快速射电暴搜寻方法研究

论文摘要

射电瞬变源是天文领域重要的研究方向。以脉冲星为例,自上世纪60年代第一颗脉冲星发现为止,人类已经探测到了近三千余颗脉冲星。由于脉冲星和双星系统对天文学的重要贡献,分别获得1974,1993年的诺贝尔奖。快速射电暴（Fast Radio Burst,FRB）是一种重要的射电瞬变源,Lorimer等人利用澳大利亚64米帕克斯射电望远镜,首次在2001年的脉冲星存档数据中发现了快速射电暴现象,并于2007年发表。相比脉冲星辐射出的脉冲,快速射电暴并没有周期性的脉冲辐射,但每次爆发的能量却远高于脉冲星。目前已经发现近百例快速射电暴,大部分快速射电暴只爆发一次,但有两例射电暴被重复探测到在天文界引起了很大的轰动。FRB121102是第一例重复暴,最开始由美国的阿雷西博（Arecibo）望远镜首次发现,超大阵列望远镜（Very Large Array,VLA）在2018年对其展开了后续观测,由于长基线带来的高角分辨率,将位置精确到了 1.7毫角秒（mili-arcsecond）。在2019年初,位于加拿大的CHIME干涉阵列公布了其发现的13例快速射电暴,并公布了第二例重复暴引起了大家的广泛关注。本文研究了快速射电暴的搜寻方法,从消色散算法到射电望远镜搜寻原理,从硬件终端到软件数据处理都做了详细的研究。在本文中,我们介绍了CASPER（Collaboration for Astronomy Signal Processing and Electronics Research）射电天文终端设计平台,利用该平台可以大大节省搜寻终端设计时间。结合本人博士期间研究课题,列出了一些快速射电暴搜寻终端设计实例,总结了设计方法和技巧。可针对干涉阵列和单天线不同的射电望远镜需求提供数字终端设计解决方案。本文通过射电信号在星际介质中的传播特性,研究了搜寻快速射电暴的几种消色散算法。并提出了一种在二维傅立叶空间下搜寻快速射电暴的新方法,该方法可以有效的减少搜索时间提高搜索效率和灵敏度。本文还基于该搜索算法搭建了一套开源的搜索程序,我们称之为2DFFT。该套搜寻程序基于Python编写,可进行并行化处理。由于良好的并行性能,该算法在接下来的工作中可以被移植到GPU中,届时其性能可以获得可观的提升。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
•   1.1 快速射电暴起源模型以及其研究意义
•     1.1.1 快速射电暴起源以及其研究意义
•   1.2 射电瞬态源在星际介质中的传播特性
•     1.2.1 色散（Dispersion）
•     1.2.2 法拉第旋转（Faraday rotation）
•     1.2.3 散射和闪烁（Scatter and Scintillation）
•   1.3 国际上快速射电暴搜寻现状
•     1.3.1 单天线快速射电暴巡天现状
•     1.3.2 干涉阵列快速射电暴巡天现状
•     1.3.3 已观测到快速射电暴统计
•   1.4 新的搜寻终端在FRB巡天中的重要地位及挑战
•     1.4.1 硬件终端系统
•     1.4.2 数据处理系统
•   1.5 本文结构
• 第2章 非相干消色散算法分析
•   2.1 Brute force消色散算法
•     2.1.1 Brute Force消色散算法介绍
•     2.1.2 消色散算法复杂度分析
•     2.1.3 Brute force消色散算法优劣势分析
•   2.2 Tree消色散算法
•     2.2.1 Tree消色散算法介绍
•     2.2.2 Tree消色散算法运算复杂度分析
•     2.2.3 Tree消色散算法优劣势分析
•   2.3 Sub-band消色散分析
•     2.3.1 Sub-band消色散算法介绍
•     2.3.2 Sub-band消色散算法运算复杂度分析
•     2.3.3 Sub-band消色散算法优劣势分析
•   2.4 FDMT消色散算法
•   2.5 讨论
•   2.6 总结
• 第3章 射电天文终端数字采集系统设计方法
•   3.1 CASPER射电天文硬件设计平台
•     3.1.1 CASPER介绍
•     3.1.2 CASPER硬件平台
•     3.1.3 CASPER硬件插件
•     3.1.4 CASPER仿真开发环境
•     3.1.5 硬件控制系统
•     3.1.6 小结
•   3.2 单天线数字采集系统
•     3.2.1 利用CASPER平台设计频谱仪终端
•     3.2.2 射电信号数字采集终端
•   3.3 干涉阵列搜寻FRB方法
•     3.3.1 多波束合成方法搜寻FRB
•     3.3.2 成像方法搜寻FRB方法
•   3.4 数据传输系统
•     3.4.1 瞬态源搜寻中数据包的设计
•     3.4.2 线程管理系统
•     3.4.3 信号候选体处理
•     3.4.4 离线细化处理
• 第4章 基于ROACH2-GPU架构的相关器
•   4.1 相关器架构介绍
•   4.2 相关器F-engine
•     4.2.1 ADC
•     4.2.2 多项滤波和FFT功能实现
•     4.2.3 有效位截取模块实现
•     4.2.4 转置功能实现
•     4.2.5 网络传输功能实现
•   4.3 相关器X-engine
•     4.3.1 数据调度分配
•     4.3.2 利用GPU实现累加乘
•     4.3.3 GPU运算性能测试
•     4.3.4 ADC采样测试
•     4.3.5 系统线性度测试
•     4.3.6 高斯白噪声测试
•     4.3.7 观测测试
•   4.4 总结展望
• 第5章 2DFFT搜寻瞬态源技术
•   5.1 2D-FFT搜寻瞬态源理论基础
•     5.1.1 Re-bin处理
•     5.1.2 二维傅立叶变换
•     5.1.3 极坐标转换
•     5.1.4 径向一维FFT
•     5.1.5 Re-bin对信噪比的提升
•     5.1.6 径向傅立叶变换对探测灵敏度的提升实验
•   5.2 2DFFT消色散算法优劣势分析
•     5.2.1 射电干扰消除
•     5.2.2 运算复杂度分析
• 第6章 基于2DFFT消色散算法的搜寻程序
•   6.1 2DFFT瞬态源搜寻程序简介
•     6.1.1 程序基本架构
•     6.1.2 并行优化
•     6.1.3 搜寻结果概览
•   6.2 与已有射电瞬态源搜寻软件比对
•     6.2.1 不同输入时间长度测试
•     6.2.2 不同输入频率分辨率测试
•     6.2.3 针对天籁需求不同时间长度搜寻结果
•   6.3 讨论总结
• 第7章 总结与展望
•   7.1 总结
•   7.2 展望
• 第8章 附录
•   8.1 已观测到快速射电暴统计
•   8.2 2DFFT软件搜寻已观测到的FRB结果展示
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 牛晨辉

导师: 郑小平,陈学雷

关键词: 消色散算法,快速射电暴,搜寻

来源: 华中师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 天文学

单位: 华中师范大学

分类号: P161

总页数: 111

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