 *dx0 +x1**2 *y1 *dx1
[7182d96]461                        + ..+ xn**2 *yn *dxn    for non smeared data
462                       
463            q_star = dxl0 *x0 *y0 *dx0 +dxl1 *x1 *y1 *dx1
464                        + ..+ dlxn *xn *yn *dxn    for smeared data
[a45622a]465                       
[669aaf9]466            where n >= len(data.x)-1
[7182d96]467            dxl = slit height dQl
[75047cf]468            dxi = 1/2*(xi+1 - xi) + (xi - xi-1)
[3bb37ef]469            dx0 = (x1 - x0)/2
470            dxn = (xn - xn-1)/2
[a45622a]471           
472        :param data: the data to use to compute invariant.
473       
474        :return q_star: invariant value for pinhole data. q_star > 0
[75047cf]475        """
[ef9ed58]476        if len(data.x) <= 1 or len(data.y) <= 1 or len(data.x)!= len(data.y):
477            msg =  "Length x and y must be equal"
[cbaa2f4]478            msg += " and greater than 1; got x=%s, y=%s"%(len(data.x),
479                                                          len(data.y))
[ef9ed58]480            raise ValueError, msg
481        else:
[7182d96]482            # Take care of smeared data
483            if self._smeared is None:
484                gx = data.x * data.x
485            # assumes that len(x) == len(dxl).
486            else:               
487                gx = data.dxl * data.x
488               
[ef9ed58]489            n = len(data.x)- 1
490            #compute the first delta q
[3bb37ef]491            dx0 = (data.x[1] - data.x[0])/2
[ef9ed58]492            #compute the last delta q
[3bb37ef]493            dxn = (data.x[n] - data.x[n-1])/2
[ef9ed58]494            sum = 0
[7182d96]495            sum += gx[0] * data.y[0] * dx0
496            sum += gx[n] * data.y[n] * dxn
[ef9ed58]497           
498            if len(data.x) == 2:
499                return sum
500            else:
[cbaa2f4]501                #iterate between for element different
502                #from the first and the last
[ef9ed58]503                for i in xrange(1, n-1):
504                    dxi = (data.x[i+1] - data.x[i-1])/2
[7182d96]505                    sum += gx[i] * data.y[i] * dxi
[ef9ed58]506                return sum
507           
[bdd162f]508    def _get_qstar_uncertainty(self, data):
[75047cf]509        """
[a45622a]510        Compute invariant uncertainty with with pinhole data.
511        This uncertainty is given as follow: ::
512       
513           dq_star = math.sqrt[(x0**2*(dy0)*dx0)**2 +
514                (x1**2 *(dy1)*dx1)**2 + ..+ (xn**2 *(dyn)*dxn)**2 ]
515        where n >= len(data.x)-1
516        dxi = 1/2*(xi+1 - xi) + (xi - xi-1)
517        dx0 = (x1 - x0)/2
518        dxn = (xn - xn-1)/2
519        dyn: error on dy
520       
521        :param data:
522        :note: if data doesn't contain dy assume dy= math.sqrt(data.y)
[bdd162f]523        """         
[ef9ed58]524        if len(data.x) <= 1 or len(data.y) <= 1 or \
[bdd162f]525            len(data.x) != len(data.y) or \
526            (data.dy is not None and (len(data.dy) != len(data.y))):
[ef9ed58]527            msg = "Length of data.x and data.y must be equal"
528            msg += " and greater than 1; got x=%s, y=%s"%(len(data.x),
529                                                         len(data.y))
530            raise ValueError, msg
531        else:
532            #Create error for data without dy error
[bdd162f]533            if data.dy is None:
[ef9ed58]534                dy = math.sqrt(y) 
535            else:
536                dy = data.dy
[7182d96]537            # Take care of smeared data
538            if self._smeared is None:
539                gx = data.x * data.x
540            # assumes that len(x) == len(dxl).
541            else:
542                gx = data.dxl * data.x
543 
[ef9ed58]544            n = len(data.x) - 1
545            #compute the first delta
[3bb37ef]546            dx0 = (data.x[1] - data.x[0])/2
[ef9ed58]547            #compute the last delta
[3bb37ef]548            dxn= (data.x[n] - data.x[n-1])/2
[ef9ed58]549            sum = 0
[7182d96]550            sum += (gx[0] * dy[0] * dx0)**2
551            sum += (gx[n] * dy[n] * dxn)**2
[ef9ed58]552            if len(data.x) == 2:
553                return math.sqrt(sum)
554            else:
[cbaa2f4]555                #iterate between for element different
556                #from the first and the last
[ef9ed58]557                for i in xrange(1, n-1):
558                    dxi = (data.x[i+1] - data.x[i-1])/2
[7182d96]559                    sum += (gx[i] * dy[i] * dxi)**2
[ef9ed58]560                return math.sqrt(sum)
[b6666d4]561       
[aafa962]562    def _get_extrapolated_data(self, model, npts=INTEGRATION_NSTEPS,
563                              q_start=Q_MINIMUM, q_end=Q_MAXIMUM):
564        """
[a45622a]565        :return: extrapolate data create from data
[aafa962]566        """
567        #create new Data1D to compute the invariant
568        q = numpy.linspace(start=q_start,
[bdd162f]569                           stop=q_end,
570                           num=npts,
571                           endpoint=True)
[aafa962]572        iq = model.evaluate_model(q)
[bdd162f]573        diq = model.evaluate_model_errors(q)
[aafa962]574         
[bdd162f]575        result_data = LoaderData1D(x=q, y=iq, dy=diq)
[7182d96]576        if self._smeared != None:
577            result_data.dxl = self._smeared * numpy.ones(len(q))
[aafa962]578        return result_data
[76c1727]579   
[6d55d81]580    def get_data(self):
581        """
[a45622a]582        :return: self._data
[6d55d81]583        """
584        return self._data
585   
[90e5ca1]586    def get_extrapolation_power(self, range='high'):
587        """
[cbaa2f4]588        :return: the fitted power for power law function for a given
589            extrapolation range
[90e5ca1]590        """
591        if range == 'low':
592            return self._low_extrapolation_power_fitted
593        return self._high_extrapolation_power_fitted
594   
[bdd162f]595    def get_qstar_low(self):
[75047cf]596        """
[a45622a]597        Compute the invariant for extrapolated data at low q range.
598       
599        Implementation:
600            data = self._get_extra_data_low()
601            return self._get_qstar()
[b6666d4]602           
[a45622a]603        :return q_star: the invariant for data extrapolated at low q.
[75047cf]604        """
[aafa962]605        # Data boundaries for fitting
[ef9ed58]606        qmin = self._data.x[0]
[437a9f0]607        qmax = self._data.x[self._low_extrapolation_npts - 1]
[aafa962]608       
[2a11d09]609        # Extrapolate the low-Q data
[c4f52e3]610        p, dp = self._fit(model=self._low_extrapolation_function,
611                              qmin=qmin,
612                          qmax=qmax,
613                          power=self._low_extrapolation_power)
614        self._low_extrapolation_power_fitted = p[0]
[bdd162f]615       
616        # Distribution starting point
[2e94cbde]617        self._low_q_limit = Q_MINIMUM
[3bb37ef]618        if Q_MINIMUM >= qmin:
[2e94cbde]619            self._low_q_limit = qmin/10
[82703a1]620       
[cbaa2f4]621        data = self._get_extrapolated_data(\
622                                    model=self._low_extrapolation_function,
623                                            npts=INTEGRATION_NSTEPS,
624                                        q_start=self._low_q_limit, q_end=qmin)
[bdd162f]625       
626        # Systematic error
627        # If we have smearing, the shape of the I(q) distribution at low Q will
[992199e]628        # may not be a Guinier or simple power law. The following is
629        # a conservative estimation for the systematic error.
[cbaa2f4]630        err = qmin*qmin*math.fabs((qmin-self._low_q_limit)*\
631                                  (data.y[0] - data.y[INTEGRATION_NSTEPS-1]))
[bdd162f]632        return self._get_qstar(data), self._get_qstar_uncertainty(data)+err
633       
634    def get_qstar_high(self):
[75047cf]635        """
[a45622a]636        Compute the invariant for extrapolated data at high q range.
637       
638        Implementation:
639            data = self._get_extra_data_high()
640            return self._get_qstar()
[75047cf]641           
[a45622a]642        :return q_star: the invariant for data extrapolated at high q.
[75047cf]643        """
[82703a1]644        # Data boundaries for fitting
[ef9ed58]645        x_len = len(self._data.x) - 1
[82703a1]646        qmin = self._data.x[x_len - (self._high_extrapolation_npts - 1)]
[ef9ed58]647        qmax = self._data.x[x_len]
648       
[59a41066]649        # fit the data with a model to get the appropriate parameters
[c4f52e3]650        p, dp = self._fit(model=self._high_extrapolation_function,
651                          qmin=qmin,
652                          qmax=qmax,
653                          power=self._high_extrapolation_power)
654        self._high_extrapolation_power_fitted = p[0]
[aafa962]655       
[ef9ed58]656        #create new Data1D to compute the invariant
[cbaa2f4]657        data = self._get_extrapolated_data(\
658                                    model=self._high_extrapolation_function,
[bdd162f]659                                           npts=INTEGRATION_NSTEPS,
[2e94cbde]660                                           q_start=qmax, q_end=Q_MAXIMUM)       
[76c1727]661       
[bdd162f]662        return self._get_qstar(data), self._get_qstar_uncertainty(data)
[76c1727]663   
[c75a8ed]664    def get_extra_data_low(self, npts_in=None, q_start=None, npts=20):
[2e94cbde]665        """
[a45622a]666        Returns the extrapolated data used for the loew-Q invariant calculation.
667        By default, the distribution will cover the data points used for the
668        extrapolation. The number of overlap points is a parameter (npts_in).
669        By default, the maximum q-value of the distribution will be 
670        the minimum q-value used when extrapolating for the purpose of the
671        invariant calculation.
672       
[cbaa2f4]673        :param npts_in: number of data points for which
674            the extrapolated data overlap
[a45622a]675        :param q_start: is the minimum value to uses for extrapolated data
676        :param npts: the number of points in the extrapolated distribution
[1702180]677           
[76c1727]678        """
[2e94cbde]679        # Get extrapolation range
680        if q_start is None:
681            q_start = self._low_q_limit
[bdd162f]682           
[2e94cbde]683        if npts_in is None:
[76c1727]684            npts_in = self._low_extrapolation_npts
[2e94cbde]685        q_end = self._data.x[max(0, npts_in-1)]
[76c1727]686       
[2e94cbde]687        if q_start >= q_end:
688            return numpy.zeros(0), numpy.zeros(0)
689
[cbaa2f4]690        return self._get_extrapolated_data(\
691                                    model=self._low_extrapolation_function,
[c75a8ed]692                                           npts=npts,
[2e94cbde]693                                           q_start=q_start, q_end=q_end)
[76c1727]694         
[2e94cbde]695    def get_extra_data_high(self, npts_in=None, q_end=Q_MAXIMUM, npts=20):
696        """
[a45622a]697        Returns the extrapolated data used for the high-Q invariant calculation.
698        By default, the distribution will cover the data points used for the
699        extrapolation. The number of overlap points is a parameter (npts_in).
700        By default, the maximum q-value of the distribution will be Q_MAXIMUM,
701        the maximum q-value used when extrapolating for the purpose of the
702        invariant calculation.
703       
[cbaa2f4]704        :param npts_in: number of data points for which the
705            extrapolated data overlap
[a45622a]706        :param q_end: is the maximum value to uses for extrapolated data
707        :param npts: the number of points in the extrapolated distribution
[76c1727]708        """
[2e94cbde]709        # Get extrapolation range
710        if npts_in is None:
[76c1727]711            npts_in = self._high_extrapolation_npts
[c75a8ed]712        _npts = len(self._data.x)
713        q_start = self._data.x[min(_npts, _npts-npts_in)]
[76c1727]714       
[2e94cbde]715        if q_start >= q_end:
716            return numpy.zeros(0), numpy.zeros(0)
717       
[cbaa2f4]718        return self._get_extrapolated_data(\
719                                model=self._high_extrapolation_function,
[2e94cbde]720                                           npts=npts,
721                                           q_start=q_start, q_end=q_end)
[4e80ae0]722     
723    def set_extrapolation(self, range, npts=4, function=None, power=None):
724        """
[a45622a]725        Set the extrapolation parameters for the high or low Q-range.
726        Note that this does not turn extrapolation on or off.
727       
728        :param range: a keyword set the type of extrapolation . type string
[cbaa2f4]729        :param npts: the numbers of q points of data to consider
730            for extrapolation
731        :param function: a keyword to select the function to use
732            for extrapolation.
[a45622a]733            of type string.
734        :param power: an power to apply power_low function
[4e80ae0]735               
736        """
737        range = range.lower()
738        if range not in ['high', 'low']:
739            raise ValueError, "Extrapolation range should be 'high' or 'low'"
740        function = function.lower()
741        if function not in ['power_law', 'guinier']:
[cbaa2f4]742            msg = "Extrapolation function should be 'guinier' or 'power_law'"
743            raise ValueError, msg
[4e80ae0]744       
745        if range == 'high':
746            if function != 'power_law':
[cbaa2f4]747                msg = "Extrapolation only allows a power law at high Q"
748                raise ValueError, msg
[4e80ae0]749            self._high_extrapolation_npts  = npts
750            self._high_extrapolation_power = power
[90e5ca1]751            self._high_extrapolation_power_fitted = power
[4e80ae0]752        else:
753            if function == 'power_law':
[59a41066]754                self._low_extrapolation_function = PowerLaw()
[4e80ae0]755            else:
[59a41066]756                self._low_extrapolation_function = Guinier()
[4e80ae0]757            self._low_extrapolation_npts  = npts
758            self._low_extrapolation_power = power
[90e5ca1]759            self._low_extrapolation_power_fitted = power
[4e80ae0]760       
761    def get_qstar(self, extrapolation=None):
762        """
[a45622a]763        Compute the invariant of the local copy of data.
764       
765        :param extrapolation: string to apply optional extrapolation
[4e80ae0]766           
[a45622a]767        :return q_star: invariant of the data within data's q range
768       
[cbaa2f4]769        :warning: When using setting data to Data1D ,
770            the user is responsible of
771            checking that the scale and the background are
772            properly apply to the data
[a45622a]773       
[4e80ae0]774        """
[bdd162f]775        self._qstar = self._get_qstar(self._data)
776        self._qstar_err = self._get_qstar_uncertainty(self._data)
[4e80ae0]777       
778        if extrapolation is None:
779            return self._qstar
[bdd162f]780       
781        # Compute invariant plus invariant of extrapolated data
[4e80ae0]782        extrapolation = extrapolation.lower()   
783        if extrapolation == "low":
[bdd162f]784            qs_low, dqs_low = self.get_qstar_low()
785            qs_hi, dqs_hi   = 0, 0
786           
[4e80ae0]787        elif extrapolation == "high":
[bdd162f]788            qs_low, dqs_low = 0, 0
789            qs_hi, dqs_hi   = self.get_qstar_high()
790           
[4e80ae0]791        elif extrapolation == "both":
[bdd162f]792            qs_low, dqs_low = self.get_qstar_low()
793            qs_hi, dqs_hi   = self.get_qstar_high()
794           
795        self._qstar     += qs_low + qs_hi
796        self._qstar_err = math.sqrt(self._qstar_err*self._qstar_err \
797                                    + dqs_low*dqs_low + dqs_hi*dqs_hi)
798       
799        return self._qstar
[4e80ae0]800       
[bdd162f]801    def get_surface(self, contrast, porod_const, extrapolation=None):
[4e80ae0]802        """
[a45622a]803        Compute the specific surface from the data.
804       
805        Implementation::
806       
807          V =  self.get_volume_fraction(contrast, extrapolation)
808   
809          Compute the surface given by:
810            surface = (2*pi *V(1- V)*porod_const)/ q_star
811           
812        :param contrast: contrast value to compute the volume
813        :param porod_const: Porod constant to compute the surface
814        :param extrapolation: string to apply optional extrapolation
[4e80ae0]815       
[a45622a]816        :return: specific surface
[4e80ae0]817        """
818        # Compute the volume
[bdd162f]819        volume = self.get_volume_fraction(contrast, extrapolation)
[cbaa2f4]820        return 2 * math.pi * volume *(1 - volume) * \
821            float(porod_const)/self._qstar
[4e80ae0]822       
[bdd162f]823    def get_volume_fraction(self, contrast, extrapolation=None):
[4e80ae0]824        """
[a45622a]825        Compute volume fraction is deduced as follow: ::
826       
[4e80ae0]827            q_star = 2*(pi*contrast)**2* volume( 1- volume)
828            for k = 10^(-8)*q_star/(2*(pi*|contrast|)**2)
829            we get 2 values of volume:
830                 with   1 - 4 * k >= 0
831                 volume1 = (1- sqrt(1- 4*k))/2
832                 volume2 = (1+ sqrt(1- 4*k))/2
833           
834            q_star: the invariant value included extrapolation is applied
835                         unit  1/A^(3)*1/cm
836                    q_star = self.get_qstar()
837                   
[bdd162f]838            the result returned will be 0 <= volume <= 1
[a45622a]839       
840        :param contrast: contrast value provides by the user of type float.
841                 contrast unit is 1/A^(2)= 10^(16)cm^(2)
842        :param extrapolation: string to apply optional extrapolation
843       
844        :return: volume fraction
845       
846        :note: volume fraction must have no unit
[4e80ae0]847        """
[bdd162f]848        if contrast <= 0:
849            raise ValueError, "The contrast parameter must be greater than zero" 
[4e80ae0]850       
[bdd162f]851        # Make sure Q star is up to date
852        self.get_qstar(extrapolation)
[4e80ae0]853       
[bdd162f]854        if self._qstar <= 0:
[cbaa2f4]855            msg = "Invalid invariant: Invariant Q* must be greater than zero"
856            raise RuntimeError, msg
[4e80ae0]857       
858        # Compute intermediate constant
859        k =  1.e-8 * self._qstar/(2 * (math.pi * math.fabs(float(contrast)))**2)
[bdd162f]860        # Check discriminant value
[4e80ae0]861        discrim = 1 - 4 * k
862       
863        # Compute volume fraction
864        if discrim < 0:
[cbaa2f4]865            msg = "Could not compute the volume fraction: negative discriminant"
866            raise RuntimeError, msg
[4e80ae0]867        elif discrim == 0:
868            return 1/2
869        else:
870            volume1 = 0.5 * (1 - math.sqrt(discrim))
871            volume2 = 0.5 * (1 + math.sqrt(discrim))
872           
873            if 0 <= volume1 and volume1 <= 1:
874                return volume1
875            elif 0 <= volume2 and volume2 <= 1: 
876                return volume2
[cbaa2f4]877            msg = "Could not compute the volume fraction: inconsistent results"
878            raise RuntimeError, msg
[ef9ed58]879   
880    def get_qstar_with_error(self, extrapolation=None):
[75047cf]881        """
[a45622a]882        Compute the invariant uncertainty.
883        This uncertainty computation depends on whether or not the data is
884        smeared.
885       
886        :param extrapolation: string to apply optional extrapolation
887       
888        :return: invariant, the invariant uncertainty
[bdd162f]889        """   
890        self.get_qstar(extrapolation)
[ef9ed58]891        return self._qstar, self._qstar_err
892   
[bdd162f]893    def get_volume_fraction_with_error(self, contrast, extrapolation=None):
[75047cf]894        """
[a45622a]895        Compute uncertainty on volume value as well as the volume fraction
896        This uncertainty is given by the following equation: ::
897       
[75047cf]898            dV = 0.5 * (4*k* dq_star) /(2* math.sqrt(1-k* q_star))
899                                 
[437a9f0]900            for k = 10^(-8)*q_star/(2*(pi*|contrast|)**2)
[2cce133]901           
[75047cf]902            q_star: the invariant value including extrapolated value if existing
903            dq_star: the invariant uncertainty
904            dV: the volume uncertainty
[a45622a]905       
906        The uncertainty will be set to -1 if it can't be computed.
907       
908        :param contrast: contrast value
909        :param extrapolation: string to apply optional extrapolation
910       
911        :return: V, dV = volume fraction, error on volume fraction
[75047cf]912        """
[bdd162f]913        volume = self.get_volume_fraction(contrast, extrapolation)
[75047cf]914       
[bdd162f]915        # Compute error
[437a9f0]916        k =  1.e-8 * self._qstar /(2 * (math.pi* math.fabs(float(contrast)))**2)
[bdd162f]917        # Check value inside the sqrt function
[ef9ed58]918        value = 1 - k * self._qstar
[bad9ae2]919        if (value) <= 0:
[bdd162f]920            uncertainty = -1
[ef9ed58]921        # Compute uncertainty
[cbaa2f4]922        uncertainty = math.fabs((0.5 * 4 * k * \
923                        self._qstar_err)/(2 * math.sqrt(1 - k * self._qstar)))
[ef9ed58]924       
[bdd162f]925        return volume, uncertainty
[ef9ed58]926   
[bdd162f]927    def get_surface_with_error(self, contrast, porod_const, extrapolation=None):
[75047cf]928        """
[a45622a]929        Compute uncertainty of the surface value as well as the surface value.
930        The uncertainty is given as follow: ::
931       
[75047cf]932            dS = porod_const *2*pi[( dV -2*V*dV)/q_star
933                 + dq_star(v-v**2)
934                 
[bdd162f]935            q_star: the invariant value
[75047cf]936            dq_star: the invariant uncertainty
937            V: the volume fraction value
938            dV: the volume uncertainty
[a45622a]939       
940        :param contrast: contrast value
941        :param porod_const: porod constant value
942        :param extrapolation: string to apply optional extrapolation
943       
944        :return S, dS: the surface, with its uncertainty
[75047cf]945        """
[bdd162f]946        # We get the volume fraction, with error
947        #   get_volume_fraction_with_error calls get_volume_fraction
948        #   get_volume_fraction calls get_qstar
949        #   which computes Qstar and dQstar
950        v, dv = self.get_volume_fraction_with_error(contrast, extrapolation)
951
[c75a8ed]952        s = self.get_surface(contrast=contrast, porod_const=porod_const, 
953                             extrapolation=extrapolation)
[ef9ed58]954        ds = porod_const * 2 * math.pi * (( dv - 2 * v * dv)/ self._qstar\
955                 + self._qstar_err * ( v - v**2))
[bdd162f]956
[ef9ed58]957        return s, ds
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.