基于零拷贝的脉冲星GPU相干消色散算法

射电脉冲信号在传输过程中受到星际介质的影响,脉冲轮廓展宽变形,在研究过程中需要对信号进行消色散处理。设计并实现了基于零拷贝的脉冲星数据图形处理器(Graphic Processing Unit, GPU)相干消色散算法,采用设备内存映射以消除主机到设备的拷贝开销,利用统一计算设备架构(Compute Unified Device Architecture, CUDA)的cuFFT库进行多批次傅里叶变换以提高离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform, DFT)的效率,同时采用多线程实现了传递函数的加速计算。实验结果表明,与传统中央处理器及图形处理器算法相比,本文的算法在数据量大时表现良好。     

脉冲星信号相干消色散与非相干消色散的比较研究

脉冲星信号在星际空间传播的过程中,由于星际介质的存在造成观测到的脉冲星信号发生色散,因此需要对接收的脉冲星信号进行消色散,以获得原始的脉冲星信号。目前,消色散方法主要分为两种:相干消色散和非相干消色散。相对来说相干消色散效果彻底,算法较简单,而且能保留原始数据的时间分辨率,不过计算量较大,但是现在快速进步的计算机技术已经使计算量的问题得到很好的解决。为了精确了解两种消色散方法的区别,利用相关系数的方法定量地比较了相干消色散、非相干消色散两种方法的效果:在一定的频率值之下,前者得到消色散效果优于后者。同时确定两种消色散方法在效果相同时的观测频率。     

一种基于短时傅立叶变换的脉冲星消色散算法

叙述了一种基于短时傅立叶变换的脉冲星消色散算法。首先介绍了脉冲星的色散形成原因以及几种当今流行的消色散算法。接着介绍了短时傅立叶变换,并在此基础上提出了一种基于短时傅立叶变换的消色散算法。然后详细讲述了这种消色散算法的具体实现步骤,并且比较了在选取不同长度的时间窗函数的情况下,消色散的处理过程和残余色散量。最后,通过将这种算法的计算量以及结果和其他几种算法做横向比较,得出了结论:这种消色散算法的计算量小,实现简单,可以有效的进行消色散处理。     

基于Mark5B＋GPU脉冲星观测系统

云南天文台40m射电望远镜进行的脉冲星观测数据量巨大,必须实现数据的实时处理,否则将会产生海量的数据积压.为实现这一目标,采用图形处理器架构,对Mark5B数据进行解码、消色散、折叠等处理.实验结果表明,对以1s8MB的实时采样,可以在0.51s内处理完成,从而实现了实时处理的要求.首先介绍这一观测系统各部分的图形处理器实现,然后相对于传统中央处理器构架,对各部分的运算速度进行了详细的对比.针对时间开销最大的消色散部分,分析了单次傅里叶变换的数据量大小对执行效率的影响.从系统最终的输出轮廓和柱状图上可以看到实时处理的结果符合要求.最后对存在的问题和未来的工作进行了讨论.     

乌鲁木齐天文站建立脉冲星相干消色散观测系统

脉冲星发射的辐射信号经过星际介质到达观测天线的过程中,存在色散效应。该效应导致有一定带宽脉冲信号的不同频率成份到达天线时间有延迟,影响对脉冲星的观测。消色散技术是脉冲星观测的关键技术,它对脉冲星观测系统的灵敏度和观测精度至关重要。脉冲星相干消色散过程是:通过对观测信号进行Nyquist采样,对采样数据做傅立叶变换,变换后的频域信号与星际介质Chirp函数乘积,然后再做逆傅立叶变换回时域,得到消色散后的时域信号。乌鲁木齐天文站依托现有的南山25m射电望远镜和VLBI记录终端MK5A系统,自行开发的相干消色散处理软件(Linux操作系统下C语言调用MPI库)和4节点机群系统,建立了脉冲星相干消色散观测系统。     

新疆天文台Taurus高性能计算系统

新疆天文台Taurus高性能计算系统由1个登陆节点、16个计算节点、2个I/O节点、100 TB高速存储组成。其中央处理器理论双精浮点计算能力6.758 4 Tflops,通过Linpack测试实际峰值为6.289 Tflops,可提供计算能力为理论值的93.06%;图形处理器理论计算能力18.72 Tflops,实际测试计算峰值为14.882 Tflops,计算效率为理论值的79.5%。系统计算与存储节点均采用56 Gb Infiniband交换互连,通过IOZone测试存储系统,单节点写速度可达460 MB/s,多节点写速度可达800 MB/s。系统已在多相滤波及消干扰图形处理器算法加速、蒙特卡罗模拟等领域得到了应用。     

基于多进程并行加速的太阳高分辨图像重建方法

目前,太阳高分辨图像重建往往采用斑点干涉术和斑点掩模法重建目标的模和相位,由于分组分块数据量大,算法复杂等因素,难以满足实时重建的需求。为了缓解数据处理的压力,在现有的单组分块数据中央处理器/图形处理器混合计算方法的基础上,提出通过多进程将多组分块数据分配到图形处理器上同时并行处理的方法。实验结果表明,基于多进程并行加速方法可提高中央处理器和图形处理器的资源利用率,图形处理器能同时处理多组分块数据,显著提高图像分块处理的速度,加速比达到4.7左右。相关研究可以为天文数据并行化处理提供借鉴参考。     

基于CUDA的射电天文多相滤波器组设计

采用图形处理器和最新的通用并行计算架构设计了射电天文多相滤波器组,并对其性能指标进行了测试和分析。利用图形处理器强大的浮点数计算和高效并行执行能力实现了多相滤波器、快速傅里叶变换算法加速,改善了多相滤波器组算法的执行效率。实验结果表明,设计的多相滤波器组具有一定的灵活性和可扩展性,能够实现射电信号的高速滤波及信道化,可有效提高射电望远镜数字终端算法的并行数据处理能力和计算效率。     

脉冲星信号VLBI软件相关处理方法研究

脉冲星自发现以来一直是天文学家们关注的对象,甚长基线干涉测量(very long baseline interferometer,VLBI)更是以极高的角分辨率和灵敏度成为脉冲星研究的重要手段。为了使上海天文台现有的中国VLBI网(Chinese VLBI network,CVN)软件处理机能够处理脉冲星信号,讨论了用频率通道间时延补偿的方法实现非相干消色散,并通过加入矩形脉冲门同步信号,提取有效脉冲,提高了信噪比。然后改进现有CVN处理机结构,实现脉冲星信号的相关处理。最后,对脉冲位置搜索和脉冲星数据分箱(pulsar binning)技术做了初步分析与探索。VLBI数据处理结果表明此方法正确可行,能够消除色散,并获得脉冲星信号的相关处理条纹。     

基于ROACH2-GPU的集群相关器研究——X-engine模块的设计与实现

随着射电干涉技术的不断提升,干涉阵列规模越来越大,观测能力逐渐增强,但随之而来的是超大数据的实时处理问题。针对该问题,结合射电干涉仪相关器在数据运算和传输等方面的需求以及射电干涉阵列信号的特征,研制了一套基于图形处理器集群的通用相关器并用于"天籁计划"的数据处理:首先根据射电信号的关联计算特性,按频段将计算任务分配到不同图形处理器节点,并合理均衡各节点网络负载;然后由不同图形处理器节点独立完成各自的计算任务并将计算结果实时送往存储节点;最后按图形处理器集群通用相关器的设计方案成功安装部署系统并根据"天籁计划"一期的需求进行了性能测试。该图形处理器集群相关器计算性能约为理论峰值性能的46%;相对于传统方案的相关器,基于图形处理器集群的相关器具有开发周期短、可扩展性强、部署简单等优势。     

Hα全日面云污染实时识别和修复系统

高空云层导致所观测的Hα全日面像上覆盖有一层云污染,使得图像上的太阳活动细节变得模糊不清。为了能够实时探测云污染,并及时显示修复后的图像,采用图形处理器技术实现了一个Hα全日面云污染实时识别和修复系统。该系统主要在统一计算设备架构(Compute Unified Device Architecture,CUDA)环境下利用图形处理器并行实现:(1)二值化图像椭圆长短轴比值法识别重度云污染图像;(2)临边昏暗曲线中心对称法识别可修复云污染图像;(3)频域巴特沃斯低通滤波法去除云污染。通过对系统中各运算在图形处理器中花费的时间进行详细测量,发现傅里叶正反变换和频域滤波占用了图形处理器总处理时间的52.9%,是系统中最耗时的。然而,相对于1 min的观测时间间隔,约0.7 s的总处理时间可以满足实时显示的需要。另外,通过对修复后的图像做质量评价,验证了所采用的修复算法可以有效地去除云污染,并对太阳活动细节影响较小。最后讨论了系统存在的不足和需要进行的改进。     

上海天文台25 m射电望远镜首次单天线脉冲星观测

介绍上海天文台25 m射电望远镜首次单天线脉冲星观测。2010年4月23日,使用上海天文台位于佘山观测基地的25 m射电望远镜对脉冲星J0332+5434在L波段进行了观测,此次观测使用VLBI终端进行数据采集记录,通过对观测数据进行非相干消色散和周期折叠,成功获得目标源的平均轮廓。此次观测的成功,表明该天线具备开展单天线脉冲星观测的条件,并为上海天文台建设中的65 m天线的天文观测提供了参考,为将来自主研发脉冲星终端进行了技术储备。     

脉冲星VLBI观测软件相关处理进展

VLBI是进行高分辨率脉冲星观测研究的重要手段.脉冲星信号是非常微弱的脉冲序列,其VLBI观测面临多种挑战.在数据相关过程中采用有效技术提取脉冲星信号可提高观测成功率和精度.DiFX(Distributed FX-style Software Correlator)是目前国际上流行的开源软件相关处理机,它采用非相干消色散技术和“脉冲星数据分箱技术”(Pulsar Binning),在脉冲星VLBI观测数据的相关处理方面具有优异的性能.介绍了DiFX的构架,安装、调试方法,并对利用DiFX处理脉冲星VLBI观测数据的进展情况进行论述.利用单机环境下的DiFX,在普通模式和Pulsar Binning模式下对中国VLBI网(CVN)第一次脉冲星观测数据进行相关处理;利用德国马普射电天文研究所集群计算环境下的Bonn-DiFX,在Pulsar Binning模式下对流量仅有2.6 mJy的毫秒脉冲星PSRJ1022+1001的欧洲VLBI网(EVN)观测数据成功进行相关处理.最后,对使用DiFX处理脉冲星观测数据情况进行总结,并展望了今后CVN开展脉冲星观测研究的前景.     

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。     

相干消色散脉冲星观测系统的研究

云南天文台射电天文研究团组利用从美国伯克利大学CASPER天文信号与电子学研究中心购买的现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)接收机平台ROACH2,实现了512 MHz输入带宽,512 MHz带宽分为128通道输出(每个通道4 M带宽),8比特采样和双极化输入(1 024 MHz)的基带数据采集终端。海量数据传输方式通过SFP+万兆网口实现,利用编写的脚本文件调用DSPSR程序包实现数据的解码、相干消色散、偏振计算和折叠等处理。数据处理结果以PSRFITS格式存储。构建以ROACH2为基带数据采集终端和DSPSR为数据处理核心的脉冲星观测系统,相比于以VLBI观测终端为基础构建的观测系统,在观测模式、数据处理方法、运算效率和观测数据的通用性等方面具有更好的优越性。     

基于GPU的HOTPANTS并行优化

HOTPANTS是天文领域的重要工具,它主要是天文图像相减技术的具体实现,在凌日行星观测、引力透镜观测、寻找超新星以及发现天文现象的数据处理中发挥着重要作用。现阶段HOTPANTS经常被用在天文实时观测数据处理的流水线上,但是HOTPANTS在处理大规模的天文图像(7 K×7 K-10 K×10 K)时十分耗时。在分析HOTPANTS的性能瓶颈之后,提出并实现了基于图形处理器(Graphic Processing Unit,GPU)的HOTPANTS的并行优化方法。优化的HOTPANTS在处理大规模图像时,整体性能提升了2~3.5倍,卷积部分计算效率提升了6~13倍,并且通过图形处理器优化之后HOTPANTS的误差在天文领域是可以接受的。     

一种基于多尺度带通滤波的洁化算法与GPU实现

中国新一代射电频谱日像仪——明安图射电频谱日像仪以高时间、高空间、高频率分辨率工作在0.4 GHz~15 GHz,为太阳爆发活动初始能量释放区的物理过程、太阳电子加速等研究开辟了新的窗口。高性能、高质量太阳成像算法是日像仪数据处理流水线至关重要的研究内容。参考法国墨东天文台太阳干涉阵的数据处理方法,系统讨论分析了多尺度洁化(Multi-Scale CLEAN)算法,给出了适用于日像仪的多尺度洁化算法参数,并重点讨论了算法的图形处理器并行实现。实验结果表明,改进的多尺度洁化在算法效率上比基于图形处理器实现的H9gbom CLEAN提高了近3倍,有效提高了整个数据处理流水线的性能。     

乌鲁木齐天文站脉冲星观测研究新进展

乌鲁木齐天文站自 1 999年研制完成 1 .5GHz频段室温双偏振消色散接收系统。 2 0 0 2年又完成 1 .5GHz频段致冷式双偏振消色散接收系统。我们成功地完成了第一个国际合作协议的任务。为在我国建立高灵敏度的观测脉冲星设备和取得优秀的脉冲星观测结果作出了贡献。为了进一步发展乌站脉冲星观测 ,第二个合作协议包括利用致冷式系统进行脉冲星大样本的监测和建立低频段的基带技术的消色散系统。     

脉冲星平均脉冲消色散的一种数学方法

从色散原理出发,将消色散问题反演转化为解积分方程的问题,并在消色散接收机原理的启发下,将积分方程离散化为方程组,并采用分段反演的方法对其求解。求解过程以及对该方法所作的检验表明,在理想化条件下,反演结果与预先给定的理论曲线吻合得很好。     

脉冲星平均脉冲消色散的一种数学方法

从色散原理出发,将消色散问题反演转化为解积分方程的问题,并在消色散接收机原理的启发下,将积分方程离散化为方程组,并采用分段反演的方法对其求解。求解过程以及对该方法所作的检验表明,在理想化条件下,反演结果与预先给定的理论曲线吻合得很好。