基于WEB的MUSER远程监控数据可视化展现方法

天文远程监控是天文研究的重要组成部分。为及时发现由于天气原因、电磁干扰、天线故障等导致的异常数据,提高数据处理的可靠性,我国明安图频谱射电日像仪迫切需要实现实时观测状态的远程监控。提出了一种基于WEBSOCKET技术的远程监控数据的可视化展现方法,并以观测过程中功率图和频谱图的实时展现为例进行了验证。实验表明,方法可满足实时监控数据可视化展现需求,并且改变了传统的现场监控模式,打破了地域限制,具有可靠性高、实时性好和扩充性广等诸多优点,提高了工作效率和设备利用率,对其它远程监控数据可视化展现系统有一定的参考价值。     

明安图射电频谱日像仪图像的强度定标方法

明安图射电频谱日像仪(Mingantu Spectral Radioheliograph, MUSER)能够在0.4--15GHz超宽频带内实现高时间、高空间、高频率分辨率的太阳射电成像. 而射电亮温度是描述太阳物理过程的一个重要的参数, 在研究不同射电辐射机制、太阳磁场以及太阳爆发过程中非热粒子加速等问题上有着非常重要的作用, 因此必须对MUSER观测的图像进行亮温度定标. 将介绍一种适用于射电日像仪图像强度定标的方法. 太阳射电图像中包含着太阳圆盘的结构信息, 利用射电日像仪短基线的可视度函数拟合第一类贝塞尔函数, 可以得到图像中宁静太阳圆盘的射电半径和强度, 再利用瑞利-金斯定律和每天的太阳射电流量可以计算得到每天图像的定标因子$G_c$, 从而实现对MUSER图像强度的定标. 将该方法应用到MUSER的实际观测数据中, 包括宁静太阳和有太阳射电爆发等不同的情况, $G_c$的误差基本不超过10%, 得到的宁静太阳亮温度与其他宁静太阳的结果具有较高的相关性, 表明了此方法的可行性和有效性.     

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MPI的高性能UVFITS数据合成研究与应用

中国明安图超宽频谱射电日像仪(Mingantu Ultrawide Spectral Radioheliograph,MUSER)进入实际观测后,每3 ms产生一帧100 k B左右的数据,每天的原始观测数据约3.5 TB。由于射电日像仪的原始数据采用自定义格式,为了后续数据分析和共享的需要,有必要根据数据存储需求把这些原始数据转换成天文常用的文件格式。在前期工作中已经实现了原始数据格式到UVFITS文件的转换,在此基础上研究了基于MPI的集群并行环境下UVFITS合成系统的性能优化。通过实验验证,在改进后的并行环境下,UVFITS合成系统的性能达到了需求的2.5倍,可以有效处理当前及未来一定时间内射电日像仪的海量观测数据。同时,改进后的系统具有良好的横向扩展能力,能够为相关项目的数据处理提供借鉴和参考。     

明安图射电频谱日像仪天线相位方向图测量与分析

明安图射电频谱日像仪(Mingantu Ultrawide Sp Ectral Radioheliograph,MUSER)是新一代具有高时间、高空间、高频率分辨率的太阳专用射电望远镜,采用综合孔径原理成像,所以幅度和相位是决定最后成图质量的关键因素。天线的相位方向图会影响日像仪输出的幅度和相位,根据日像仪的馈源设计和综合孔径原理,针对明安图射电频谱日像仪天线数目多,且为户外环境,根据天文观测须经常测试天线性能的特点,给出了基于相关结果测量日像仪天线相位方向图的方法,该方法可以直接通过日像仪的相关输出结果高效准确地得到天线的相位方向图。对MUSER-I天线的相位方向图进行了测量和分析,同时分析了天线相位方向图对日像仪成像的影响,为得到高质量的太阳图像提供了参考和保障。     

MUSER可见度数据积分方法与实现

射电观测是研究太阳活动的重要探测手段。我国明安图射电频谱日像仪(Mingant U Sp Ectral Radioheliograph,MUSER)主要用于研究太阳爆发活动初始能量释放区的物理过程,其观测将在太阳射电成像开辟一个新的窗口。成像处理是数据处理的重要组成部分,如何提高成像质量是当前数据处理的研究重点。首先介绍了射电干涉成像的基本理论,随后分析了对观测得到的可见度数据积分的必要性,细致讨论了短时段可见度数据叠加求平均和长时段UV覆盖叠加两种积分方法,并给出了完整的实现。通过实现代码与实验验证,两种积分均可以有效提高信噪比,图像质量明显提高。     

射电日像仪灵敏度测量

灵敏度是射电望远镜的一个重要性能指标,它反映了望远镜监测弱信号的能力。基于明安图射电频谱日像仪(Mingantu Ultrawide Spectral Radioheliograph,MUSER)的调试观测,给出了日像仪灵敏度的测量方法,对天线系统以及整个阵列的灵敏度进行测量分析,得到了日像仪系统整体的灵敏度性能参数。测量同时给出了天线系统的效率以及接收机系统的增益,这将为下一步日像仪展开常规的科学观测提供参考。     

Vantage Pro气象站实时数据采集与在MUSER中的应用研究

我国明安图射电频谱日像仪(Mingantu Ultrawide Sp Ectral Radio Heliograph,MUSER)已经完成所有的硬件设备安装与调试,即将进入常规观测。为有效地保证观测数据的可用性,项目组购置了Vantage Pro自动气象站,用以实时监控观测地的气象条件变化。首先介绍了MUSER项目的基本情况,论述了在项目中气象条件的应用场景及在数据处理时对数据有效性可能造成的影响;详细介绍了Vantage Pro气象站的数据采集格式、数据交换格式以及串行通信协议;介绍了在气象数据的存储方式;最后给出了构建气象数据服务、数据归档和高效查询的方法。可以应用在望远镜自动气象监控和数据处理方面,也可以为选址的自动气象监测提供参考。     

厘米—分米波射电日像仪天线阵基线测量

日像仪采用综合孔径原理成像,利用不同基线单元的相关输出得到复可见度函数,经过傅里叶变换得到源的亮度分布,基线测量精度是影响成像质量的重要因素.提出了采用大地坐标测量结合观测天文源确定方向基准,进行厘米-分米波射电日像仪天线阵单元天线三维坐标位置测量,获得天线基线矢量的方案,并通过在国家天文台明安图观测站建立相对坐标测控网,对射电日像仪天线阵天线基线进行实测定位,整网平差计算结果表明测量方案合理可行,并满足日像仪基线间距离测量精度的要求和相关成图要求.     

基于Cassandra的海量MUSER数据分布式存储与检索研究

明安图射电频谱日像仪每天产生海量观测数据,传统的关系型数据库存储和管理这些数据时,面临着读写延迟高、性能和容量扩展能力有限以及可用性弱等诸多问题。针对这些问题,开展了基于No SQL的海量数据存储与检索应用研究。首先,详细分析了明安图射电频谱日像仪的数据特点、存储需要以及面临的问题;然后,对明安图射电频谱日像仪进行数据建模,给出了明安图射电频谱日像仪的列式非关系型数据模型,同时提出了元数据和数据在No SQL中的同步存储方法,解决了二者的一致性问题,在此基础上实现了基于Cassandra的海量天文数据存储管理系统(MBDMS);最后通过实验验证了系统存储与检索的高效性、扩展性以及可行性。实验结果表明,MBDMS可以很好地满足数据管理的需要,是解决当前数据存储问题的一种有效方案。     

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。     

基于Docker的射电干涉阵软件系统敏捷封装与部署

随着天文技术的发展,天文数据处理软件的需求也不断更迭变化,导致软件运行环境渐趋复杂。对于开发者和使用者,急需提出一种对复杂天文数据处理软件敏捷化封装和部署的方法。我国明安图射电频谱日像仪已进入常规观测,与之配套的数据处理软件也已完成开发并投入使用。由于该软件的部署涉及操作系统环境、图形处理器运行环境及底层依赖软件等配置问题,导致安装过程既繁琐又容易出错。结合容器技术的特点,提出了一种基于Docker容器对日像仪软件系统进行敏捷封装与部署的方法,并对该方法的设计进行介绍,通过实验验证了其可用性,以及相比于传统虚拟机可获得较优异的性能表现。该方法可为未来天文数据处理软件的封装部署提供参考。可以预见,未来容器技术将成为天文海量数据处理的基础支撑技术。     

明安图观测基地复杂电磁环境和干扰消减措施

射频干扰是射电天文观测设备无法回避的问题。国家天文台(内蒙古)明安图观测基地多台各具特色的射电观测设备、各类电磁辐射源及其传播路径共同组成了复杂的电磁环境。现有超宽带高分辨太阳射电成像观测设备——明安图射电频谱日像仪,以及即将建设的子午二期工程的太阳行星际监测系统,包括米波-十米波射电日像仪、行星际闪烁望远镜和超宽带射电频谱仪等,全部频率覆盖1 MHz～15 GHz,观测结果用于太阳物理、空间天气监测和预报的关键问题研究,也对电磁环境提出了更高要求。介绍了明安图观测基地的观测设备及其地理环境,给出了方位频率功率谱、立体方向图、时间频率功率谱等射频干扰的初步监测结果,讨论了射频干扰预防、消减及射频干扰自监测方案。     

基于Web.py的MUSER软件系统界面实现

明安图射电频谱日像仪(Mingantu Ultrawide Sp Ectral Radioheliograph,MUSER)已经完成硬件建设,与之配套的数据处理系统也初步开发完成。为提高用户操作的可用性,简化操作难度,数据处理系统在提供传统的命令行用户界面的同时,也提供了网络交互方式。简单介绍了Web.py的基本概念和内部组件交互流程,讨论了基于Web.py进行网络开发的方法和流程,并利用Web.py框架实现了数据处理系统的网络界面交互。成果已经应用,提高了日像仪数据处理系统的可用性,也为其它天文软件系统的开发提供了一定的借鉴与参考价值。     

一种基于支持向量机的射电可见度数据自动标注方法

对中国明安图超宽频谱射电日像仪(Mingantu Ultrawide Spectral Radioheliograph,MUSER)观测所得到的可见度数据进行标注(Flag),以剔除数据中的异常值是后续成图处理的一个重要工作.研究中利用支持向量机(Support Vector Machine,SVM)技术建立可信可见度数据标记模型,进而利用模型对可见度数据测试样本集进行测试标注.结果表明,该方法与传统基于统计的方法相比准确率有明显改进,可较好地判断出故障天线,对MUSER故障天线引起的可见度数据失真标记正确率可达到86%左右,且不受太阳爆发活动对数据的影响.     

发展中的Nancay太阳射电日像仪

本文论述的是法国Nancay太阳射电日像仪的建立和发展。三十余年来,他们从天文研究课题出发,紧紧跟踪世界天文技术、电子技术和计算机技术,不断更新和发展。在太阳活动廿一周峰年期的观测和研究中,走向了世界先进行列,从而推动了法国太阳射电天文学的发展。     

IERS数据动态提取与更新系统的设计与实现

在高精度的位置计算中需要获取计算时刻所在日期的闰秒,以及UT1-UTC等关键数据,但长期以来这一类数据的维护均是手工进行,出错率高.针对新一代中国太阳射电日像仪观测与数据处理过程中的位置计算需要,实现了一个自动提取国际地球自转服务（IERS）参数的数据更新自维护子系统.系统可以根据需要自动运行、自动下载并分拆IERS网站数据,采用正则表达式从文本中自动获取所需要的实测值与预报值,自动在本地构建一个2004年12月31日以来的IERS数据库,并根据每周所获得的数据维护整个IERS的数据,将最新的实测值与预报值存入数据文件,实现了数据的滚动更新.系统彻底解决了手工维护数据的问题,为中国太阳射电日像仪的自动数据处理流水线打下了较好的基础.同时,本文提出的方法是一种通用的方法,可以方便地集成应用到国内其它天文位置计算领域.     

太阳射电日像仪的进步与发展

叙述了太阳射电天文和太阳物理上作出过杰出贡献的几个射电日像仪的概况及其进步与发展,并简述了未来射电日像仪可以完成的科学目标以及应具有的特点,以期为在２１世纪我国实现“一颗空间Ｘ射线卫星、一座红外太阳塔和一台射电像仪”的宏伟构想提供研制依据。     

CASA混合编程技术分析与功能扩展研究

我国新一代厘米-分米波太阳射电日像仪（Chinese Spectral Radio Heliograph,CSRH）已经进入了设备调试阶段。对数据系统的建设有迫切的要求。如何快速、可靠地实现数据的可信处理。实现一个可供调试及未来使用的数据处理系统是一项十分重要的工作。以射电天文软件包CASA为对象,分析探讨了CASA混合软件开发模式和二次开发利用的可能性,系统阐述了利用Python开发前台,后台调用C＋＋语言的混合编程方法,进而讨论分析了利用混合编程扩展CASA功能以满足太阳射电日像仪应用需求的方法。本方法具有较强的针对性．对我国其它天文新设备数据处理软件系统的开发具有一定的借鉴作用。     

基于OpenCL的MUSER CLEAN算法研究与实现

天文软件开发中迫切需要在单机环境下进行高性能数据处理工作,但由于机器配置不同,采用传统的多线程、CUDA(Compute Unified Device Architecture)+GPU(Graphic Processing Unit)等方式都存在明显的局限,不利于天文软件的快速移植和无缝运行.对明安图频谱射电日像仪(MingantU SpEctral Radioheliograph,MUSER)数据处理系统开发中所采用的OpenCL(Open Computing Language)技术进行介绍,并基于OpenCL实现Hgbom CLEAN算法.整体工作通过Python语言和PyOpenCL扩展包实现并行洁化处理.实验结果表明:基于OpenCL实现的CLEAN算法与基于CUDA实现的CLEAN算法具有大致相当的运行效率,同时也可以无需修改代码直接实现纯CPU(Central Processing Unit)环境下的高性能数据处理,解决了对CUDA+GPU环境依赖的问题,在保证MUSER数据处理系统洁化过程性能的基础上,提高了系统对硬件平台的适用性.该工作验证了OpenCL在科学数据处理中的可用性,可以预见:由于OpenCL所具有的异构环境下高性能计算特性,OpenCL将是未来天文高性能软件开发的首选技术.