安秀梅陳卯蒸 裴 鑫 李 健 段雪峰托乎提努爾

(1 中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)烏魯木齊 830011)

(2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)北京 100049)

(3 中國(guó)科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京 210023)

(4 新疆微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室烏魯木齊 830011)

1 引言

射電天文學(xué)作為天文學(xué)的一個(gè)分支,利用無(wú)線電接收技術(shù)在無(wú)線電波段使用射電望遠(yuǎn)鏡接收并研究宇宙中各類天體發(fā)射的電磁波[1].隨著射電天文學(xué)研究的領(lǐng)域越來(lái)越廣,研究人員不局限于只接收來(lái)自宇宙天體的無(wú)線電波,還利用雷達(dá)向天體發(fā)射電磁波信號(hào),在電磁波受到反射后研究其接收到的回波信號(hào),于是作為射電天文學(xué)的一個(gè)分支—雷達(dá)天文學(xué)應(yīng)運(yùn)而生.它利用天線的接收端收集指定方向返回的目標(biāo)天體的反射回波,同時(shí)抑制其他方向的雜波或干擾,通過(guò)提取和分析回波信號(hào)中目標(biāo)天體的相關(guān)信息,測(cè)量天體的距離和方位[2–3],研究天體的物理特征、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和空間分布1https://en.wikipedia.org/wiki/Radio-astronomy.

雷達(dá)天文學(xué)正式始于1946年,在匈牙利和美國(guó)第1次探測(cè)到了月球的回波,這是首次接收到來(lái)自大氣層外天體的雷達(dá)回波信號(hào),而后在1960年中國(guó)也用雷達(dá)接收到了月球的回波信號(hào).但其真正作為天文學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科卻是始于1961年,首先探測(cè)到了金星的回波,隨后相繼探測(cè)到了太陽(yáng)、水星和火星等其他行星的回波信號(hào)[4],從這些早期的雷達(dá)回波信號(hào)中,研究人員獲取了大量的天文信息,成功測(cè)定了地月距離,確定了金星和水星的旋轉(zhuǎn)周期,并且為太陽(yáng)系內(nèi)目標(biāo)天體的精準(zhǔn)測(cè)距提供了計(jì)算數(shù)據(jù)[5–6].

國(guó)內(nèi)首次雷達(dá)天文研討會(huì),由中國(guó)電子學(xué)會(huì)射電天文分會(huì)和雷達(dá)分會(huì)聯(lián)合舉辦,于2020年8月7日在貴州省中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope)觀測(cè)基地成功召開(kāi),標(biāo)志著中國(guó)雷達(dá)天文的序幕正式拉開(kāi)2我國(guó)首次雷達(dá)天文研討會(huì)在貴州FAST觀測(cè)基地成功召開(kāi),電子世界,2020年18期.基本的雷達(dá)系統(tǒng)包括能產(chǎn)生電磁波的發(fā)射機(jī)、能使電磁波定向輻射的天線和能接收回波能量的接收機(jī).本文基于雷達(dá)天文項(xiàng)目的實(shí)際需求,借助某雷達(dá)向目標(biāo)天體發(fā)射電磁波信號(hào),由中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)南山26 m射電望遠(yuǎn)鏡接收其反射的回波信號(hào),利用設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的雷達(dá)天文信號(hào)采集與記錄系統(tǒng),完成海量回波數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理與存儲(chǔ).

2 雷達(dá)天文數(shù)字終端采集系統(tǒng)

本文針對(duì)雷達(dá)天文項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目標(biāo)和應(yīng)用需要,基于CASPER[7](Collaboration for Astronomy Signal Processing and Electronics Research)圖形化現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工具流,采用SNAP3https://casper.ssl.berkeley.edu/wiki/SNAP(Smart Network ADC Processor)硬件實(shí)驗(yàn)板,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了雷達(dá)天文信號(hào)采集與記錄系統(tǒng).

雷達(dá)天文信號(hào)采集與記錄系統(tǒng)由基帶數(shù)據(jù)的采集、基帶數(shù)據(jù)的傳輸處理和雷達(dá)天文格式的存儲(chǔ)3部分組成.系統(tǒng)原理如圖1所示,射電望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)收到反射的兩路模擬回波信號(hào),經(jīng)由模擬前端處理后進(jìn)入雷達(dá)天文數(shù)字終端采集系統(tǒng),基于SNAP硬件實(shí)驗(yàn)板,通過(guò)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter,ADC),在雙通道模式下完成模擬基帶數(shù)據(jù)到數(shù)字基帶數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換,然后在FPGA上對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行多相濾波(Polyphase Filter Bank,PFB)等預(yù)處理,之后數(shù)據(jù)被打包成UDP (User Datagram Protocal)數(shù)據(jù)包并通過(guò)萬(wàn)兆以太網(wǎng)(10 GbE)高速輸出發(fā)送至計(jì)算機(jī),由HASHPIPE4https://casper.ssl.berkeley.edu/wiki/HASHPIPE(High Availability SHared PIPeline Engine)多線程處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收,以甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量數(shù)據(jù)交換格式[8](Very Long Baseline Interferometry (VLBI) Data Interchange Format,VDIF)存儲(chǔ)在由高速固態(tài)硬盤(pán)組成的磁盤(pán)陣列中,最后根據(jù)存儲(chǔ)要求對(duì)VDIF格式的基帶數(shù)據(jù)文件提取所需的幀頭信息和數(shù)據(jù)信息,并轉(zhuǎn)存為最終的雷達(dá)天文數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式.

圖1 雷達(dá)天文信號(hào)采集與記錄系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle block diagram of radar astronomical signal acquisition and recording system

2.1 SNAP硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

SNAP是由美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)和加州大學(xué)伯克利分校的多位研發(fā)者為HERA(Hydrogen Epoch of Reionization Array)干涉陣列而開(kāi)發(fā)的,硬件實(shí)物如圖2所示.相比于上一代的ROACH-2(Reconfigurable Open Architecture Computing Hardware 2)系統(tǒng),SNAP實(shí)驗(yàn)板性價(jià)比更高,設(shè)計(jì)更為靈活,可拓展性更強(qiáng),外觀更為小巧.配備了高性能Xilinx Virtex 7 FPGA處理芯片,3個(gè)板載HMCAD1511數(shù)字化采集芯片,高度可編程、高穩(wěn)定度和低噪聲寬帶頻率綜合器,2個(gè)10 GbE萬(wàn)兆以太網(wǎng)網(wǎng)口,樹(shù)莓派接口及相關(guān)外圍電路,整體上實(shí)現(xiàn)了數(shù)字后端數(shù)據(jù)的高速采集、實(shí)時(shí)傳輸和記錄存儲(chǔ).

圖2 SNAP硬件實(shí)物圖Fig.2 SNAP hardware physical picture

2.2 FPGA固件設(shè)計(jì)

目前,CASPER支持多個(gè)FPGA硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái),為射電天文領(lǐng)域提供了開(kāi)源共享的軟硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)教程,旨在簡(jiǎn)化FPGA編程,降低終端設(shè)計(jì)的難度和成本,使科研人員可以快速、高效地設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)所需的硬件終端系統(tǒng).

因此本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)使用SNAP實(shí)驗(yàn)板時(shí),借助于CASPER開(kāi)發(fā)工具流無(wú)需編寫(xiě)復(fù)雜的FPGA程序代碼,只需要結(jié)合圖形化的設(shè)計(jì)流程,通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊拖拽為系統(tǒng)搭建直觀、可視化的仿真模型,如圖3所示.利用SNAP板載的2塊ADC芯片采集由前端輸出的兩路模擬數(shù)據(jù),為方便FPGA高速并行的處理數(shù)據(jù),ADC采用4分頻模式進(jìn)行4路交叉采集,處理輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)由PFB多相濾波后,通過(guò)總線合并將4路8 bit位寬的信號(hào)整合成一路32 bit位寬的總線信號(hào),實(shí)現(xiàn)打包后萬(wàn)兆以太網(wǎng)的高效輸出,最后使用簡(jiǎn)單的命令對(duì)仿真模型實(shí)現(xiàn)一鍵式編譯,生成FPGA可識(shí)別的比特流文件,同時(shí)將其轉(zhuǎn)換成操作系統(tǒng)可執(zhí)行的fpg文件.通過(guò)腳本程序?qū)pg編譯文件加載至SNAP實(shí)驗(yàn)板對(duì)FPGA進(jìn)行編程[9],完成系統(tǒng)的初始化并開(kāi)始接收和處理數(shù)據(jù),同時(shí)GPS (Global Positioning System)所產(chǎn)生的1PPS (Pulse Per Second)信號(hào)貫穿于整個(gè)系統(tǒng),為ADC信號(hào)采集和FPGA預(yù)處理提供嚴(yán)格的時(shí)間同步[10],也為時(shí)間戳中的微秒計(jì)數(shù)器提供觸發(fā)信號(hào),確保了數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的有效性.

圖3 FPGA仿真編譯圖Fig.3 FPGA simulation compilation diagram

2.3 多線程高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件設(shè)計(jì)

為滿足萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)下高速數(shù)據(jù)包的傳輸、處理和存儲(chǔ),本系統(tǒng)基于HASHPIPE多線程管理引擎進(jìn)行設(shè)計(jì).作為脈沖星終端設(shè)備(GUPPI)的衍生版本,HASHPIPE由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的David Macmahon和JeffCobb編寫(xiě)5https://casper.ssl.berkeley.edu/wiki/images/2/2b/FAST-Hashpipe-Pipeline.pdf,該軟件通過(guò)開(kāi)辟內(nèi)存緩沖區(qū),提供多個(gè)線程和緩存之間的通訊接口,根據(jù)設(shè)計(jì)需求選擇使用相應(yīng)的線程接口,從而有效避免數(shù)據(jù)的擁堵、溢出和丟失[11].基于HASHPIPE的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件工作流程如圖4所示,采用多線程工作模式接收和處理數(shù)據(jù),線程之間通過(guò)共享內(nèi)存緩沖區(qū)來(lái)傳輸數(shù)據(jù),通過(guò)查詢緩沖區(qū)狀態(tài)標(biāo)識(shí)來(lái)執(zhí)行相應(yīng)操作6https://github.com/SparkePei/demo1hashpipe,中央處理器(CPU)控制和執(zhí)行線程,其中網(wǎng)絡(luò)線程snap-net-thread.c負(fù)責(zé)接收萬(wàn)兆以太網(wǎng)輸出的UDP數(shù)據(jù)包,對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包提取頭文件和數(shù)據(jù)信息,并將數(shù)據(jù)部分存儲(chǔ)在輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū),隨后經(jīng)過(guò)一定處理后的數(shù)據(jù)存入輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū),最后輸出線程snap-output-thread.c將已經(jīng)寫(xiě)滿的輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)以VDIF格式實(shí)時(shí)存儲(chǔ)于磁盤(pán)陣列.

圖4 基于HASHPIPE的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件運(yùn)行流程圖Fig.4 Data storage software running flowcharts based on HASHPIPE

3 存儲(chǔ)格式

3.1 VDIF數(shù)據(jù)格式

在萬(wàn)兆以太網(wǎng)絡(luò)下輸出的高速數(shù)據(jù)包,由HASHPIPE軟件接收存儲(chǔ)為VDIF格式.VDIF作為目前國(guó)際上VLBI領(lǐng)域使用最普遍的基帶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式[12],有其固定的存儲(chǔ)規(guī)則,數(shù)據(jù)幀存儲(chǔ)格式如圖5所示.每一幀數(shù)據(jù)由幀頭信息和基帶數(shù)據(jù)兩部分組成,幀頭部分共32個(gè)字節(jié),包含基本的校驗(yàn)碼、同步標(biāo)志、時(shí)間信息、配置參數(shù)等觀測(cè)信息,數(shù)據(jù)部分為量化位數(shù)8 bit的二進(jìn)制基帶數(shù)據(jù)共計(jì)8192個(gè)字節(jié).

圖5 VDIF數(shù)據(jù)幀頭格式Fig.5 VDIF data frame header format

3.2 VDIF格式轉(zhuǎn)存為雷達(dá)天文格式

通常在雷達(dá)天文課題研究中,雷達(dá)向天體發(fā)射信號(hào)的時(shí)間較為短暫(一般在1 h以內(nèi)),反射的回波信號(hào)也需要在較短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)天線進(jìn)行接收、處理和存儲(chǔ).而當(dāng)前采集的兩路回波信號(hào)在雙通道模式下,采樣頻率512 MHz、量化位數(shù)8 bit,采樣后總的數(shù)字基帶數(shù)據(jù)為8 Gbps,對(duì)應(yīng)兩路萬(wàn)兆網(wǎng)口每個(gè)通道每秒接收的數(shù)據(jù)量高達(dá)4 Gb.

雷達(dá)天文的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式是基于MarK5B[13]的格式設(shè)計(jì),但又在此基礎(chǔ)上根據(jù)自己的存儲(chǔ)需求調(diào)整了格式定義,增加了存儲(chǔ)內(nèi)容,并要求數(shù)據(jù)量化位數(shù)16 bit,兩通道交織存儲(chǔ),因此在這種雙通道、高實(shí)時(shí)、高速度和高精度的觀測(cè)需求下,產(chǎn)生的海量回波數(shù)據(jù)在數(shù)字后端將進(jìn)行實(shí)時(shí)接收、解析、處理并轉(zhuǎn)存為雷達(dá)天文格式,最后通過(guò)萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)輸出存儲(chǔ)于磁盤(pán)整列.這無(wú)論是對(duì)硬件終端還是軟件數(shù)據(jù)處理都提出了較高的性能要求.考慮到目前針對(duì)觀測(cè)采集雷達(dá)天文數(shù)據(jù)進(jìn)行格式存儲(chǔ)的系統(tǒng)并不能滿足如此龐大的數(shù)據(jù)吞吐量,而本設(shè)計(jì)采用的SNAP硬件實(shí)驗(yàn)板中主控芯片F(xiàn)PGA已有的固件程序所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)均為2的指數(shù)冪次,所以根據(jù)已有的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和存儲(chǔ)條件,為方便快速地存儲(chǔ)數(shù)據(jù),我們選用使用較為成熟的VDIF格式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)繼而轉(zhuǎn)存為雷達(dá)天文數(shù)據(jù)格式.

3.3 雷達(dá)天文格式

雷達(dá)天文數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式如圖6所示,由64字節(jié)公共包頭和若干個(gè)10016字節(jié)的回波字段組成,其中公共包頭包含有同步標(biāo)志、版本號(hào)、設(shè)備標(biāo)識(shí)、通道數(shù)、極化方式、中心頻率、采樣頻率和量化位數(shù)等必要的觀測(cè)信息,作為一個(gè)文件存儲(chǔ)的開(kāi)始,公共包頭用以區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)包內(nèi)容,由可識(shí)別性較高的字符串組成[14].

圖6 雷達(dá)天文數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式Fig.6 Radar astronomical data storage format

如圖7所示,回波字段中每一幀數(shù)據(jù)由固定大小的小包頭和緊隨其后的基帶數(shù)據(jù)組成,小包頭由同步標(biāo)志、幀計(jì)數(shù)和起始UTC (Universal Time Coordinated)時(shí)間信息組成,能夠有效地保證數(shù)據(jù)的時(shí)效性和安全性.數(shù)據(jù)部分為二進(jìn)制的數(shù)字基帶數(shù)據(jù),每幀2500個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)量化位數(shù)為32位,讀取VDIF格式下存儲(chǔ)的A、B兩通道數(shù)據(jù)進(jìn)行交織存儲(chǔ),兩通道各占16位,每個(gè)采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)從低到高順序排列,A通道數(shù)據(jù)高16位,B通道數(shù)據(jù)低16位,組成拼接為一個(gè)32位的數(shù)據(jù)點(diǎn).

圖7 雷達(dá)天文回波字段幀格式Fig.7 Radar astronomical echo fields frame format

4 脈沖星數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室完成了給定10 MHz點(diǎn)頻信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ),對(duì)結(jié)果驗(yàn)證可行后,在南山站對(duì)脈沖星進(jìn)行了試觀測(cè),實(shí)現(xiàn)了真實(shí)脈沖星數(shù)據(jù)的接收采集、傳輸處理和實(shí)時(shí)存儲(chǔ).

啟用雷達(dá)天文數(shù)字終端采集系統(tǒng),在SNAP硬件模塊采集接收和處理從模擬前端輸出的脈沖星信號(hào),經(jīng)由萬(wàn)兆以太網(wǎng)輸出,HASHPIPE運(yùn)行snap-init.sh初始化程序,開(kāi)始接收存儲(chǔ)從FPGA輸出的數(shù)據(jù)包.如表1所示,數(shù)據(jù)包根據(jù)接收程序所設(shè)置的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)(所有參數(shù)均可根據(jù)需求進(jìn)行修改),其中每幀數(shù)據(jù)8224字節(jié),幀頭部分32字節(jié),數(shù)據(jù)部分8192字節(jié).輸入輸出塊作為文件存儲(chǔ)的最小單位,與緩沖區(qū)同步變化,當(dāng)緩沖區(qū)每接收滿20480個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí),文件存儲(chǔ)20480個(gè)數(shù)據(jù)包,同時(shí)輸入輸出塊遞增加1,且由0累加至19如此反復(fù).當(dāng)其循環(huán)5次累加至100時(shí),一個(gè)以VDIF數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)的文件生成,文件所占存儲(chǔ)容量100× 20480× 8224約為16 GB,用時(shí)32.768 s.文件命名形式為snap-input0-年-月-日-時(shí)-分-秒.vdif/snap-input1-年-月-日-時(shí)-分-秒.vdif (對(duì)應(yīng)兩路基帶數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)).當(dāng)前文件存儲(chǔ)結(jié)束時(shí),程序會(huì)再以此流程自動(dòng)新建文件繼續(xù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù),直至數(shù)據(jù)記錄結(jié)束,所有文件均已存儲(chǔ)于磁盤(pán)中.

表1 VDIF格式文件存儲(chǔ)相關(guān)參數(shù)設(shè)置Table 1 The VDIF format file storage parameter_settings

為方便用戶清楚地掌握當(dāng)前數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)時(shí)線程的運(yùn)行情況,線程在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)將當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)送至狀態(tài)緩沖區(qū),打開(kāi)新的終端運(yùn)行hashpipe-status-monitor.rb查看狀態(tài)監(jiān)視界面,此時(shí)可隨時(shí)任意切換所運(yùn)行的各線程,如圖8–9所示,界面會(huì)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前線程運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)包接收、緩沖區(qū)存儲(chǔ)大小、丟包率和存儲(chǔ)等詳細(xì)的動(dòng)態(tài)變化.

圖8 線程0數(shù)據(jù)存儲(chǔ)狀態(tài)監(jiān)視界面Fig.8 Thread 0 storage state monitoring interface

圖9 線程1數(shù)據(jù)存儲(chǔ)狀態(tài)監(jiān)視界面Fig.9 Thread 1 storage state monitoring interface

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)所需的精準(zhǔn)授時(shí)是至關(guān)重要的,它是檢測(cè)數(shù)據(jù)完整性的必要保證,本系統(tǒng)利用本地氫鐘提供的10 MHz信號(hào)的穩(wěn)定性和GPS秒脈沖信號(hào)的無(wú)累積誤差特性[15],實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖星基帶數(shù)據(jù)采集記錄時(shí)的準(zhǔn)確時(shí)間戳標(biāo)記.基于VDIF格式和雷達(dá)天文格式的數(shù)據(jù)采集對(duì)時(shí)間戳的精度要求達(dá)到微秒,因此時(shí)間信息采取整秒采集和微秒計(jì)算.

初始化接收采集脈沖星數(shù)據(jù)的同時(shí),UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter)接口向系統(tǒng)發(fā)送GPS采集模塊獲得的UTC時(shí)間信息,通過(guò)解析得到整秒信息.如圖10所示,微秒時(shí)間則需要利用GPS秒脈沖信號(hào)和FPGA的時(shí)鐘周期計(jì)算得出,由于ADC采樣頻率為512 MHz,對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行4路并行時(shí)間采樣,因此FPGA的工作頻率為采樣頻率的4分頻頻率即128 MHz,時(shí)鐘周期為1/128 MHz,由于萬(wàn)兆以太網(wǎng)的發(fā)送帶寬為64 bit,兩個(gè)時(shí)鐘周期的數(shù)據(jù)才能組成64 bit的數(shù)據(jù)流,因此發(fā)送一幀8192個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),需要8192/(64/8)×2=2048個(gè)時(shí)鐘周期即16μs的時(shí)間,則每秒發(fā)送62500幀數(shù)據(jù).已知GPS產(chǎn)生的秒脈沖信號(hào)是周期為1 s的方波,它的上升沿與UTC時(shí)間的秒變化嚴(yán)格同步,采用邊沿檢測(cè)對(duì)上升沿進(jìn)行判斷,當(dāng)秒脈沖的上升沿到達(dá),開(kāi)始觸發(fā)微秒計(jì)數(shù)器清零并重啟計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù),每發(fā)送一幀時(shí)間累加16μs,幀計(jì)數(shù)累加一個(gè),當(dāng)微秒計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到1 s時(shí),整秒計(jì)數(shù)器進(jìn)位加一,微秒計(jì)數(shù)器復(fù)位重新計(jì)數(shù),直到下一個(gè)秒脈沖信號(hào)的上升沿到來(lái),如此反復(fù),得到數(shù)據(jù)的微秒時(shí)間信息.

圖10 時(shí)間戳標(biāo)記Fig.10 Timestamp marking

當(dāng)脈沖星信號(hào)到達(dá),數(shù)字后端開(kāi)始采集到數(shù)據(jù)時(shí),當(dāng)前的UTC時(shí)間值和微秒時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值會(huì)組合輸出,作為每幀數(shù)據(jù)的起始時(shí)間戳標(biāo)記寫(xiě)入幀頭的相應(yīng)位置.在后期對(duì)數(shù)據(jù)的讀取過(guò)程中,時(shí)間戳也是檢測(cè)數(shù)據(jù)是否丟失的完整性依據(jù).

存儲(chǔ)好的VDIF格式脈沖星數(shù)據(jù)將轉(zhuǎn)存為雷達(dá)天文數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式,由于VDIF格式下存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量化位數(shù)均為8 bit,因此在交織轉(zhuǎn)存前,最為重要的一步就是轉(zhuǎn)換量化位數(shù),滿足雷達(dá)天文要求的高精度位數(shù),將A、B兩通道的數(shù)據(jù)部分交叉讀取,且每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)由8 bit量化為16 bit后存入一個(gè)已經(jīng)分配好內(nèi)存的緩沖區(qū),再將數(shù)據(jù)內(nèi)容重新組幀.如圖11所示,數(shù)據(jù)幀重組時(shí),需要提取VDIF格式文件的脈沖星基帶數(shù)據(jù)信息和幀頭內(nèi)的時(shí)間信息.由于VDIF格式中接收每幀8192個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)所需時(shí)間為16μs,而雷達(dá)天文格式下的數(shù)據(jù)部分為2500個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),經(jīng)計(jì)算當(dāng)前每幀數(shù)據(jù)所用時(shí)間大約接近5μs(設(shè)置為常數(shù)C).每存一幀,幀計(jì)數(shù)累計(jì)加1,首幀時(shí)間信息對(duì)應(yīng)VDIF格式下數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的首幀時(shí)間,之后的每幀時(shí)間信息在前一幀基礎(chǔ)上加C,直至轉(zhuǎn)存結(jié)束.除此之外,對(duì)于一些無(wú)法從原數(shù)據(jù)幀中獲得的信息,則需要根據(jù)給定內(nèi)容填入相應(yīng)需求的信息,以免后續(xù)處理讀取數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤.

圖11 雷達(dá)天文數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)存計(jì)算Fig.11 Radar astronomical data format transfer calculation

5 結(jié)果驗(yàn)證

為確保數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)存過(guò)程中不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)丟失和出錯(cuò)等意外情況,需要對(duì)最終的雷達(dá)天文格式數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,通過(guò)對(duì)時(shí)間信息和時(shí)域、頻域的圖形對(duì)比檢驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存后的完整性.

我們使用脈沖星J0332+5434的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)雷達(dá)天文格式的轉(zhuǎn)存結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,觀測(cè)數(shù)據(jù)信息為雙極化、帶寬為256 MHz、中心頻率為1458 MHz、單通道模式、8 bit采樣,利用VLBI處理軟件DiFX (Distributed FX Software Correlator)對(duì)采集到的VDIF格式的脈沖星觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到J0332+5434清晰的脈沖星輪廓如圖12所示.隨后又對(duì)同一時(shí)間采集存儲(chǔ)的兩路VDIF格式數(shù)據(jù)進(jìn)行了自相關(guān)成圖,如圖13所示.選取兩路VDIF格式的脈沖星數(shù)據(jù)文件,截取前5 s數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)存,共62500幀× 5 s× 8192=2560000000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),其中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)8 bit,每幀數(shù)據(jù)傳輸用時(shí)16μs,共312500幀數(shù)據(jù),交織轉(zhuǎn)存后同樣的數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)雷達(dá)天文格式的2560000000/2500數(shù)據(jù)點(diǎn)=1024000幀數(shù)據(jù),每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)32 bit,每幀用時(shí)約5μs,通過(guò)讀取3個(gè)文件中每幀數(shù)據(jù)幀頭的時(shí)間信息,驗(yàn)證對(duì)比后確定了轉(zhuǎn)存前后的總用時(shí)和總數(shù)據(jù)量保持一致,數(shù)據(jù)沒(méi)有出現(xiàn)丟幀的情況,如圖14所示.

圖12 J0332+5434輪廓圖Fig.12 J0332+5434 profile

圖13 雙通道基帶數(shù)據(jù)的自相關(guān)頻譜Fig.13 Autocorrelation spectrum of baseband data

圖14 時(shí)間信息對(duì)比Fig.14 Time information comparison

對(duì)10 MHz點(diǎn)頻信號(hào)進(jìn)行采集存儲(chǔ),并將兩路VDIF格式和轉(zhuǎn)存后的雷達(dá)天文格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域?qū)Ρ?結(jié)果如圖15–16所示.藍(lán)色曲線Radar-astr adc1/adc1代表交叉轉(zhuǎn)存后提取出的原始ADC1通道的數(shù)據(jù)圖,紅色曲線ADC1代表VDIF格式下的單通道數(shù)據(jù)圖,對(duì)兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行各自的時(shí)域和頻域的對(duì)比,經(jīng)過(guò)驗(yàn)證(每張圖的第3個(gè)大圖)發(fā)現(xiàn)圖形一致,證明了轉(zhuǎn)存后數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性,同理,對(duì)比驗(yàn)證Radar-astr adc0/adc0與ADC0所對(duì)應(yīng)的圖形也均保持一致.

圖15 10 MHz點(diǎn)頻信號(hào)時(shí)域?qū)Ρ菷ig.15 Point frequency signal time domain of 10 MHz

圖16 10 MHz點(diǎn)頻信號(hào)頻域?qū)Ρ菷ig.16 Point frequency signal frequency domain of 10 MHz

圖17–18則是利用南山26 m射電望遠(yuǎn)鏡在L波段采集到的脈沖星數(shù)據(jù),進(jìn)行時(shí)域和頻域轉(zhuǎn)存前后的圖形對(duì)比,同樣對(duì)應(yīng)曲線一致.最終驗(yàn)證了該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、傳輸處理和高速存儲(chǔ)方面的可行性.

圖17 脈沖星信號(hào)時(shí)域?qū)Ρ菷ig.17 Pulsar signal time domain comparison

圖18 脈沖星信號(hào)頻域?qū)Ρ菷ig.18 Pulsar signal frequency domain comparison

6 總結(jié)

雷達(dá)天文數(shù)字基帶采集與記錄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā),為雷達(dá)天文的相關(guān)科學(xué)研究提供了必備的觀測(cè)平臺(tái),從而促進(jìn)了國(guó)內(nèi)雷達(dá)領(lǐng)域與天文研究的合作,為未來(lái)雷達(dá)天文技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ).

通過(guò)上文可知,該系統(tǒng)已成功采集存儲(chǔ)了實(shí)驗(yàn)室點(diǎn)頻信號(hào)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和脈沖星觀測(cè)得到的真實(shí)數(shù)據(jù),經(jīng)測(cè)試結(jié)果表明,該系統(tǒng)工作穩(wěn)定,能夠按要求格式存儲(chǔ)射電望遠(yuǎn)鏡接收到的信號(hào),且能保證最終數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的有效性、完整性和準(zhǔn)確性,因此可以準(zhǔn)確和完整地采集雷達(dá)反射的電磁波信號(hào).