用于雷达天文研究的高速基带数据记录系统

为了开展雷达天文科学研究, 将射电望远镜接收的雷达回波信号进行采集和记录, 研究基于SNAP (Smart Network ADC (Analog to Digital Converter) Processor)硬件实验板和快速存储服务器设计并开发了雷达天文基带数据采集与记录系统. 该系统采用CASPER (Collaboration for Astronomy Signal Processing and Electronics Research)提供的图形化FPGA (Field Programmable Gate Array)开发工具流, 设计了双通道、256MHz带宽信号采集和VDIF (VLBI (Very Long Baseline Interferometry) Data Interchange Format)基带数据输出固件程序; 基于HASHPIPE (High Availability SHared PIPeline Engine)多线程管理引擎开发了双万兆以太网口实时基带数据存储程序, 存储带宽达到1GB/s; 最后编写了VDIF格式到雷达天文格式的转换程序. 经过脉冲星信号观测实验检测, 该系统准确、可靠.     

基于多相滤波的多通道数字终端设计

数字终端技术在射电天文数据处理方面已成为主流,在国内外都有广泛的应用。回顾了滤波的基本原理,多相滤波技术在多通道滤波中的应用,探讨了对通道带通性能的优化方法。使用美国UC Berkeley CASPER团组研发的终端开发平台实现了一个观测带宽为400 MHz,通道数16 k,频谱分辨率约为25 k Hz的数字终端,并进行了扫频测试。在设计中,模拟信号首先通过模拟数字转换器转换成数字信号,利用多相滤波器组算法实现多通道输出,并对每个通道内的数据进行取平方运算并累加得到功率谱。累加后的数据可通过10 GbE传输到其他设备存储或继续处理。该终端可在FAST河外中性氢频谱巡天观测中使用。     

基于ROACH的Zoom-PFB设计与实现

简述了基于ROACH和Xilinx System Generator平台的接收机数字后端系统的设计与实现。介绍了Zoom-PFB算法原理,讨论了该算法的核心部分低通滤波和抽取的现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)实现。针对谱线观测局部高精度分辨率的需要,给出了将400 MHz带宽分为带宽25 MHz的16个通道,对其中任一通道做通道数为6 k、频率分辨率为4 k Hz的频谱细化系统的具体设计方案。在实验室条件下,对该数字后端的性能进行了分析和测试,并以4.5 m口径X/Y结构天线进行银道面中性氢谱线观测检验其应用效果,验证了方案的可行性。     

基于ROACH2的数字终端实验平台搭建

面向天文信号实时处理的需求,搭建了基于ROACH2的射电天文数字终端实验平台。利用MATLAB, Xilinx等开发环境进行仿真,取得了原始实验数据;利用CASPER硬件平台实现了信号控制和预处理,并通过高速以太网将数据包传输至计算服务器进行后处理。搭建的实验平台实现了仿真、编译、运行的完整流程,为天文信号实时处理研究提供了良好的实验环境。     

基于容器的脉冲星数据处理软件部署与测试

随着天文观测技术的飞速发展,天文数据处理软件日趋复杂,天文数据处理环境的部署与管理日渐繁琐。利用容器技术将脉冲星数据处理环境封装成容器镜像并建立私有镜像库,科研人员可以根据数据处理需求选择镜像,实现数据处理环境的快速部署。利用实体计算机、虚拟机和容器中对脉冲星基带数据进行相干消色散处理,对比不同平台的资源利用率与数据处理效率。实验结果表明,容器的性能与实体计算机相近;在多任务并发的数据处理测试中,容器的资源分配更加合理,相较虚拟机可以提高计算资源利用效率。在新疆天文台脉冲星数据处理服务器上实现了基于容器的数据处理架构部署,设计并开发了容器管理图形用户界面,通过优化多用户登录、身份验证、数据卷挂载管理等功能,提高利用容器技术进行天文数据处理的效率。     

脉冲星B0329+54的S/X双频CVN观测

利用CVN(Chinese VLBI Network)对脉冲星B0329+54进行了首次S/X双频观测,观测采用相位参考模式,频段为S/X双频16通道观测,数据采集终端是CDAS(Chinese Data Acquirement System),单通道带宽16 MHz.使用上海VLBI(very long baseline interferometry)中心的Di FX(Distributed FX)相关处理机对数据进行相关处理.利用Di FX特有的Pulsar Binning模式,以提高数据信噪比.对观测数据处理后得到了S/X两波段的高分辨率图像和位置信息,与前人VLBI结果对比显示观测结果较为符合.     

应用于射电天文的高效实时管道数据流传输与处理技术

针对超宽带及多波束接收系统海量天文信号实时高效传输与处理问题,对基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)+图形处理器(Graphics Processing Unit, GPU)的主流终端设备软件系统进行了测试分析。超宽带接收设备要求终端系统软件能够在更宽带宽、更高时间分辨率和频率分辨率的条件下,实现数据流实时传输与处理。结合大口径射电观测设备未来发展的方向,提出了利用高速并行环形缓冲区实现数据流缓存,基于图形处理器集群实现数据流实时处理,基于BeeGFS实现分布式并行数据存储,模块化构建射电天文信号传输管道软件的设计思路。     

基于ROACH2的脉冲星终端研制进展

脉冲星观测研究一直是新疆天文台的主要研究方向,未来建设的新疆110 m口径全可动射电望远镜(简称QTT)也将其作为主要研究方向之一。南山25 m射电望远镜当前使用的脉冲星单脉冲观测终端AFB已使用近20年,系统老化严重,为升级现有单脉冲观测系统,也为QTT的终端设计做预研,基于ROACH2研制了一套脉冲星观测系统。该系统采用氢钟与GPS时间同步以提供秒起始信号,对采样时钟计数并打入数据帧以获取精准时间间隔,两者合成即可获得精确时间信息;采用共享内存缓冲区,使数据在多进程间共享实现并行实时处理。该系统可用于脉冲星单脉冲或到达时间观测,也可用于脉冲星、RRAT或FRB等搜寻。已在南山进行单脉冲、长时间折叠、FRB实时搜寻等观测试验,试验数据表明该终端准确、稳定、可靠,已达到投入观测使用的要求。     

米波动态频谱仪快速数据采集系统及程序设计

介绍利用AST386 SX/20微型计算机、快速数据采集卡和光电二极管阵构成的512通道快速数据采集系统,以及对太阳米波爆发频谱进行观测和处理程序的设计及程序流程图。     

四通道可拓展射电数字接收机系统

针对目前射电观测设备对数字接收机高采样率、宽带宽、多通道幅相一致,以及高速率直接采样和时域数据存储的需求,通过调研分析多个射电观测设备的数字处理系统的技术架构和功能,提出了基于ZYNQ SOC和ADS54J60等核心器件实现的4通道数字接收机系统方案。单通道最高可实现1 GSPS采样率,具有灵活可拓展的优势,可以通过添加板卡实现采样通道数的增加,能够满足未来大规模可拓展射电干涉阵列的需求。系统由高速数据采集卡、光通信接收卡、服务器3部分设备组成,基于SerDes的高速串行接口技术目前实现16位量化精度、300 MSPS的直接采样功能,具备60 dB满量程信噪比、40 Gbps的SFP+数据传输带宽、1.5 GB/s的PCIe通信带宽,可对4.5～150 MHz范围内中频模拟信号进行采集,目前该系统已经完成软硬件设计和测试。在测试中对频率为10 MHz、幅度为125 mV的正弦波信号进行采样,得到4通道间幅度差小于1 mV,相位延时小于3.3 ns。系统集成可编程SFP+通信接口和多机同步机制,可适应多元阵列同步采集的需要,可同时对原始射电信号的数据进行存储,为射电研究提供更详细的时域数...     

基于OpenStack的天文台站计算节点自动管理研究

天文数据处理是天文研究的一个重要环节。随着新一代望远镜功能与观测能力的快速发展,在观测地点构建高性能实时计算平台,快速完成数据的分析与处理是一种趋势。针对明安图射电频谱日像仪和明安图观测站实时数据处理系统的建设要求,系统研究了基于OpenStack的本地云实现方法与系统自动管理模式,提出了动态进行计算节点启停的方法,并进行了实际测试。实验表明,该模式完全可以满足天文数据处理的需求,并且比传统的静态分配计算资源的数据处理方法更高效,可以有效地节省能源开销,降低观测成本,对未来天文台站高性能计算平台的建设有一定的参考价值。     

一种基于微信小程序在RTS2的控制框架扩展

望远镜自主控制是现代天文观测技术的重要组成部分,在当前主流的自主控制系统中,开源的远程望远镜控制系统第2版具备模块化和即插即用的设计理念,且具有快速响应能力和稳定工作的特点,被广泛应用于天文望远镜自主控制系统。由于远程望远镜控制系统第2版基于Linux平台,主要基于命令行界面(Command-Line Interface,CLI)进行远程访问控制,所以对观测人员的要求比较高。深入分析远程望远镜控制系统第2版,对JS对象标记应用程序编程接口(Java Script Object Notation Application Programming Interface,JSONAPI)进行适度改造,以JS对象标记(Java Script Object Notation,JSON)为数据传输格式,以移动终端的微信应用作为载体,跨越不同平台对天文望远镜控制系统进行数据访问和功能调用。利用微信小程序,将控制系统移植到微信小程序中,使天文技术研究人员能够方便快捷地利用移动终端在微信平台上远程控制天文望远镜和实时监控天文望远镜自主控制系统的状态。采用该模式,可扩展到天文公共对象模型(Astronomy Common Object Model,ASCOM)等其他自主控制架构,从而实现一个通用的基于微信小程序的移动终端远程控制系统。     

lbb-用于射电天文VLBI基带数据读写的库

Library for Baseband (lbb)是一个自研的用于读取解析甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)基带数据的工具库,主要用于VLBI观测中对终端基带数据的读取、解析及输出结果分析.该软件库通过对基带数据的自动判断,自动实现读取不同数据格式的功能,并提供了各种各样的API (Application Programming Interface)功能供用户调用.目前lbb软件库已经成功应用在了探月工程VLBI测轨任务中的硬件相关处理机配置项和测地VLBI观测数据的预处理.文章详细介绍了lbb软件库的设计、功能及用法.     

Mark5B格式器及10G网络传输系统在VLBI中的应用

由于遥远的天体发出的无线电信号极其微弱,信噪比极低,VLBI系统要想得到较高的测量精度,必须尽量加大测量带宽和提高采样位数,但是这样会导致VLBI终端(比如数字基带转换器)产生的观测数据激增。传统的VLBI终端数据传输系统采用VSI接口,数据最高传输速率限制在2 Gbps,且数据记录设备必须采用定制的Mark5B设备,极其不灵活,因此已经不能适应现在VLBI系统的观测需求。为了提高数据传输速率,增加数据记录设备的灵活性,上海天文台新研制的基于多相滤波器组和快速傅里叶变换方式的数字基带转换器的数据传输系统采用了高速灵活的10 G网络接口。10 G网络系统中数据传输采用报文交换方式,因此数据到达接收端的时间不是精确可靠的,这要求数据在进入10 G网络接口之前必须已经具有标准的VLBI数据格式,所以在10 G网络前端设计了Mark5B格式器。详细介绍了基于现场可编程门阵列的Mark5B格式器及10 G网络传输系统的设计原理,并在文章的最后通过三组实验验证了其功能的正确性和性能的稳定性。     

新疆天文台南山站DBBC2数字终端系统的建立

随着计算机数字技术的高速发展,甚长基线干涉仪测量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)所需的关键观测终端设备基带转换器(Base Band Converter,BBC)已从模拟系统(Analog BBC,ABBC)发展为数字系统(Digital BBC,DBBC)。相对于模拟系统,数字系统具有很高的灵活性,并能成倍提高VLBI观测带宽,进而能满足各种高灵敏度的观测需求。考虑到这些技术优势,以及新疆天文台南山站在国内和国际VLBI网中的重要作用,南山站2016年对VLBI终端系统进行了升级,引进了一套意大利Hat-Lab公司研发的DBBC2终端。介绍了DBBC2系统的主要构成模块和工作原理以及系统的组装、连接、配置、校准和调试方法。在对系统硬件和软件进行全面的检测和测试后,与国内和国际的主要台站开展了联合观测,并多次成功获得相关干涉条纹。这一系列的成功观测表明,南山DBBC2系统已成功安装,并具有很高的可靠性。应用新的DBBC2系统,南山站可参与2/4 Gbps的记录速率的宽带VLBI观测,极其有助于天文学家对宇宙中更暗弱的射电源开展毫角秒分辨率的成图观测。     

基于JDBC的通用数据库访问和星表录入工具

LAMOST(Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope)的巡天战略系统的主要功能是安排观测计划,而规划巡天星表是开展所有工作的初始步骤。天文研究人员或者巡天观测人员需要从各种类型的数据库进行选星、提取和录入。使用JDBC(JavaDatabase Connectivity)数据库访问技术,利用面向对象的编程思想,实现了一个能访问多种类型数据库、获取星表数据、数据格式转换和星表录入的工具,支持大数据量处理,为天文研究人员以及巡天观测管理人员提供帮助。     

丽江站台址信息监测系统

台址信息监测系统是现代天文观测台站必备的辅助系统之一,在开展天文实测过程中发挥着重要的作用。首先介绍了丽江天文观测站的基本概况,目前己经投入运行的天文望远镜设备,以及丽江2.4 m通用光学望远镜上配备的科学终端仪器。随后论述了国内外优秀天文观测台站己配备的台址信息监测设备,重点阐述了丽江天文观测站建立的台址信息监测系统。分析了丽江站一个年度的气象数据、云量数据、可观测小时数、可观测夜数和天光背景数据,以及近几年测量的大气视宁度数据,得出丽江站全年的光学天文观测条件的基本特征。根据实际观测情况,将丽江2.4 m望远镜全年的观测时间段分为三个等级,为国内天文学家申请使用并开展科学观测提供参考。     

丽江2.4米望远镜双视场终端的控制与图像采集

为充分利用丽江2.4 m望远镜有限的卡焦接口,提高观测效率,研制了一个双视场天文观测终端,在2.4 m望远镜上实现不同视场和图像比例尺等参数进行快速测光和高分辨成像等天文观测,以满足不同的观测需求。针对该终端对滤光片轮精度和大视场光路与小视场光路切换的精度要求,以及对电子倍增电荷耦合器件(Electron-Multiplying Charge-Coupled Device, EMCCD)相机图像采集的速度要求,采用三层电机闭环控制以及多线程并发执行等技术,实现了该终端中滤光片轮、大视场光路与小视场光路切换的精确控制,以及EMCCD相机图像的快速采集与存储。最后在实验室进行了详细测试,结果表明,所设计的控制与图像采集系统能满足各项性能指标的要求。     

基于Python的SKA-RASCIL中的天线增益校准实现

天线增益校准是射电天文观测数据处理过程中的一个关键步骤。分析了经典的天线增益校准算法Antsol的基本原理,并基于Python对Antsol算法进行了高性能实现,所完成的程序代码已经集成到平方公里阵列(Square Kilometre Array,SKA)的射电天文模拟校准成像软件(Radio Astronomy Simulation,Calibration and Imaging Library,RASCIL)中,不仅为当前平方公里阵列数据处理提供了支撑,也为未来数据处理的性能优化提供算法参考。     

基于USB2.0总线数据侦听的实时幸运成像系统

为进一步提高现有实时幸运成像系统的实时性,针对第二代通用串行总线(Universal Serial Bus 2.0, USB2.0)接口的电子倍增电荷耦合(Electron Multiplying Charge-Coupled Devices, EMCCD)相机进行幸运成像观测的情况,提出了一个基于USB2.0总线数据侦听的实时幸运成像技术方案,进行了侦听电路的硬件设计和数字逻辑设计,搭建了一个具有实时侦听、传输、处理、动态更新和显示的幸运成像系统。当相机拍摄天文图像并与个人计算机(Personal Computer, PC)进行数据交互时,系统的USB2.0总线数据侦听子系统就会对交互的USB2.0总线实现无侵入式侦听,并且加以分析处理后,只将有效的天文图像数据发送给底层现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)开发板中的幸运成像子系统,然后幸运成像子系统对接收的数据进行预处理、动态选图、实时配准和叠加处理,最后采用9个实时分割阈值水平切割高分辨率图像并对二值图像进行动态更新和显示。实验结果表明,所实现的系统能够对在USB2.0总线上连续传输的10 000帧512×512像素的图像进行实时侦听、幸运成像和动态更新显示,实现了幸运成像技术的实时化。