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乌鲁木齐天文站建立脉冲星相干消色散观测系统

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天文研究与技术 2007年第1期4卷 72-78页

作者：刘立勇艾力.伊沙木丁张晋中国科学院国家天文台乌鲁木齐天文站

脉冲星发射的辐射信号经过星际介质到达观测天线的过程中,存在色散效应。该效应导致有一定带宽脉冲信号的不同频率成份到达天线时间有延迟,影响对脉冲星的观测。消色散技术是脉冲星观测的关键技术,它对脉冲星观测系统的灵敏度和观测精... 详细信息

脉冲星发射的辐射信号经过星际介质到达观测天线的过程中,存在色散效应。该效应导致有一定带宽脉冲信号的不同频率成份到达天线时间有延迟,影响对脉冲星的观测。消色散技术是脉冲星观测的关键技术,它对脉冲星观测系统的灵敏度和观测精度至关重要。脉冲星相干消色散过程是:通过对观测信号进行Nyquist采样,对采样数据做傅立叶变换,变换后的频域信号与星际介质Chirp函数乘积,然后再做逆傅立叶变换回时域,得到消色散后的时域信号。乌鲁木齐天文站依托现有的南山25m射电望远镜和VLBI记录终端MK5A系统,自行开发的相干消色散处理软件(Linux操作系统下C语言调用MPI库)和4节点机群系统,建立了脉冲星相干消色散观测系统。

关键词：天文仪器脉冲星相干消色散并行计算机群 MKSA

脉冲星信号相干消色散与非相干消色散的比较研究

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天文研究与技术 2019年第1期16卷 16-24页

作者：黄玉祥汪敏郝龙飞李志玄徐永华中国科学院云南天文台云南昆明650011 中国科学院大学北京100049

脉冲星信号在星际空间传播的过程中,由于星际介质的存在造成观测到的脉冲星信号发生色散,因此需要对接收的脉冲星信号进行消色散,以获得原始的脉冲星信号。目前,消色散方法主要分为两种:相干消色散和非相干消色散。相对来说相干消色散... 详细信息

脉冲星信号在星际空间传播的过程中,由于星际介质的存在造成观测到的脉冲星信号发生色散,因此需要对接收的脉冲星信号进行消色散,以获得原始的脉冲星信号。目前,消色散方法主要分为两种:相干消色散和非相干消色散。相对来说相干消色散效果彻底,算法较简单,而且能保留原始数据的时间分辨率,不过计算量较大,但是现在快速进步的计算机技术已经使计算量的问题得到很好的解决。为了精确了解两种消色散方法的区别,利用相关系数的方法定量地比较了相干消色散、非相干消色散两种方法的效果:在一定的频率值之下,前者得到消色散效果优于后者。同时确定两种消色散方法在效果相同时的观测频率。

关键词：脉冲星相干消色散非相干消色散

基于GPU的相干消色散脉冲星数据处理技术研究

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基于GPU的相干消色散脉冲星数据处理技术研究

作者：李浩中国科学院大学(中国科学院国家授时中心)

学位级别：硕士

脉冲星是快速自转的中子星,自转周期稳定,具有超高密度、超高压、超强磁场等极端物理条件,在传播过程中受到星际介质(Interstellar Medium,ISM)影响产生色散现象,导致接收到的脉冲轮廓展宽,需采用消色散技术对脉冲星数据进行处理。非相... 详细信息

脉冲星是快速自转的中子星,自转周期稳定,具有超高密度、超高压、超强磁场等极端物理条件,在传播过程中受到星际介质(Interstellar Medium,ISM)影响产生色散现象,导致接收到的脉冲轮廓展宽,需采用消色散技术对脉冲星数据进行处理。非相干消色散在时域进行,利用多通道滤波器组实现检波后消色散,相干消色散通过快速傅里叶变换,在频域将数字信号经过星际介质传输函数处理,实现整个通带内的色散消除,相比于非相干消色散,色散消除更彻底。随着对射电脉冲星研究的深入,宽带宽、超髙时间分辨率和频率分辨率的相干消色脉冲星数字终端成为新的发展趋势。相干消色散算法需进行大量的浮点运算,相比于非相干消色散,数据处理周期较长且实现难度大,对脉冲星观测以及数据处理能力提出了更高的要求。本文在此背景下研究并实现了一种基于图形处理器(Graphics Processing Unit,GPU),以高速共享内存和DSPSR(Digital Signal Processing Software for Pulsar)为数据处理核心的相干消色散基带数据处理技术,并对数据处理流程进行测试及性能分析。论文的具体研究内容及成果包括:第一,对相干消色散的原理以及脉冲星数据处理流程的实现进行研究分析,从海量基带数据处理需求出发,深入研究脉冲星数字信号处理程序包DSPSR的数据处理原理及开源软件PSRDADA(Processing Software for Pulsar Distributed Acquisition and Data Analysis)的高性能共享内存实现原理,在此基础上对相干消色散基带数据处理流程进行总体设计,为后续数据处理流程的实现奠定基础。第二,基于GPU的相干消色散脉冲星基带数据处理流程实现。利用高速共享内存进行软件实现,可支持最多两路极化基带数据输入,后续解码、消色散、折叠等数据处理流程采用DSPSR进行处理,并利用GPU加速技术对数据处理流程进行加速,支持PSRFITS格式输出。为验证本数据处理流程数据处理质量,对FAST观测PSR1939+2134和PSR 0534+2200所获得的基带数据进行处理,成功获得脉冲轮廓,与非相干消色散数据处理结果相比,色散消除更彻底,可以获得更精细的脉冲轮廓,且信噪比满足脉冲星计时等后续研究工作的要求。第三,针对相干消色散数据处理周期长、运算量大的特点,面向海量脉冲星观测数据处理需求,在图形处理器平台搭建数据处理流程,进行性能测试。实验分析相干消色散数据处理全流程加速效果的基础上,进一步对相干消色散主要算法快速傅里叶变换的加速比进行测试。在数据处理效率方面,首先对PSR1939+2134基带数据在GPU和CPU(Central Processing Unit)两种模式下的数据处理时间进行测试,实验结果表明,对8比特采样、观测时长21.4 s的双极化基带数据进行处理,所需时间约为124 s,相比CPU模式,加速比可达2.07。然后从相干消色散原理出发,比较两种模式下执行不同点数快速傅里叶变换所需的时间,分析GPU并行计算对相干消色散算法运算效率的提升效果。最后结合GPU硬件架构,对线程资源的合理分配进行讨论。

关键词：脉冲星相干消色散 DSPSR GPU PSRDADA

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脉冲星相干消色散与非相干消色散的比较研究

脉冲星相干消色散与非相干消色散的比较研究

作者：黄玉祥中国科学院大学(中国科学院云南天文台)

学位级别：硕士

自从1967年第一颗脉冲星被发现以来,其极端的物理状态和精准的周期信号一直是我们的关注的重点,而脉冲星的周期性信号是当前获取脉冲星的信息的唯一媒介。在经过星际介质到达我们的观测设备时,脉冲星信号会发生色散。要想获得脉冲星的... 详细信息

自从1967年第一颗脉冲星被发现以来,其极端的物理状态和精准的周期信号一直是我们的关注的重点,而脉冲星的周期性信号是当前获取脉冲星的信息的唯一媒介。在经过星际介质到达我们的观测设备时,脉冲星信号会发生色散。要想获得脉冲星的原始信号,必须对观测到的脉冲星信号进行消色散,这可以提高脉冲星计时精度。当前的消色散方法有两种:相干消色散和非相干消色散。非相干消色散是基于时间序列,用滤波器组分通道,平移单个通道对应的时域序列进行消色散;相干消色散在频域上,利用星际介质的传输函数实现整个观测通带内的消色散。从原理上讲,两种消色散方法各有优劣。目前,我们对这两种消色散方法有定性的认识:相干消色散效果彻底,算法较简单,消色散后的信号时间分辨率较高,但是消色散后的数据量大,计算耗时多;非相干消色散后的数据量小,计算耗时少,而算法较复杂,消色散不彻底,消色散后的信号时间分辨率低。在脉冲星天文领域,部分国内外学者,已经用某些脉冲星信号比较过这两种消色散方法,得到一些消色散效果比较结论。但是都没有系统的比较研究过。本文从计算耗时和消色散效果了两个方面比较这两种消色散方法。思路是用MATLAB程序先模拟色散的基带信号,而后实现两种消色散算法,最后有消色散后的信号的加色散之前的基带信号的相关系数比较两种方法的消色散效果。根据这些相关系数,在设定一定门限的条件下,确定两种方法消色散效果相同时的观测起始频率。本论文的结构是:第1章介绍理论背景和研究进展;第2章叙述研究所使用的理论、方法和工具;第3章进行数据处理和分析,得出研究结论;第4章将总结本研究的成果,展望下一阶段的研究计划。

关键词：脉冲星信号相干消色散非相干消色散定量比较

一种基于DSPSR和GPU的脉冲星相干消色散基带数据处理技术

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时间频率学报 2021年第3期44卷 204-214页

作者：李浩罗近涛潘之辰孙鹏飞姜金辰中国科学院国家授时中心西安710600 中国科学院大学北京100049 中国科学院精密导航定位与定时技术重点实验室西安710600 中国科学院国家天文台北京100101 北京大学北京100871

相比于非相干消色散,相干消色散具有色散消除更彻底、可保留原始数据相位、时间分辨率信息等优势,但同时具有运算量大、数据处理耗时长等问题。为实现脉冲星基带数据相干消色散处理,对数据处理流程进行加速,开发一种以DSPSR(digital sig... 详细信息

相比于非相干消色散,相干消色散具有色散消除更彻底、可保留原始数据相位、时间分辨率信息等优势,但同时具有运算量大、数据处理耗时长等问题。为实现脉冲星基带数据相干消色散处理,对数据处理流程进行加速,开发一种以DSPSR(digital signal processing software for pulsar)和GPU(graphics processing unit)为数据处理核心的脉冲星数据处理技术。利用高速共享内存实现对环形缓存区两路极化基带数据的读取,结合图形处理器高性能计算技术,使用DSPSR对基带数据进行相干消色散处理。数据处理结果表明,相比于多线程非相干消色散系统,此数据处理技术在数据处理速度方面具有更好的优越性,并可获得更精细的脉冲轮廓。

关键词：脉冲星相干消色散脉冲星数字信号处理程序包图形处理器脉冲星分布式采集和数据分析处理软件

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基于零拷贝的脉冲星GPU相干消色散算法

天文研究与技术 2021年第3期18卷 372-379页

作者：王博群张海龙王杰冶鑫晨王万琼李嘉张萌张亚州中国科学院新疆天文台新疆乌鲁木齐830011 中国科学院大学北京100049 中国科学院射电天文重点实验室江苏南京210008 国家天文科学数据中心北京100101

射电脉冲信号在传输过程中受到星际介质的影响,脉冲轮廓展宽变形,在研究过程中需要对信号进行消色散处理。设计并实现了基于零拷贝的脉冲星数据图形处理器(Graphic Processing Unit,GPU)相干消色散算法,采用设备内存映射以消除主机到设... 详细信息

射电脉冲信号在传输过程中受到星际介质的影响,脉冲轮廓展宽变形,在研究过程中需要对信号进行消色散处理。设计并实现了基于零拷贝的脉冲星数据图形处理器(Graphic Processing Unit,GPU)相干消色散算法,采用设备内存映射以消除主机到设备的拷贝开销,利用统一计算设备架构(Compute Unified Device Architecture,CUDA)的cuFFT库进行多批次傅里叶变换以提高离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)的效率,同时采用多线程实现了传递函数的加速计算。实验结果表明,与传统中央处理器及图形处理器算法相比,本文的算法在数据量大时表现良好。

关键词：零拷贝相干消色散图形处理器统一计算设备架构 cuFFT

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基于CUDA的相干消色散算法实现与测试

科学技术与工程 2010年第8期10卷 1947-1950页

作者：刘东亮 Paul Demorest 南仁东中国科学院国家天文台北京100021 中国科学院研究生院北京100086 美国国立射电天文台(NRAO)

针对NVIDIA GeForce8800GTX与Intel Core2Quad Q6600运算平台,比较和测试了在CUFFTlibrary(version1.1)和FFTW(MKL version10.2)下GPU与CPU的运行响应差异,得出在快速傅里叶变换运算中,GPU的运算性能较之CPU有10倍以上的优势,从而进一步对相干消色散算法进行了移植,引入CHIRP函数,并在CUDA平台中进行性能测试,最后给出GPU相干消色散系统的性能测试。

关键词：相干消色散 CUDA 快速傅里叶变换 CHIRP函数

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基于计算机集群的脉冲星相干消色散系统研究

科学技术与工程 2009年第13期9卷 3612-3615,3620页

作者：刘建伟金乘进中国科学院国家天文台北京100021 中国科学院研究生院北京100086

来自脉冲星的射电辐射在传播过程中会与星际间介质中的自由电子相互作用,发生色散现象。脉冲星相干消色散就是通过计算,将采样后的脉冲星信号进行快速傅里叶(FFT)变换,在频域同chirp函数相乘,从而实现消色散的过程。介绍了基于计算机集... 详细信息

来自脉冲星的射电辐射在传播过程中会与星际间介质中的自由电子相互作用,发生色散现象。脉冲星相干消色散就是通过计算,将采样后的脉冲星信号进行快速傅里叶(FFT)变换,在频域同chirp函数相乘,从而实现消色散的过程。介绍了基于计算机集群的相干消色散的原理以及数据计算流程,同时分析了计算过程中参数的选取及其与集群性能的关系,并对于脉冲星相干消色散集群系统的发展进行了介绍。

关键词：脉冲星相干消色散集群 FFT

基于MARK5B+DSPSR的基带数字脉冲星观测系统

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天文研究与技术 2013年第4期10卷 352-358页

作者：徐永华罗近涛李志玄郝龙飞汪敏董江中国科学院云南天文台射电天文组团云南昆明650011 中国科学院天体结构与演化重点实验室云南昆明650011 Joint Institute for VLBI in Europe 中国科学院上海天文台上海200030

云南天文台射电天文研究团组采用40 m射电望远镜以及数字基带转换器(Digital Base Band Conveter,DBBC)数据采集终端、Mark5B记录系统和DSPSR(The Digital Signal Processing for Pulsars)软件包实现对脉冲星观测数据的相干消色散处理... 详细信息

云南天文台射电天文研究团组采用40 m射电望远镜以及数字基带转换器(Digital Base Band Conveter,DBBC)数据采集终端、Mark5B记录系统和DSPSR(The Digital Signal Processing for Pulsars)软件包实现对脉冲星观测数据的相干消色散处理的脉冲星观测系统。该系统对PSR J0835-4510和PSR J0332+5434进行观测,采用DSPSR软件包对脉冲星观测处理,还可以生成PSRFITS格式的数据。观测频段选用S波段右旋圆极化信号,分别实现了2通道总带宽为4 MHz、4通道总带宽为16 MHz、8通道总带宽为128 MHz的观测和数据处理。构建以DSPSR为数据处理核心的脉冲星观测系统,比DBBC+Mark5B的观测系统在数据处理方法、运算效率和观测数据的通用性方面具有更好的优越性。

关键词：射电天文脉冲星PSRJ0835—4510 脉冲星PSRJ0332+5434 40m射电望远镜 DSPSR 相干消色散