高分辨率太阳射电接收数据处理与存储方法研究与实现

论文摘要

太阳对地球的物质和能量的输入,直接决定了地球及其周围空间环境的维持和变迁。太阳耀斑和日冕物质抛射等爆发现象是太阳系最猛烈的爆发过程,所释放的能量和高能粒子将对整个行星际空间环境产生剧烈扰动,从而影响空间天气和近地空间的安全。太阳射电暴的观测对于研究太阳物理以及空间天气环境监测起到了至关重要的作用,具有重要的空间物理科学研究价值。随着射电信号观测技术的不断发展,高精度的太阳射电观测系统成为世界各地太阳射电观测站追求的目标。高时间分辨率和高频率分辨率的太阳射电数据,有利于精细和准确地测量太阳射电爆发驱动激波、高能电子能量、激波和电子到达时间,也能更好为太阳物理研究和空间天气监测提供更可靠依据。随着高精度的天文观测设备的使用,天文观测数据正在以TB级的速度不断增长,这给天文观测数据的存储和分析处理带来巨大的挑战。本文对山东荣成的槎山太阳射电观测站现有观测系统进行分析,观测系统利用高速AD采集卡和FPGA处理实现太阳射电的观测系统,系统可实现高分辨率数据采集和处理,时间分辨率最高可达到1ms,日采集数据量达到4.5 TB。而在日常观测过程中,想要观测到的太阳爆发事件少之又少,绝大部分数据为太阳宁静数据,没有太大的变化,不需要高分辨率观测,因此,数据采集的效率变得非常低。而海量的数据使得数据存储以及如何从中判断是否含有有效信息成为难题。传统的硬盘无法满足TB级的数据量,而数据保存是长期观测的需要,迫切需要更为有效的处理方法来解决现有问题。本文从项目面临的实际问题出发,细致分析系统设计需求,结合观测站的基础设施提出一种新的系统方案,并进行设计实现。在上述采集系统后增加数据处理系统,采集的高分辨率数据上传至计算机后,再读取数据文件进行实时爆发判断处理,若此数据文件中含有爆发事件,则直接保存该文件,若不含爆发事件,则对文件中的数据帧进行累加求平均的方式降低数据帧数,从而降低数据时间分辨率,减少太阳宁静数据存储量。系统中的爆发判断处理既要避免信号干扰对准确度的影响,又要满足系统实时处理的需求。本文对爆发判断方案做了多次优化,既能够满足精细观测太阳射电爆发的需求,又有效减少宁静太阳射电信号的数据量。在爆发判断处理过程后再对数据文件进行无损压缩处理,进一步减少所有数据存储量。本文通过对常用无损压缩算法测试,最终选择处理速度最快的LZ4算法,并通过调整算法,在满足系统实时处理速度的基础上,提高压缩比,使算法与系统更加匹配。本文对数据处理系统进行软件的界面设计,方便观测人员操作并实现自动化运行,软件提供部分数据分析与处理功能。最后通过详细测试,验证了系统的稳定性与可行性,有效解决了项目面临的问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景与研究的目的和意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 太阳射电观测系统研究现状
•     1.2.2 天文数据处理及存储系统研究现状
•   1.3 论文主要工作与组织结构
• 第2章 太阳射电信号观测系统方案
•   2.1 太阳射电信号观测系统
•     2.1.1 系统架构
•     2.1.2 系统存在的不足
•   2.2 系统解决方案
•   2.3 本章小结
• 第3章 数据处理系统方案设计与实现
•   3.1 爆发判断方案
•     3.1.1 信号干扰及滤波
•     3.1.2 阈值比较判断
•     3.1.3 方案优化
•     3.1.4 自适应设置爆发阈值
•   3.2 无损压缩算法
•     3.2.1 无损压缩算法的选择
•     3.2.2 LZ4无损压缩算法
•   3.3 本章小结
• 第4章 软件设计与实现
•   4.1 软件设计平台概述
•     4.1.1 Visual Studio简介
•     4.1.2 MFC可视化界面设计
•     4.1.3 ProEssentials可视化控件
•   4.2 系统软件介绍
•     4.2.1 数据采集系统软件
•     4.2.2 频谱图显示软件
•     4.2.3 数据处理系统软件
•   4.3 本章小结
• 第5章 数据处理系统测试
•   5.1 爆发判断方案测试
•     5.1.1 可靠性测试
•     5.1.2 实时性测试
•   5.2 无损压缩算法测试
•   5.3 软件运行测试
•   5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术成果和参加的科研项目
• 学位论文评阅及答辩情况表

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈昌硕

导师: 杜清府

关键词: 太阳射电,爆发判断,实时处理,数据压缩

来源: 山东大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 天文学

单位: 山东大学

分类号: P161

总页数: 59

文件大小: 4330K

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