一种快速射电暴实时探测装置、系统和方法与流程

本发明涉及一种快速射电暴观测装置、系统和方法，其适用于快速射电暴实时探测和相关科学研究。

背景技术：

快速射电暴(Fast Radio Burst，简称FRB)是近年来天文观测中发现的一种未知的、神秘的、短促而明亮的射电脉冲。2007年，科学家在处理澳大利亚帕克斯64米射电望远镜存档数据时首次发现，之后又发现了6次。随后，在美国阿雷西伯天文台观测数据中发现了第7个案例。FRB的物理机制、在宇宙中的具体来源等尚属未知，其成因目前是天文研究的热点问题。近年来，许多天文学家纷纷对以往的观测数据进行重复处理，并发现了许多FRB现象。2015年，在美国绿岸射电望远镜的存档数据中发现了第一颗从线极化中探测到的FRB 110523，具有里程碑式的意义，色散表明该FRB源离地球10～60亿光年。2015-05-17至06-02，在美国阿雷西博射电望远镜观测到FRB 121102的重复爆发，这是首次观测到FRB的重复爆发，是FRB研究的重要进展，有助于研究FRB的起源和爆发机制。

FRB是一种持续时间极短(毫秒量级)、流量高(一般在几百毫央至几个央斯基之间)、具有偏振特性的射电爆发。FRB爆发的宽带信号在宇宙空间传播时受空间尘埃、自由电子等影响，频率高的电磁波比频率低的电磁波先到达地球，脉冲信号因此出现延展甚至消失的现象。这与脉冲星信号的空间色散现象基本相同，但其色散范围更广，可从几十至数千cm^-3pc，由于色散量(简称DM)参数空间巨大，对于每个DM参数都要进行消色散处理和疑似样本识别，DM值的粗略查找后还要针对疑似值进行精细计算，计算量巨大。当前所搜寻到的FRB大多是从以往的存档数据中发现的，或是将数据先进行记录，而后再进行离线处理，这种方式一方面浪费了存储空间，另一方面还需要较长的时间进行数据处理，无法实现在线的实时监测和多波段的跟踪观测，即一旦射电波段发现后可通知光学、红外或其他波段进行迅速跟踪观测。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术问题，更好地开展FRB的实时搜寻研究和多波段跟踪观测，本发明提供了一种快速射电暴实时探测装置、系统和方法。

(二)技术方案

本发明提供了一种快速射电暴实时探测装置，包括：数据采集与预处理单元、实时搜寻与存储单元以及搜寻结果快速发布单元；其中，所述数据采集与预处理单元对快速射电暴观测信号进行采样和预处理，得到快速射电暴观测数据；所述实时搜寻与存储单元对所述快速射电暴观测数据进行实时处理，提取出快速射电暴候选体并将其存储；所述搜寻结果快速发布单元将所述快速射电暴候选体对应的信息对外发送，实现快速射电暴的实时搜寻、存储与发布。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的快速射电暴实时探测装置、系统及方法具有以下有益效果：

实时搜寻与存储单元利用共享内存缓冲区技术，通过数据在各模块间进行共享实现了多任务并行处理，提高了处理速度，达到了快速射电暴实时搜寻的效果，并减小了数据存储量，降低了设备成本；搜寻结果快速发布单元可将搜寻结果实时发布到网络，通知其他观测望远镜进行快速多波段跟踪观测。

附图说明

图1为本发明实施例的快速射电暴实时探测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的快速射电暴实时探测装置的处理流程图；

图3为本发明实施例的快速射电暴实时探测装置的实时搜寻与存储单元的结构示意图；

图4为本发明实施例的快速射电暴实时探测方法的流程图。

符号说明

1-射电望远镜；2-快速射电暴观测信号；3-时频参考信号；4-万兆网络；

10-数据采集与预处理单元；

20-实时搜寻与存储单元；

21-万兆网络端口；22-共享内存缓冲区；23-缓冲区状态标识区；24-磁盘阵列；25-UDP数据包接收模块；26-快速射电暴搜寻模块；27-文件管理模块；

30-搜寻结果快速发布单元。

具体实施方式

本发明提供了一种快速射电暴实时探测装置、系统和方法，可对快速射电暴(FRB)进行实时探测，如观测到FRB事件便对数据进行记录，大大节省了磁盘存储空间；同时，监测到FRB事件后还可快速发布，通知其他观测望远镜进行迅速跟踪观测。

本发明实施例提供了一种快速射电暴实时探测装置，如图1所示，其包括：数据采集与预处理单元10、实时搜寻与存储单元20、以及搜寻结果快速发布单元30。

其中，数据采集与预处理单元10利用时频参考信号3对快速射电暴观测信号2进行采样和预处理，得到快速射电暴观测数据，实时搜寻与存储单元20对快速射电暴观测数据进行实时处理，提取出快速射电暴候选体，搜寻结果快速发布单元30将快速射电暴候选体对应的信息对外发送，从而实现了快速射电暴的实时搜寻、存储与发布。

数据采集与预处理单元10可以基于FPGA平台，包括：采样模块、多相滤波器、复数FFT变换模块、相关计算模块和数据打包发送模块。

参见图2，数据采集与预处理单元10完成采样、多相滤波通道划分、复数FFT变换、相关计算和数据打包等操作，具体来说，数据采集与预处理单元10接收从射电望远镜1传输来的快速射电暴观测信号2，快速射电暴观测信号2包括第一中频信号和第二中频信号，采样模块对快速射电暴观测信号2进行采样得到采样数据。为消除FRB爆发的宽带信号在传输至地球的过程中受星际介质作用而造成的色散影响，这里将采样后的时域信号首先变换至频域，先将总带宽为v的信号分成n个带宽为Δv的子通道，然后再对每个子通道进行时延处理以消除色散。多相滤波器对采样数据进行频率通道划分得到多通道采样数据，复数FFT变换模块对多通道采样数据进行复数FFT变换，得到多通道频域数据，为获得快速射电暴的偏振信息，相关计算模块对多通道频域数据进行相关运算，得到快速射电暴观测数据，数据打包发送模块将快速射电暴观测数据打包为UDP数据包并发送给实时搜寻与存储单元20。

实时搜寻与存储单元20可以采用高性能计算机(HPC)，可对快速射电暴观测数据进行实时获取、候选体搜寻、保存和显示等，实时搜寻与存储单元20与数据采集与预处理单元10之间通过万兆网络4进行连接，采用UDP协议进行高速数据传输。

实时搜寻与存储单元20通过采用共享内存缓冲区实现数据在各模块间的共享，以达到数据采集、网络交换、实时计算和存储的并行处理效果。

如图3所示，实时搜寻与存储单元20包含：UDP数据包接收模块25、快速射电暴搜寻模块26、文件管理模块27和磁盘阵列24。UDP数据包接收模块25接收数据采集与预处理单元10发送的UDP数据包格式的快速射电暴观测数据，快速射电暴搜寻模块26对接收到的快速射电暴观测数据进行实时计算，以从快速射电暴观测数据中筛选出快速射电暴候选体，文件管理模块27将包含快速射电暴候选体的快速射电暴观测数据进行保存。

实时搜寻与存储单元20在运行时，在内存中开辟多个共享内存缓冲区22和一缓冲区状态标识区23，缓冲区状态标识区23用于标识各个共享内存缓冲区的状态。首先，在缓冲区状态标识区23中将各个共享内存缓冲区的状态设置为“空”；数据采集与预处理单元10将数据传输至实时搜寻与存储单元的万兆网络端口21后，UDP数据包接收模块25接收UDP数据包格式的快速射电暴观测数据，并将快速射电暴观测数据写入状态为“空”的共享内存缓冲区中，在缓冲区状态标识区23中将该被写入快速射电暴观测数据的共享内存缓冲区的状态由“空”设置为“待处理”；

快速射电暴搜寻模块26对状态为“待处理”的共享内存缓冲区中的快速射电暴观测数据进行实时处理，如果在快速射电暴观测数据中发现快速射电暴候选体，便将快速射电暴候选体对应的共享内存缓冲区的状态由“待处理”标识为“待保存”；文件管理模块27将状态为“待保存”的共享内存缓冲区中的快速射电暴观测数据写入磁盘阵列24，写入磁盘阵列24后将该共享内存缓冲区的状态由“待保存”设置为“空”；如果快速射电暴搜寻模块26未在快速射电暴观测数据中发现快速射电暴候选体，便将未发现快速射电暴候选体的共享内存缓冲区的状态由“待处理”标识为“空”，通过上述共享内存缓冲区机制，提高了处理速度，实现了快速射电暴候选体的实时搜寻。

进一步地，由于快速射电暴搜寻模块是计算负担最大的模块，实时搜寻与存储单元20可以包含多个快速射电暴搜寻模块26，多个快速射电暴搜寻模块26并行对状态为“待处理”的共享内存缓冲区中的快速射电暴观测数据进行实时处理，以进一步提高快速射电暴候选体的实时搜寻处理速度。上述架构和过程已通过算法和搜寻策略优化，提高了计算效率以达到实时处理的效果。HPC可以采用Intel Xeon E5-2630 V3 CPU处理核心、64G内存、48TB存储空间的高性能计算机，也可以采用其他计算设备或数据处理平台。

参见图2，快速射电暴搜寻模块26完成斯托克斯参数计算、射频干扰消除、消色散计算、匹配滤波和候选体提取等操作，最后输出候选体数据以待保存。具体来说，快速射电暴搜寻模块26包括斯托克斯参数计算子模块、射频干扰消除子模块、消色散计算子模块、匹配滤波器和候选体提取子模块。首先，由斯托克斯参数计算子模块计算快速射电暴观测数据的斯托克斯参数，斯托克斯参数(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为第一射频信号的中频自相关幅度，B_amp为第二射频信号的中频自相关幅度，AB_re为第一射频信号和第二射频信号的中频互相关实部，AB_im为第一射频信号和第二射频信号的中频互相关虚部。由于通信基站、雷达、卫星和电子设备等会对射电频段造成干扰，如不对干扰进行消除将影响信号的处理效果，所以接着射频干扰消除子模块在频率域对这些无线电干扰进行消除。然后消色散计算子模块将快速射电暴观测数据变换至时域进行消色散，由于FRB的色散量未知，可采用在一定的DM范围Z内、以n为间隔对每一个DM值都进行计算，而后对每一消色散值进行候选体查找的方法进行搜寻。由于FRB的脉冲宽度不同，需要对每一组消过色散的时域数据查找单脉冲信号，采用一个矩形滤波器形式的匹配滤波器，通过不断变换匹配滤波器的矩形框的时间宽度获得最佳脉冲宽度，当矩形框正好包含全部脉冲轮廓时为最佳脉冲宽度，匹配滤波器将带外数据滤除，只保留带内数据。匹配滤波器的时间宽度可以为2的指数以节省搜索时间，例如1ms、2ms、4ms、8ms、16ms、32ms、64ms、128ms等。最后候选体提取子模块通过脉冲的信噪比来判断是否为疑似样本，设定一阈值，如脉冲的信噪比超过该阈值便将该条快速射电暴观测数据标识为快速射电暴候选体，并输出以保存。该阈值可根据射电望远镜的电磁环境来设置。

搜寻结果快速发布单元30可以采用计算机，实时监测搜寻状态，其接收实时搜寻与存储单元20保存的包含快速射电暴候选体的快速射电暴观测数据，并计算快速射电暴观测信号的到达时间和天区坐标，并将到达时间和天区坐标通过网络发送至红外望远镜、光学望远镜或其他波段望远镜，以便其他观测望远镜进行迅速跟踪观测。

本发明实施例的快速射电暴实时探测装置，可根据观测需求设置观测带宽，最高可达2.5GHz，当前观测带宽为500MHz，频率通道数为512，时间分辨率为64.512微秒，谱分辨率为0.976MHz，DM搜寻范围为0～2000cm^-3pc，搜寻脉宽可从1毫秒至数秒。所有参数都可根据实际需求进行调整。

由于从数据采集与预处理单元输出的数据速率极高，例如，对于双路、512通道、64.512微秒积分、复数相关计算的情况，其输出的数据速率为969Mbps，一天的记录数据达到10TB，如此大的数据量如果采用传统的离线处理的模式需要大容量的磁盘存储阵列，增加了投入成本。而采用本发明的快速射电暴实时探测装置，通过对数据采集与预处理单元输出的数据进行实时处理，仅对有效数据进行记录，无用的数据便丢失，数据量压缩至万分之一以上，并可将搜寻结果实时反馈，有效降低了数据存储量和设备成本。

将该快速射电暴实时探测装置安装于某26米射电望远镜系统中，采用L波段(RF：1400-1720MHz)进行了观测实验，对流量与脉宽都较接近的脉冲星B0329+54进行了跟踪观测，该源的流量为203mJy，脉冲宽度为6.6ms，与FRB信号较为相似。对持续时间为8.3秒的数据进行实时搜寻，记录到了11次单脉冲，由于该源的周期为0.714秒，因此数据内所有脉冲都进行了标识，同时，搜寻到的色散量与该源的DM值(26.833cm^-3pc)也较为吻合。

本发明还提供了一种快速射电暴实时探测系统，其包括上述快速射电暴实时探测装置以及与快速射电暴实时探测装置相连的射电望远镜1。

参见图4，本发明还提供了一种快速射电暴实时探测方法，其利用上述快速射电暴实时探测装置，首先对快速射电暴观测信号进行采样和预处理，得到快速射电暴观测数据；然后对快速射电暴观测数据进行实时处理，提取出快速射电暴候选体；最后将快速射电暴候选体对应的信息对外发送，从而实现了快速射电暴的实时搜寻、存储与发布。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的快速射电暴实时探测装置、系统和方法有了清楚的认识。

本发明的快速射电暴实时探测装置、系统和方法，实时搜寻与存储单元利用共享内存缓冲区技术，通过数据在各模块间的共享实现了多任务并行处理，提高了处理速度，达到了快速射电暴实时搜寻的效果，并减小了数据存储量，降低了设备成本；搜寻结果快速发布单元可将搜寻结果实时发布到网络，通知其他观测望远镜进行快速多波段跟踪观测。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。