uMUSER高速相关数据实时处理流水线设计与实现
发布时间：2020-11-05 10:35
太阳射电观测对太阳活动研究及空间天气监测有着重要意义,MUSER(Mingantu Spectral Radioheliograph),即明安图射电频谱日像仪是基于综合孔径成像原理构建的太阳射电观测设备,在太阳射电研究领域发挥着重要作用。相关器是MUSER系统的重要组成部分,是MUSER高速相关数据输出的源头。其性能的提升会带来相应的数据量的提升,在升级完成后其数据输出速率可以达到约3GB/s。如此高的数据速率给数据的实时处理和存储都带来了不小的挑战,因而需要构建相应的高速相关数据实时处理流水线来实现对数据的简单处理和数据缩减。GPU强大的运算和并行处理的能力及多线程技术的发展,为uMUSER(Upgrade MUSER)高速相关数据实时处理流水线的设计与实现提供了理论及实现基础。在此基础上,本文基于C/C++在Linux操作系统上开发了一个高速数据处理流水线设计框架uMUSER pipeline。该框架对pipeline结构进行了抽象,对数据类型进行了弱化和封装,并将Frame作为框架中数据处理的最小单元,可以有效的对同种及异构数据进行处理。在uMUSER pipeline框架的基础上本文实现了RFI检测与带宽综合高速实时处理流水线,用于对uMUSER 8通道相关器高速相关数据的实时RFI(Radio Frequency Interference)的检测及带宽的综合,有效做到了高速实时处理及相关数据的缩减。同时,还基于uMUSER pipeline框架设计实现了离线MUSER数据解析流水线,有效提升了MUSER离线数据的解析处理效率。本课题以具体应用为主,侧重于uMUSER pipeline的工程实现,uMUSER pipeline结合了多线程技术及GPU并行运算的优点,实现了对高速相关数据的实时处理,并提供了相应的数据接口,让开发人员可以有效的对数据进行处理。同时,uMUSER pipeline框架具有良好的扩展性,开发人员可以借助框架有效实现对应的高速数据实时处理流水线。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TP311.52
【部分图文】：
电子科技大学硕士学位论文4MUSER时首先就要理解其天线阵列及相关的阵列排布。MUSER的天线阵列由低频阵和高频阵两个阵列组成，高频阵由60面2米抛物面天线组成，观测频段为2-15GHz，低频阵由40面4.5m抛物面天线组成，观测频段为0.4-2GHz。高频阵的时间和空间分辨率分别为～200ms和1.4’’-10.3’’，低频阵的时间和空间分辨率分别为25ms和10.3’’-51.6’’[13]。MUSER的天线阵列为三轴螺旋分布，其全景图如图1-1所示：图1-1明安图射电频谱日像仪全景视图在了解了MUSER的基本参数和阵列布局之后，在此以MUSER低频阵系统为例对MUSER进行介绍（MUSER低频阵系统与高频阵系统整体结构相同）。在图1-2给出了MUSER低频阵系统的结构框图，由图可以看到MUSER低频阵系统可以分为三个部分：室外模拟接收机前端、室内模拟接收机后端和数字相关接收与室内监控单元。室外模拟接收机前端部分负责将射电信号转换为电信号，经低噪放大后转换为光信号经光纤传输到室内接收机；室内模拟接收机后端部分在收到室外模拟接收机前端传送来的光信号后，信号由光信号转换为电信号，经调制和滤波后转换为带宽受限的中频放大传输至数字相关接收与室内监控单元；数字相关接收与室内监控单元在模拟信号到来后，对信号进行采样，而后经多相滤波和频率综合后与另一路天线的数据进行复相关，而后输出相应的相关功率谱数据并进行存储。同时，数字相关接收与室内监控单元可以通过监控设施在室内对相应的设备进行控制。
电子科技大学硕士学位论文61.2研究内容及含义相关器是日像仪的关键设备之一，其实现了综合孔径技术中时域相关信号到空间频域信号的转变。同时，其具体的实现方式与系统的数据吞吐量和频率分辨率有着直接的关系；其实现架构有两种：Lag相关器架构和FX相关器架构，MUSER相关器采用的是FX相关器架构。图1-2中数字相关接收与室内监控单元部分给出了MUSER相关器的基本设计结构，指出其所能给出的频率通道数为16，频率分辨率为25MHz。MUSER相关器作为MUSER系统的核心部分，其性能的提升意味着MUSER整体性能的提升及观测数据质量的提升。为了进一步提升MUSER性能，研究组内决定对MUSER的相关器部分进行升级改造，这也是本课题的来源所在。图1-3给出了升级前后MUSER参数变化的详细信息，由图我们可以看到在升级后MUSER低频阵天线通道数由原来的40路变为42路，高频阵天线输入由原来的60路变为68路；中心频率通道数由原来的16个变为512个；频谱带宽由原来25MHz变为1MHz，实际的科学数据带宽可通过带宽综合的方式在4-25MHz范围内变动；相关前数据量化bit由原来的2-bit变为4-bit，提升了观测数据的质量；同时，MUSER的观测带宽为0.4-15GHz，如此宽的观测带宽，难免会串入射频干扰信号(RFI,RadioFrequencyInterference)，为有效提升观测数据质量，去除相应的射频干扰，MUSER在升级后增加了在线RFI的识别与去除功能。图1-3uMUSER与MUSER参数比较与相关器性能提升随之而来的是其数据量的提升，就当前MUSER的性能而言，其低频阵的数据量为0.03GB/s，每天（以8小时为每日观测时间）可以产生～1TB
电子科技大学硕士学位论文10图如图2-1所示。图2-1源区尝等效场分布及观测位置示意在图2-1中IT表示源区，即观测者感兴趣的观测区域；其产生的场可以等效投射到距离观测原点R的天球（距观测原点半径为R的等效球面）上，形成场等效场分布)(Rv；而后在距离观测原点的r位置US处被观测到。3.为进一步简化，假设天球为一理想球体且其内部为真空。在这样的假设条件下，惠更斯原理告诉我们其传播子具有极其简便的形式。在上述简化条件下，式2-1可以表示为：dSrReRrEicrRvv2)()((2-2)在完成了源场信号假设及信号传播模型的推导之后，就可以引入空间相干函数了。令)(1rEv、)(2rEv分别表示在位置1r和2r观测到的场信号，定义)()(),(2*121rrVrrEEvvv为空间互相关函数，其中尖括号表示求期望，星号表示共轭。将式2-2代入其中可以得到：
【参考文献】
本文编号：2871516
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TP311.52
【部分图文】：
电子科技大学硕士学位论文4MUSER时首先就要理解其天线阵列及相关的阵列排布。MUSER的天线阵列由低频阵和高频阵两个阵列组成，高频阵由60面2米抛物面天线组成，观测频段为2-15GHz，低频阵由40面4.5m抛物面天线组成，观测频段为0.4-2GHz。高频阵的时间和空间分辨率分别为～200ms和1.4’’-10.3’’，低频阵的时间和空间分辨率分别为25ms和10.3’’-51.6’’[13]。MUSER的天线阵列为三轴螺旋分布，其全景图如图1-1所示：图1-1明安图射电频谱日像仪全景视图在了解了MUSER的基本参数和阵列布局之后，在此以MUSER低频阵系统为例对MUSER进行介绍（MUSER低频阵系统与高频阵系统整体结构相同）。在图1-2给出了MUSER低频阵系统的结构框图，由图可以看到MUSER低频阵系统可以分为三个部分：室外模拟接收机前端、室内模拟接收机后端和数字相关接收与室内监控单元。室外模拟接收机前端部分负责将射电信号转换为电信号，经低噪放大后转换为光信号经光纤传输到室内接收机；室内模拟接收机后端部分在收到室外模拟接收机前端传送来的光信号后，信号由光信号转换为电信号，经调制和滤波后转换为带宽受限的中频放大传输至数字相关接收与室内监控单元；数字相关接收与室内监控单元在模拟信号到来后，对信号进行采样，而后经多相滤波和频率综合后与另一路天线的数据进行复相关，而后输出相应的相关功率谱数据并进行存储。同时，数字相关接收与室内监控单元可以通过监控设施在室内对相应的设备进行控制。
电子科技大学硕士学位论文61.2研究内容及含义相关器是日像仪的关键设备之一，其实现了综合孔径技术中时域相关信号到空间频域信号的转变。同时，其具体的实现方式与系统的数据吞吐量和频率分辨率有着直接的关系；其实现架构有两种：Lag相关器架构和FX相关器架构，MUSER相关器采用的是FX相关器架构。图1-2中数字相关接收与室内监控单元部分给出了MUSER相关器的基本设计结构，指出其所能给出的频率通道数为16，频率分辨率为25MHz。MUSER相关器作为MUSER系统的核心部分，其性能的提升意味着MUSER整体性能的提升及观测数据质量的提升。为了进一步提升MUSER性能，研究组内决定对MUSER的相关器部分进行升级改造，这也是本课题的来源所在。图1-3给出了升级前后MUSER参数变化的详细信息，由图我们可以看到在升级后MUSER低频阵天线通道数由原来的40路变为42路，高频阵天线输入由原来的60路变为68路；中心频率通道数由原来的16个变为512个；频谱带宽由原来25MHz变为1MHz，实际的科学数据带宽可通过带宽综合的方式在4-25MHz范围内变动；相关前数据量化bit由原来的2-bit变为4-bit，提升了观测数据的质量；同时，MUSER的观测带宽为0.4-15GHz，如此宽的观测带宽，难免会串入射频干扰信号(RFI,RadioFrequencyInterference)，为有效提升观测数据质量，去除相应的射频干扰，MUSER在升级后增加了在线RFI的识别与去除功能。图1-3uMUSER与MUSER参数比较与相关器性能提升随之而来的是其数据量的提升，就当前MUSER的性能而言，其低频阵的数据量为0.03GB/s，每天（以8小时为每日观测时间）可以产生～1TB
电子科技大学硕士学位论文10图如图2-1所示。图2-1源区尝等效场分布及观测位置示意在图2-1中IT表示源区，即观测者感兴趣的观测区域；其产生的场可以等效投射到距离观测原点R的天球（距观测原点半径为R的等效球面）上，形成场等效场分布)(Rv；而后在距离观测原点的r位置US处被观测到。3.为进一步简化，假设天球为一理想球体且其内部为真空。在这样的假设条件下，惠更斯原理告诉我们其传播子具有极其简便的形式。在上述简化条件下，式2-1可以表示为：dSrReRrEicrRvv2)()((2-2)在完成了源场信号假设及信号传播模型的推导之后，就可以引入空间相干函数了。令)(1rEv、)(2rEv分别表示在位置1r和2r观测到的场信号，定义)()(),(2*121rrVrrEEvvv为空间互相关函数，其中尖括号表示求期望，星号表示共轭。将式2-2代入其中可以得到：
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 吴盛殷,南仁东;射电望远镜的发展和前景[J];天文学进展;1998年03期
相关硕士学位论文 前1条
1 邹鹏良;太阳射电频谱仪（1.1-2.1GHz）模拟接收机研制[D];苏州大学;2014年
本文编号：2871516
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