本發(fā)明涉及一種快速射電暴觀測裝置、系統(tǒng)和方法，其適用于快速射電暴實時探測和相關(guān)科學(xué)研究。

背景技術(shù)：

快速射電暴(Fast Radio Burst，簡稱FRB)是近年來天文觀測中發(fā)現(xiàn)的一種未知的、神秘的、短促而明亮的射電脈沖。2007年，科學(xué)家在處理澳大利亞帕克斯64米射電望遠鏡存檔數(shù)據(jù)時首次發(fā)現(xiàn)，之后又發(fā)現(xiàn)了6次。隨后，在美國阿雷西伯天文臺觀測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了第7個案例。FRB的物理機制、在宇宙中的具體來源等尚屬未知，其成因目前是天文研究的熱點問題。近年來，許多天文學(xué)家紛紛對以往的觀測數(shù)據(jù)進行重復(fù)處理，并發(fā)現(xiàn)了許多FRB現(xiàn)象。2015年，在美國綠岸射電望遠鏡的存檔數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了第一顆從線極化中探測到的FRB 110523，具有里程碑式的意義，色散表明該FRB源離地球10～60億光年。2015-05-17至06-02，在美國阿雷西博射電望遠鏡觀測到FRB 121102的重復(fù)爆發(fā)，這是首次觀測到FRB的重復(fù)爆發(fā)，是FRB研究的重要進展，有助于研究FRB的起源和爆發(fā)機制。

FRB是一種持續(xù)時間極短(毫秒量級)、流量高(一般在幾百毫央至幾個央斯基之間)、具有偏振特性的射電爆發(fā)。FRB爆發(fā)的寬帶信號在宇宙空間傳播時受空間塵埃、自由電子等影響，頻率高的電磁波比頻率低的電磁波先到達地球，脈沖信號因此出現(xiàn)延展甚至消失的現(xiàn)象。這與脈沖星信號的空間色散現(xiàn)象基本相同，但其色散范圍更廣，可從幾十至數(shù)千cm^-3pc，由于色散量(簡稱DM)參數(shù)空間巨大，對于每個DM參數(shù)都要進行消色散處理和疑似樣本識別，DM值的粗略查找后還要針對疑似值進行精細計算，計算量巨大。當(dāng)前所搜尋到的FRB大多是從以往的存檔數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的，或是將數(shù)據(jù)先進行記錄，而后再進行離線處理，這種方式一方面浪費了存儲空間，另一方面還需要較長的時間進行數(shù)據(jù)處理，無法實現(xiàn)在線的實時監(jiān)測和多波段的跟蹤觀測，即一旦射電波段發(fā)現(xiàn)后可通知光學(xué)、紅外或其他波段進行迅速跟蹤觀測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，更好地開展FRB的實時搜尋研究和多波段跟蹤觀測，本發(fā)明提供了一種快速射電暴實時探測裝置、系統(tǒng)和方法。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明提供了一種快速射電暴實時探測裝置，包括：數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理單元、實時搜尋與存儲單元以及搜尋結(jié)果快速發(fā)布單元；其中，所述數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理單元對快速射電暴觀測信號進行采樣和預(yù)處理，得到快速射電暴觀測數(shù)據(jù)；所述實時搜尋與存儲單元對所述快速射電暴觀測數(shù)據(jù)進行實時處理，提取出快速射電暴候選體并將其存儲；所述搜尋結(jié)果快速發(fā)布單元將所述快速射電暴候選體對應(yīng)的信息對外發(fā)送，實現(xiàn)快速射電暴的實時搜尋、存儲與發(fā)布。

(三)有益效果

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明的快速射電暴實時探測裝置、系統(tǒng)及方法具有以下有益效果：

實時搜尋與存儲單元利用共享內(nèi)存緩沖區(qū)技術(shù)，通過數(shù)據(jù)在各模塊間進行共享實現(xiàn)了多任務(wù)并行處理，提高了處理速度，達到了快速射電暴實時搜尋的效果，并減小了數(shù)據(jù)存儲量，降低了設(shè)備成本；搜尋結(jié)果快速發(fā)布單元可將搜尋結(jié)果實時發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)，通知其他觀測望遠鏡進行快速多波段跟蹤觀測。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的快速射電暴實時探測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例的快速射電暴實時探測裝置的處理流程圖；

圖3為本發(fā)明實施例的快速射電暴實時探測裝置的實時搜尋與存儲單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例的快速射電暴實時探測方法的流程圖。

符號說明

1-射電望遠鏡；2-快速射電暴觀測信號；3-時頻參考信號；4-萬兆網(wǎng)絡(luò)；

10-數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理單元；

20-實時搜尋與存儲單元；

21-萬兆網(wǎng)絡(luò)端口；22-共享內(nèi)存緩沖區(qū)；23-緩沖區(qū)狀態(tài)標(biāo)識區(qū)；24-磁盤陣列；25-UDP數(shù)據(jù)包接收模塊；26-快速射電暴搜尋模塊；27-文件管理模塊；

30-搜尋結(jié)果快速發(fā)布單元。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種快速射電暴實時探測裝置、系統(tǒng)和方法，可對快速射電暴(FRB)進行實時探測，如觀測到FRB事件便對數(shù)據(jù)進行記錄，大大節(jié)省了磁盤存儲空間；同時，監(jiān)測到FRB事件后還可快速發(fā)布，通知其他觀測望遠鏡進行迅速跟蹤觀測。

本發(fā)明實施例提供了一種快速射電暴實時探測裝置，如圖1所示，其包括：數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理單元10、實時搜尋與存儲單元20、以及搜尋結(jié)果快速發(fā)布單元30。

其中，數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理單元10利用時頻參考信號3對快速射電暴觀測信號2進行采樣和預(yù)處理，得到快速射電暴觀測數(shù)據(jù)，實時搜尋與存儲單元20對快速射電暴觀測數(shù)據(jù)進行實時處理，提取出快速射電暴候選體，搜尋結(jié)果快速發(fā)布單元30將快速射電暴候選體對應(yīng)的信息對外發(fā)送，從而實現(xiàn)了快速射電暴的實時搜尋、存儲與發(fā)布。

數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理單元10可以基于FPGA平臺，包括：采樣模塊、多相濾波器、復(fù)數(shù)FFT變換模塊、相關(guān)計算模塊和數(shù)據(jù)打包發(fā)送模塊。

參見圖2，數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理單元10完成采樣、多相濾波通道劃分、復(fù)數(shù)FFT變換、相關(guān)計算和數(shù)據(jù)打包等操作，具體來說，數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理單元10接收從射電望遠鏡1傳輸來的快速射電暴觀測信號2，快速射電暴觀測信號2包括第一中頻信號和第二中頻信號，采樣模塊對快速射電暴觀測信號2進行采樣得到采樣數(shù)據(jù)。為消除FRB爆發(fā)的寬帶信號在傳輸至地球的過程中受星際介質(zhì)作用而造成的色散影響，這里將采樣后的時域信號首先變換至頻域，先將總帶寬為v的信號分成n個帶寬為Δv的子通道，然后再對每個子通道進行時延處理以消除色散。多相濾波器對采樣數(shù)據(jù)進行頻率通道劃分得到多通道采樣數(shù)據(jù)，復(fù)數(shù)FFT變換模塊對多通道采樣數(shù)據(jù)進行復(fù)數(shù)FFT變換，得到多通道頻域數(shù)據(jù)，為獲得快速射電暴的偏振信息，相關(guān)計算模塊對多通道頻域數(shù)據(jù)進行相關(guān)運算，得到快速射電暴觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)打包發(fā)送模塊將快速射電暴觀測數(shù)據(jù)打包為UDP數(shù)據(jù)包并發(fā)送給實時搜尋與存儲單元20。

實時搜尋與存儲單元20可以采用高性能計算機(HPC)，可對快速射電暴觀測數(shù)據(jù)進行實時獲取、候選體搜尋、保存和顯示等，實時搜尋與存儲單元20與數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理單元10之間通過萬兆網(wǎng)絡(luò)4進行連接，采用UDP協(xié)議進行高速數(shù)據(jù)傳輸。

實時搜尋與存儲單元20通過采用共享內(nèi)存緩沖區(qū)實現(xiàn)數(shù)據(jù)在各模塊間的共享，以達到數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)交換、實時計算和存儲的并行處理效果。

如圖3所示，實時搜尋與存儲單元20包含：UDP數(shù)據(jù)包接收模塊25、快速射電暴搜尋模塊26、文件管理模塊27和磁盤陣列24。UDP數(shù)據(jù)包接收模塊25接收數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理單元10發(fā)送的UDP數(shù)據(jù)包格式的快速射電暴觀測數(shù)據(jù)，快速射電暴搜尋模塊26對接收到的快速射電暴觀測數(shù)據(jù)進行實時計算，以從快速射電暴觀測數(shù)據(jù)中篩選出快速射電暴候選體，文件管理模塊27將包含快速射電暴候選體的快速射電暴觀測數(shù)據(jù)進行保存。

實時搜尋與存儲單元20在運行時，在內(nèi)存中開辟多個共享內(nèi)存緩沖區(qū)22和一緩沖區(qū)狀態(tài)標(biāo)識區(qū)23，緩沖區(qū)狀態(tài)標(biāo)識區(qū)23用于標(biāo)識各個共享內(nèi)存緩沖區(qū)的狀態(tài)。首先，在緩沖區(qū)狀態(tài)標(biāo)識區(qū)23中將各個共享內(nèi)存緩沖區(qū)的狀態(tài)設(shè)置為“空”；數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理單元10將數(shù)據(jù)傳輸至實時搜尋與存儲單元的萬兆網(wǎng)絡(luò)端口21后，UDP數(shù)據(jù)包接收模塊25接收UDP數(shù)據(jù)包格式的快速射電暴觀測數(shù)據(jù)，并將快速射電暴觀測數(shù)據(jù)寫入狀態(tài)為“空”的共享內(nèi)存緩沖區(qū)中，在緩沖區(qū)狀態(tài)標(biāo)識區(qū)23中將該被寫入快速射電暴觀測數(shù)據(jù)的共享內(nèi)存緩沖區(qū)的狀態(tài)由“空”設(shè)置為“待處理”；

快速射電暴搜尋模塊26對狀態(tài)為“待處理”的共享內(nèi)存緩沖區(qū)中的快速射電暴觀測數(shù)據(jù)進行實時處理，如果在快速射電暴觀測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)快速射電暴候選體，便將快速射電暴候選體對應(yīng)的共享內(nèi)存緩沖區(qū)的狀態(tài)由“待處理”標(biāo)識為“待保存”；文件管理模塊27將狀態(tài)為“待保存”的共享內(nèi)存緩沖區(qū)中的快速射電暴觀測數(shù)據(jù)寫入磁盤陣列24，寫入磁盤陣列24后將該共享內(nèi)存緩沖區(qū)的狀態(tài)由“待保存”設(shè)置為“空”；如果快速射電暴搜尋模塊26未在快速射電暴觀測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)快速射電暴候選體，便將未發(fā)現(xiàn)快速射電暴候選體的共享內(nèi)存緩沖區(qū)的狀態(tài)由“待處理”標(biāo)識為“空”，通過上述共享內(nèi)存緩沖區(qū)機制，提高了處理速度，實現(xiàn)了快速射電暴候選體的實時搜尋。

進一步地，由于快速射電暴搜尋模塊是計算負擔(dān)最大的模塊，實時搜尋與存儲單元20可以包含多個快速射電暴搜尋模塊26，多個快速射電暴搜尋模塊26并行對狀態(tài)為“待處理”的共享內(nèi)存緩沖區(qū)中的快速射電暴觀測數(shù)據(jù)進行實時處理，以進一步提高快速射電暴候選體的實時搜尋處理速度。上述架構(gòu)和過程已通過算法和搜尋策略優(yōu)化，提高了計算效率以達到實時處理的效果。HPC可以采用Intel Xeon E5-2630 V3 CPU處理核心、64G內(nèi)存、48TB存儲空間的高性能計算機，也可以采用其他計算設(shè)備或數(shù)據(jù)處理平臺。

參見圖2，快速射電暴搜尋模塊26完成斯托克斯參數(shù)計算、射頻干擾消除、消色散計算、匹配濾波和候選體提取等操作，最后輸出候選體數(shù)據(jù)以待保存。具體來說，快速射電暴搜尋模塊26包括斯托克斯參數(shù)計算子模塊、射頻干擾消除子模塊、消色散計算子模塊、匹配濾波器和候選體提取子模塊。首先，由斯托克斯參數(shù)計算子模塊計算快速射電暴觀測數(shù)據(jù)的斯托克斯參數(shù)，斯托克斯參數(shù)(I、Q、U、V)如下式(1)：

I：A_amp+B_amp，Q：A_amp-B_amp，U：2[AB_re]，V：2[AB_im] (1)

其中，A_amp為第一射頻信號的中頻自相關(guān)幅度，B_amp為第二射頻信號的中頻自相關(guān)幅度，AB_re為第一射頻信號和第二射頻信號的中頻互相關(guān)實部，AB_im為第一射頻信號和第二射頻信號的中頻互相關(guān)虛部。由于通信基站、雷達、衛(wèi)星和電子設(shè)備等會對射電頻段造成干擾，如不對干擾進行消除將影響信號的處理效果，所以接著射頻干擾消除子模塊在頻率域?qū)@些無線電干擾進行消除。然后消色散計算子模塊將快速射電暴觀測數(shù)據(jù)變換至?xí)r域進行消色散，由于FRB的色散量未知，可采用在一定的DM范圍Z內(nèi)、以n為間隔對每一個DM值都進行計算，而后對每一消色散值進行候選體查找的方法進行搜尋。由于FRB的脈沖寬度不同，需要對每一組消過色散的時域數(shù)據(jù)查找單脈沖信號，采用一個矩形濾波器形式的匹配濾波器，通過不斷變換匹配濾波器的矩形框的時間寬度獲得最佳脈沖寬度，當(dāng)矩形框正好包含全部脈沖輪廓時為最佳脈沖寬度，匹配濾波器將帶外數(shù)據(jù)濾除，只保留帶內(nèi)數(shù)據(jù)。匹配濾波器的時間寬度可以為2的指數(shù)以節(jié)省搜索時間，例如1ms、2ms、4ms、8ms、16ms、32ms、64ms、128ms等。最后候選體提取子模塊通過脈沖的信噪比來判斷是否為疑似樣本，設(shè)定一閾值，如脈沖的信噪比超過該閾值便將該條快速射電暴觀測數(shù)據(jù)標(biāo)識為快速射電暴候選體，并輸出以保存。該閾值可根據(jù)射電望遠鏡的電磁環(huán)境來設(shè)置。

搜尋結(jié)果快速發(fā)布單元30可以采用計算機，實時監(jiān)測搜尋狀態(tài)，其接收實時搜尋與存儲單元20保存的包含快速射電暴候選體的快速射電暴觀測數(shù)據(jù)，并計算快速射電暴觀測信號的到達時間和天區(qū)坐標(biāo)，并將到達時間和天區(qū)坐標(biāo)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至紅外望遠鏡、光學(xué)望遠鏡或其他波段望遠鏡，以便其他觀測望遠鏡進行迅速跟蹤觀測。

本發(fā)明實施例的快速射電暴實時探測裝置，可根據(jù)觀測需求設(shè)置觀測帶寬，最高可達2.5GHz，當(dāng)前觀測帶寬為500MHz，頻率通道數(shù)為512，時間分辨率為64.512微秒，譜分辨率為0.976MHz，DM搜尋范圍為0～2000cm^-3pc，搜尋脈寬可從1毫秒至數(shù)秒。所有參數(shù)都可根據(jù)實際需求進行調(diào)整。

由于從數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理單元輸出的數(shù)據(jù)速率極高，例如，對于雙路、512通道、64.512微秒積分、復(fù)數(shù)相關(guān)計算的情況，其輸出的數(shù)據(jù)速率為969Mbps，一天的記錄數(shù)據(jù)達到10TB，如此大的數(shù)據(jù)量如果采用傳統(tǒng)的離線處理的模式需要大容量的磁盤存儲陣列，增加了投入成本。而采用本發(fā)明的快速射電暴實時探測裝置，通過對數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理單元輸出的數(shù)據(jù)進行實時處理，僅對有效數(shù)據(jù)進行記錄，無用的數(shù)據(jù)便丟失，數(shù)據(jù)量壓縮至萬分之一以上，并可將搜尋結(jié)果實時反饋，有效降低了數(shù)據(jù)存儲量和設(shè)備成本。

將該快速射電暴實時探測裝置安裝于某26米射電望遠鏡系統(tǒng)中，采用L波段(RF：1400-1720MHz)進行了觀測實驗，對流量與脈寬都較接近的脈沖星B0329+54進行了跟蹤觀測，該源的流量為203mJy，脈沖寬度為6.6ms，與FRB信號較為相似。對持續(xù)時間為8.3秒的數(shù)據(jù)進行實時搜尋，記錄到了11次單脈沖，由于該源的周期為0.714秒，因此數(shù)據(jù)內(nèi)所有脈沖都進行了標(biāo)識，同時，搜尋到的色散量與該源的DM值(26.833cm^-3pc)也較為吻合。

本發(fā)明還提供了一種快速射電暴實時探測系統(tǒng)，其包括上述快速射電暴實時探測裝置以及與快速射電暴實時探測裝置相連的射電望遠鏡1。

參見圖4，本發(fā)明還提供了一種快速射電暴實時探測方法，其利用上述快速射電暴實時探測裝置，首先對快速射電暴觀測信號進行采樣和預(yù)處理，得到快速射電暴觀測數(shù)據(jù)；然后對快速射電暴觀測數(shù)據(jù)進行實時處理，提取出快速射電暴候選體；最后將快速射電暴候選體對應(yīng)的信息對外發(fā)送，從而實現(xiàn)了快速射電暴的實時搜尋、存儲與發(fā)布。

至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例進行了詳細描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對本發(fā)明的快速射電暴實時探測裝置、系統(tǒng)和方法有了清楚的認識。

本發(fā)明的快速射電暴實時探測裝置、系統(tǒng)和方法，實時搜尋與存儲單元利用共享內(nèi)存緩沖區(qū)技術(shù)，通過數(shù)據(jù)在各模塊間的共享實現(xiàn)了多任務(wù)并行處理，提高了處理速度，達到了快速射電暴實時搜尋的效果，并減小了數(shù)據(jù)存儲量，降低了設(shè)備成本；搜尋結(jié)果快速發(fā)布單元可將搜尋結(jié)果實時發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)，通知其他觀測望遠鏡進行快速多波段跟蹤觀測。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現(xiàn)方式，均為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件的定義并不僅限于實施例中提到的各種方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對其進行簡單地更改或替換，例如：

(1)實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來限制本發(fā)明的保護范圍；

(2)上述實施例可基于設(shè)計及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實施例混合搭配使用，即不同實施例中的技術(shù)特征可以自由組合形成更多的實施例。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。