太陽(yáng)射電觀測(cè)對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)研究及空間天氣監(jiān)測(cè)有著重要意義,MUSER(Mingantu Spectral Radioheliograph),即明安圖射電頻譜日像儀是基于綜合孔徑成像原理構(gòu)建的太陽(yáng)射電觀測(cè)設(shè)備,在太陽(yáng)射電研究領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。相關(guān)器是MUSER系統(tǒng)的重要組成部分,是MUSER高速相關(guān)數(shù)據(jù)輸出的源頭。其性能的提升會(huì)帶來(lái)相應(yīng)的數(shù)據(jù)量的提升,在升級(jí)完成后其數(shù)據(jù)輸出速率可以達(dá)到約3GB/s。如此高的數(shù)據(jù)速率給數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和存儲(chǔ)都帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn),因而需要構(gòu)建相應(yīng)的高速相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理流水線來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單處理和數(shù)據(jù)縮減。GPU強(qiáng)大的運(yùn)算和并行處理的能力及多線程技術(shù)的發(fā)展,為uMUSER(Upgrade MUSER)高速相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理流水線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了理論及實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上,本文基于C/C++在Linux操作系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)了一個(gè)高速數(shù)據(jù)處理流水線設(shè)計(jì)框架uMUSER pipeline。該框架對(duì)pipeline結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抽象,對(duì)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行了弱化和封裝,并將Frame作為框架中數(shù)據(jù)處理的最小單元,可以有效的對(duì)同種及異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在uMUSER pipeline框架的基礎(chǔ)上本文實(shí)現(xiàn)了RFI檢測(cè)與帶寬綜合高速實(shí)時(shí)處理流水線,用于對(duì)uMUSER 8通道相關(guān)器高速相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)RFI(Radio Frequency Interference)的檢測(cè)及帶寬的綜合,有效做到了高速實(shí)時(shí)處理及相關(guān)數(shù)據(jù)的縮減。同時(shí),還基于uMUSER pipeline框架設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了離線MUSER數(shù)據(jù)解析流水線,有效提升了MUSER離線數(shù)據(jù)的解析處理效率。本課題以具體應(yīng)用為主,側(cè)重于uMUSER pipeline的工程實(shí)現(xiàn),uMUSER pipeline結(jié)合了多線程技術(shù)及GPU并行運(yùn)算的優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理,并提供了相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口,讓開(kāi)發(fā)人員可以有效的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。同時(shí),uMUSER pipeline框架具有良好的擴(kuò)展性,開(kāi)發(fā)人員可以借助框架有效實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的高速數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理流水線。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TP311.52
【部分圖文】：

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文4MUSER時(shí)首先就要理解其天線陣列及相關(guān)的陣列排布。MUSER的天線陣列由低頻陣和高頻陣兩個(gè)陣列組成，高頻陣由60面2米拋物面天線組成，觀測(cè)頻段為2-15GHz，低頻陣由40面4.5m拋物面天線組成，觀測(cè)頻段為0.4-2GHz。高頻陣的時(shí)間和空間分辨率分別為～200ms和1.4’’-10.3’’，低頻陣的時(shí)間和空間分辨率分別為25ms和10.3’’-51.6’’[13]。MUSER的天線陣列為三軸螺旋分布，其全景圖如圖1-1所示：圖1-1明安圖射電頻譜日像儀全景視圖在了解了MUSER的基本參數(shù)和陣列布局之后，在此以MUSER低頻陣系統(tǒng)為例對(duì)MUSER進(jìn)行介紹（MUSER低頻陣系統(tǒng)與高頻陣系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)相同）。在圖1-2給出了MUSER低頻陣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，由圖可以看到MUSER低頻陣系統(tǒng)可以分為三個(gè)部分：室外模擬接收機(jī)前端、室內(nèi)模擬接收機(jī)后端和數(shù)字相關(guān)接收與室內(nèi)監(jiān)控單元。室外模擬接收機(jī)前端部分負(fù)責(zé)將射電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)低噪放大后轉(zhuǎn)換為光信號(hào)經(jīng)光纖傳輸?shù)绞覂?nèi)接收機(jī)；室內(nèi)模擬接收機(jī)后端部分在收到室外模擬接收機(jī)前端傳送來(lái)的光信號(hào)后，信號(hào)由光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)調(diào)制和濾波后轉(zhuǎn)換為帶寬受限的中頻放大傳輸至數(shù)字相關(guān)接收與室內(nèi)監(jiān)控單元；數(shù)字相關(guān)接收與室內(nèi)監(jiān)控單元在模擬信號(hào)到來(lái)后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，而后經(jīng)多相濾波和頻率綜合后與另一路天線的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)相關(guān)，而后輸出相應(yīng)的相關(guān)功率譜數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)。同時(shí)，數(shù)字相關(guān)接收與室內(nèi)監(jiān)控單元可以通過(guò)監(jiān)控設(shè)施在室內(nèi)對(duì)相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行控制。

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文61.2研究?jī)?nèi)容及含義相關(guān)器是日像儀的關(guān)鍵設(shè)備之一，其實(shí)現(xiàn)了綜合孔徑技術(shù)中時(shí)域相關(guān)信號(hào)到空間頻域信號(hào)的轉(zhuǎn)變。同時(shí)，其具體的實(shí)現(xiàn)方式與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量和頻率分辨率有著直接的關(guān)系；其實(shí)現(xiàn)架構(gòu)有兩種：Lag相關(guān)器架構(gòu)和FX相關(guān)器架構(gòu)，MUSER相關(guān)器采用的是FX相關(guān)器架構(gòu)。圖1-2中數(shù)字相關(guān)接收與室內(nèi)監(jiān)控單元部分給出了MUSER相關(guān)器的基本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，指出其所能給出的頻率通道數(shù)為16，頻率分辨率為25MHz。MUSER相關(guān)器作為MUSER系統(tǒng)的核心部分，其性能的提升意味著MUSER整體性能的提升及觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的提升。為了進(jìn)一步提升MUSER性能，研究組內(nèi)決定對(duì)MUSER的相關(guān)器部分進(jìn)行升級(jí)改造，這也是本課題的來(lái)源所在。圖1-3給出了升級(jí)前后MUSER參數(shù)變化的詳細(xì)信息，由圖我們可以看到在升級(jí)后MUSER低頻陣天線通道數(shù)由原來(lái)的40路變?yōu)?2路，高頻陣天線輸入由原來(lái)的60路變?yōu)?8路；中心頻率通道數(shù)由原來(lái)的16個(gè)變?yōu)?12個(gè)；頻譜帶寬由原來(lái)25MHz變?yōu)?MHz，實(shí)際的科學(xué)數(shù)據(jù)帶寬可通過(guò)帶寬綜合的方式在4-25MHz范圍內(nèi)變動(dòng)；相關(guān)前數(shù)據(jù)量化bit由原來(lái)的2-bit變?yōu)?-bit，提升了觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量；同時(shí)，MUSER的觀測(cè)帶寬為0.4-15GHz，如此寬的觀測(cè)帶寬，難免會(huì)串入射頻干擾信號(hào)(RFI,RadioFrequencyInterference)，為有效提升觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，去除相應(yīng)的射頻干擾，MUSER在升級(jí)后增加了在線RFI的識(shí)別與去除功能。圖1-3uMUSER與MUSER參數(shù)比較與相關(guān)器性能提升隨之而來(lái)的是其數(shù)據(jù)量的提升，就當(dāng)前MUSER的性能而言，其低頻陣的數(shù)據(jù)量為0.03GB/s，每天（以8小時(shí)為每日觀測(cè)時(shí)間）可以產(chǎn)生～1TB

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文10圖如圖2-1所示。圖2-1源區(qū)嘗等效場(chǎng)分布及觀測(cè)位置示意在圖2-1中IT表示源區(qū)，即觀測(cè)者感興趣的觀測(cè)區(qū)域；其產(chǎn)生的場(chǎng)可以等效投射到距離觀測(cè)原點(diǎn)R的天球（距觀測(cè)原點(diǎn)半徑為R的等效球面）上，形成場(chǎng)等效場(chǎng)分布)(Rv；而后在距離觀測(cè)原點(diǎn)的r位置US處被觀測(cè)到。3.為進(jìn)一步簡(jiǎn)化，假設(shè)天球?yàn)橐焕硐肭蝮w且其內(nèi)部為真空。在這樣的假設(shè)條件下，惠更斯原理告訴我們其傳播子具有極其簡(jiǎn)便的形式。在上述簡(jiǎn)化條件下，式2-1可以表示為：dSrReRrEicrRvv2)()((2-2)在完成了源場(chǎng)信號(hào)假設(shè)及信號(hào)傳播模型的推導(dǎo)之后，就可以引入空間相干函數(shù)了。令)(1rEv、)(2rEv分別表示在位置1r和2r觀測(cè)到的場(chǎng)信號(hào)，定義)()(),(2*121rrVrrEEvvv為空間互相關(guān)函數(shù)，其中尖括號(hào)表示求期望，星號(hào)表示共軛。將式2-2代入其中可以得到：
【參考文獻(xiàn)】

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1 吳盛殷,南仁東;射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展和前景[J];天文學(xué)進(jìn)展;1998年03期

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1 鄒鵬良;太陽(yáng)射電頻譜儀（1.1-2.1GHz）模擬接收機(jī)研制[D];蘇州大學(xué);2014年

本文編號(hào)：2871516