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。     

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。     

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。     

800~975MHz太阳射电数字观测终端的设计与实现

位于云南天文台凤凰山本部的10 m太阳射电望远镜是中国太阳射电物理界重要的观测设备之一,其设计之初,800~975 MHz频段受到移动电话的严重干扰,不能正常工作,因此缺失这一频段的观测资料。近年来,随着微波和数字器件性能的提升以及移动电话工作频段的改变,使得这一重要频段的观测变得可行。针对800~975 MHz频段的太阳射电天文信号,提出了一种基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)和千兆以太网的实时采集与处理方法。在数据采集和处理过程中,系统采用流水线方式,得到了太阳射电信号的实时频谱图;采用硬件描述语言Verilog实现了千兆以太网的数据传输,提高了传输效率;另外本系统采用分时传输机制,完成千兆以太网的UDP数据包的传输。最后还对所得数据进行了误差分析和结果分析,证明了本文提出的实时信号采集、分析和传输方法的正确性和可靠性。     

基于GPU的非相干消色散算法

针对脉冲星信号实时消色散处理的需求,实现了基于图形处理器(Graphics Processing Unit, GPU)的非相干消色散算法。采用高性能并行计算方法对非相干消色散算法的多线程处理进行了深入研究,提出了算法的并行化加速方案,解决了消色散算法计算量大、无法实时处理的问题。分析算法的密集型计算部分,高效利用图形处理器的层次存储结构,提高了图形处理器的资源利用率,减少了计算时间,显著提升了非相干消色散算法的计算性能。     

基于多相滤波器的宽带射电频谱仪设计

提出了一种基于多相滤波器的新型宽带射电频谱仪的设计方案。通过多相滤波器实现宽带射电信号的滤波,对滤波后的基带信号进行数字功率检波,再通过积分控制,最终得到射电信号的频谱强度。仿真分析表明,这一设计具有很好的效果,通过多相滤波器,使信号的速率大为降低,克服了传统频谱仪以及采用FFT实现频谱变换方法的缺点,可以实现对超宽带射电信号的实时频谱分析。     

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。     

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。     

基于Spark Streaming的明安图射电频谱日像仪实时数据处理

目前天文观测中对数据的实时处理需求越来越多,性能要求也越来越高,我国明安图射电频谱日像仪(Mingant U Sp Ectral Radioheliograph,MUSER)是同时以高时间、高空间和高频率分辨率对太阳进行射电频谱成像的设备。在低频部分的日常观测中,包含了两方面的需求:(1)对历史数据的处理;(2)5秒钟抽样观测数据的处理。抽样观测数据需要实时处理,并在监控终端显示,数据处理过程包含了数据校验、修正、成图、洁化等多个步骤,传统的单机处理模式已无法满足大数据量下的实时性要求。因此,实时数据计算中,使用Spark Streaming流式计算这一新兴的分布式计算方法,设计了自定义的接收器,并将多个图形处理器节点加入到分布式集群中。通过实验对性能进行评估,结果证明基于内存的高速执行引擎的特点能显著提高性能。期待能通过实验进一步优化算法和配置,获得更好的结果,并最终运用到实际环境中。     

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。     

基于OpenCL的射电干涉阵成像网格化算法实现

天文软件开发与应用中迫切需要在单机环境下进行高性能的科学数据处理,由于机器配置不同,采用传统的CUDA+GPU技术存在明显的局限,不利于天文软件的快速移植和无缝运行。针对明安图射电频谱日像仪数据处理中的网格化(Gridding)算法,采用并行计算OpenCL技术进行多线程编程实现。实验结果表明,基于OpenCL实现的网格化算法不仅能够在图形处理器上运行,而且能够在纯中央处理器上运行。当选择在图形处理器上执行时,算法的执行效率与基于CUDA实现的网格化算法执行效率大致相当,但算法不局限于NVIDIA GPU,解决了算法对CUDA+GPU的依赖;同时算法也能在纯中央处理器上较快速地执行,适用于单机模式下进行天文软件的开发和测试,也便于天文软件的应用与推广。     

Linux操作系统下射电望远镜控制软件的开发

Linux操作系统具有许多Windows操作系统无可比拟的优点.天线控制单元是射电天文观测设备的一个重要组成部分.本文主要介绍了Linux操作系统下基于QT4的射电天文望远镜控制软件的设计与实现,重点介绍了应用QT4的信号与槽机制实现软件的系统结构及集成设计.     

基于ROACH2-GPU集群相关器的研究——F-engine模块的设计与实现

相关器在射电天文中具有重要作用。以往的相关器多采用现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)或者特定用途集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)技术,开发周期长,不便扩展和改进升级。近年来许多新研制的射电干涉阵相关器采用具有通用架构的现场可编程门阵列和图形处理器的相关器。针对暗能量射电探测实验(天籁计划)的需求,开发了一套基于可重构开放架构计算硬件(Reconfigurable Open Architecture Computing Hardware,ROACH2)和图形处理器的异构相关器,将相关器的数据采集、快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)等功能与复数乘累加运算功能分开,充分利用了现场可编程门阵列的硬件资源和图形处理器的运算速度。该相关器易于扩展,且运算负载可根据实际运算能力进行不同节点的分配,非常灵活。目前已经应用到天籁计划项目中。     

射电天文30～300 MHz频段稀布阵列关键技术分析与研究

30～300 MHz的甚高频(Very High Frequency, VHF)频段是重要的射电天文波段,该频段观测采用天线阵组阵方式。稀布阵列具有空间分辨率高、副瓣电平低以及造价低等优点,进一步的天线阵综合加权可以对天线阵主瓣波束进行有效赋形,对最大旁瓣副瓣(Maximum Side Lobe)电平和远区栅瓣(Far Side Lobe)电平进行抑制。首先回顾了射电天文甚高频稀布阵列研究发展和现状,以及将会遇到的难点,提出了首先优化最优稀布天线阵元排布,进一步提出融合高性能计算平台+FPGA SOPC的稀布甚高频射电天文阵列信号处理结构体系,在图形处理器(Graphics Processing Unit, GPU)或者云计算平台上完成对天线阵各阵元频点加权参数的计算,然后通过高速总线将计算参数下发到前端的信号处理板中,通过FPGA SOPC完成对加权参数的配发。进一步分析计算了多波束情况下的数据率,可以实现实时的参数配置。本文成果为下一步大规模甚高频天线阵架设提供了技术依据。     

基于解析信号处理的下变频系统FPGA实现与天文应用

讨论了基于FPGA的射电天文接收中解析信号处理下变频器的设计与实现,探讨了使系统获得灵活选取观测频点特性的方案,以及灵活变频系统在天文观测中的应用.     

阵列接收系统的噪声温度分析

针对射电天文抗干扰技术对于射电天文观测设备灵敏度的影响,分析了评估自适应波束形成技术对阵列接收系统的噪声温度影响.首先通过噪声信号模型,获取了影响系统噪声温度变化的参数,并在此基础上研究了天线增益、接收机增益和耦合性等系统参数的不确定性对于噪声温度的影响,最后利用仿真实验分析了理想系统条件下当前主要的自适应波束形成算法对于系统噪声温度的影响.结果表明基于自适应波束形成的抗干扰方法在天文信号源和干扰信号源重合的情况下已不再适用.     

对射电高时间分辨率观测技术的天文评价

本文综述了射电高时间分辨率(HTR)观测技术情况,从天文角度论述了HTR技术在观测太阳、恒星射电方面的重要意义。建议不仅是太阳射电、宇宙射电的相关课题和设备亦应注意配备HTR技术。     

PRESTO单脉冲搜索的算法优化及其并行化

随着快速射电暴(Fast Radio Burst, FRB)及旋转射电暂现源(Rotating Radio Transient, RRAT)等一些没有明显周期的天体被发现以来,单脉冲搜索受到研究人员广泛关注。同时随着射电望远镜设备日趋完善,更高分辨率和更广阔的观测空间产生的观测数据量剧增,观测数据的快速处理迫在眉睫。介绍了PRESTO(PulsaR Exploration and Search TOolkit)中单脉冲搜索,使用Cython编程方式对单脉冲搜索中去趋势(Detrend)算法进行优化,并通过Ray框架实现单脉冲搜索在中央处理器(Central Processing Units, CPU)上并行化。实验结果表明,算法优化后的单脉冲搜索并行化,能明显提升搜索程序性能,显著缩短数据处理时间,同时该并行策略仅基于中央处理器,无需修改代码即可在纯中央处理器环境下实现高性能数据处理。     

CSRH灵敏度分析

灵敏度是所有信号接收设备的重要指标之一.在射电天文中,灵敏度定义为最小可检测的流量密度,是衡量射电干涉仪性能的重要因素.描述了射电天文中干涉仪灵敏度和图像灵敏度的物理含义,阐述了干涉仪分别对展源和点源的灵敏度区别;分析了中国频谱日像仪(Chinese Spectral Radioheliograph,CSRH)接收机和图像灵敏度以及系统设计对系统灵敏度的影响.