鄧文迪 黃光明
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基于CBM-TOF探測器無觸發(fā)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的壓縮算法研究
鄧文迪 黃光明
(華中師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 武漢 430079)
針對CBM-TOF (Compression Baryon Material experiment - Time of flight detector)探測器采用的無觸發(fā)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流,本文提出一套完整的數(shù)據(jù)壓縮算法,該算法通過提取數(shù)據(jù)流中與粒子信息相關(guān)的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)配對成脈沖信號做進一步的數(shù)據(jù)篩選來完成。算法通過三個步驟完成對數(shù)據(jù)的壓縮處理,分別是有效性驗證、排序及脈寬篩選。有效性驗證將初步篩選數(shù)據(jù),保留粒子到來的時刻信息(絕對時間/相對時間),再通過后面兩個步驟將符合行為的脈沖提取出來。通過壓縮來自COSY的束流測試的數(shù)據(jù),算法的正確性和有效性得到了驗證,數(shù)據(jù)的壓縮率達到94.5%以上,并且完整地保留了有用的數(shù)據(jù)信息。本算法減輕了無觸發(fā)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)鏈路上數(shù)據(jù)流的壓力,高效快速地將原始數(shù)據(jù)中有價值的信息提取出來,基本完成了針對CBM-TOF數(shù)據(jù)預(yù)處理的工作要求,對TOF探測器的數(shù)據(jù)重組有重要的意義。
飛行時間探測器,無觸發(fā)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng),數(shù)據(jù)壓縮
粒子在通過不同的探測器時所表現(xiàn)出來的行為都不相同,人們難以找到一個通用的方法去定量識別不同能量等級下的粒子。到目前為止,成百的粒子已經(jīng)被人們找到,但是其中只有少數(shù)粒子可以被探測器直接探測并識別出來,例如g、和。在能夠識別這些少數(shù)粒子后,人們可以通過測量事件中的關(guān)鍵參數(shù)來進行事件重建,進而找出其他的粒子。通過研究發(fā)現(xiàn)[1],我們可以通過測量粒子的質(zhì)量來有效區(qū)分這些粒子(例如、、和)。如今人們對這些粒子的質(zhì)量已經(jīng)非常了解,所以通過建造探測器測量這些粒子的質(zhì)量來完成對這些粒子的識別已成為可能。從原則上講,想要直接測量出粒子的質(zhì)量是不可能實現(xiàn)的。但是我們可以通過測量粒子的兩個動力學(xué)參數(shù)(其中至少有一個動力學(xué)參數(shù)與粒子質(zhì)量相關(guān))最終完成對粒子的識別。通常所測量的粒子的動力學(xué)參數(shù)為速度、能量或者動量。在高能物理領(lǐng)域有很多方法能夠測量粒子的速度,而飛行時間探測技術(shù)(Time of Flight, TOF)就是其中的一種。
飛行時間探測器對粒子的識別可以通過直接測量粒子的飛行時間、粒子來自跟蹤探測器的動量以及粒子的飛行距離來完成。在飛行時間探測器中,粒子的飛行時間和粒子質(zhì)量的關(guān)系如下:
式中:=L/。我們知道,具有相同動量的不同類型的粒子飛行相同距離所需要的時間取決于它們的粒子質(zhì)量。在飛行時間探測器中,為了能夠有效地探測粒子,需要測量以下三個參數(shù)[2]:1) 粒子打擊在飛行時間探測器上的位置;2) 粒子到達飛行時間探測器的時刻;3) 碰撞產(chǎn)生粒子的時刻。
我們用第一個參數(shù)來算出粒子的飛行距離。而粒子的速度可以利用后面兩個參數(shù)計算出來。當給定的已知的情況下,可以計算出粒子的質(zhì)量,從而去識別這些粒子。
將式(1)兩邊求偏導(dǎo)后整理得到式(2),從式(2)中發(fā)現(xiàn)飛行時間探測器能探測到的粒子質(zhì)量的精度與其系統(tǒng)的整體時間分辨率有關(guān)。在高能物理實驗中要想?yún)^(qū)分出各種粒子,探測器就必須提高對粒子質(zhì)量探測的精度。換句話說就是要對系統(tǒng)的整體時間分辨率有較高的要求。
系統(tǒng)的整體時間分辨率主要由前端探測器的時間分辨率和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的時間分辨率共同決定。對于數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)而言,無觸發(fā)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)相較有觸發(fā)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)在時間分辨率上有著明顯的優(yōu)勢。在傳統(tǒng)的帶觸發(fā)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中,需要通過硬件或者軟件方式在系統(tǒng)外部產(chǎn)生觸發(fā)信號,在將觸發(fā)信號與獲取的數(shù)據(jù)進行逐一的比對選擇出需要的數(shù)據(jù)。這個過程需要消耗大量的時間,嚴重影響了系統(tǒng)的時間分辨率。而在無觸發(fā)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中,由于沒有觸發(fā)信號系統(tǒng)處于自由取數(shù)的狀態(tài)。只要有信號到來就會轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)并存儲下來,這樣整個系統(tǒng)的死區(qū)時間只和模擬電路數(shù)字電路本身的死區(qū)時間有關(guān)。所以在當今,隨著對時間分辨率要求的提高,更多的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)都采用了無觸發(fā)的形式,如PANDA實驗中的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)[2]。而無觸發(fā)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)唯一的缺陷就是會引進大量的時間刻度數(shù)據(jù)和噪聲數(shù)據(jù),系統(tǒng)需要提高數(shù)據(jù)的傳輸帶寬并將獲取到的數(shù)據(jù)逐級地傳送到PC端進行分析處理。另外無觸發(fā)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)需要質(zhì)量較高的時鐘系統(tǒng)進行驅(qū)動,以確保所有模塊的時間同步。
在德國重離子研究中心主導(dǎo)的高能物理實驗重子物質(zhì)壓縮實驗(Compression Baryon Material experiment, CBM),為了能從高能量高相互作用的粒子碰撞中識別出各種質(zhì)子、介子等粒子。其選取了TOF作為實驗的其中一個子探測器,并為TOF探測器搭建了一套無觸發(fā)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。本文主要介紹在CBM-TOF上無觸發(fā)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中對原始數(shù)據(jù)的初步篩選與壓縮工作。
CBM-TOF探測器主要目的是通過探測具有高能量的強子相互碰撞后的粒子飛行時間來對各種粒子進行定量的識別。圖1為CBM探測器的總體原型,可以看出TOF探測器安裝在相對粒子撞擊點靠后的位置,這樣粒子就會有一定的飛行距離。通過記錄粒子的飛行時間即可得到其質(zhì)量,從而識別各種粒子。在整個實驗中我們認為撞擊后所有粒子幾乎同時從撞擊點出發(fā),那么整個實驗的起始時間就可以被認定為撞擊的瞬間。從撞擊的瞬間開始TOF探測器的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)啟動工作并開始計時為1,當粒子經(jīng)過飛行后撞擊到TOF墻后數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)記錄其到來時刻為2,那么粒子的飛行時間即為2?1。
需要注意的是整個的CBM-TOF的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)是無觸發(fā)的,所以系統(tǒng)從開始工作后就一直輸出固定的時間刻度(時間戳)用來記錄絕對時間[3],這樣整個時間譜就可以被描述如圖2所示。從圖2中也可以得到粒子到來的時間與撞擊開始時間差,即為粒子飛行時間。
圖3 CBM-TOF探測器數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)簡要框圖Fig.3 Simplified block diagram of CBM-TOF data acquisition system.
整個系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流形式如圖4所示。首先,當系統(tǒng)啟動工作后,GET4芯片根據(jù)自身的時間軸每隔26.2144ms產(chǎn)生一個時間戳數(shù)據(jù)(Epoch_data);其次,在每個時間戳內(nèi)經(jīng)過GET4-TDC轉(zhuǎn)換的時間沿數(shù)據(jù)(Edge_data)會被寫入到對應(yīng)的時間戳數(shù)據(jù)后面;再次,系統(tǒng)會實時地產(chǎn)生監(jiān)視信息,并穿插在時間戳數(shù)據(jù)和時間沿數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)流中。
圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流形式Fig.4 Data flow form of system.
圖5 原始數(shù)據(jù)流格式Fig.5 Format of Raw_data.
針對CBM-TOF探測器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流的形式,本文壓縮算法的具體目標有下述三個方面的內(nèi)容:
首先,過濾掉系統(tǒng)產(chǎn)生的描述和監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)的信息(System_message)。這是由于此類型的數(shù)據(jù)僅被用于輔助、監(jiān)測和調(diào)整整個讀出電子學(xué)系統(tǒng)的工作狀態(tài),而壓縮算法需要得到的結(jié)果是被探測器系統(tǒng)所探測到的粒子的相關(guān)信息(脈沖的到來時刻和寬度),所以這些消息對分析粒子特性沒有貢獻可以剔除掉[4]。
其次,篩選掉空的時間戳數(shù)據(jù)。前面提到過,由于整個電子學(xué)讀出系統(tǒng)采用無觸發(fā)的數(shù)據(jù)讀出機制,那么當系統(tǒng)啟動工作之后就會定時地送出時間戳數(shù)據(jù),以此標量整個系統(tǒng)的絕對時間軸[5]。所以在整個工作時間段內(nèi)探測器會有相當長的時間里沒有探測到粒子,從而在幾個或幾十個時間戳內(nèi)沒有時間沿數(shù)據(jù),這樣在得到的原始數(shù)據(jù)流中會出現(xiàn)時間戳的堆疊,也就是說相鄰兩個時間戳數(shù)據(jù)之間并沒有時間沿數(shù)據(jù)。我們將數(shù)據(jù)流中沒有時間沿數(shù)據(jù)跟隨的時間戳稱為空的時間戳數(shù)據(jù)。像這樣空的時間戳數(shù)據(jù)只包含系統(tǒng)絕對時間信息,而不包含粒子信息,所以可以被剔除。這樣被保留下來的時間戳數(shù)據(jù)必然是其后跟隨有時間沿數(shù)據(jù)的少數(shù)時間戳,這樣的時間戳用來記錄粒子脈沖到來的絕對時刻。
最后,壓縮算法需要對沿數(shù)據(jù)進行排序和配對建立脈沖數(shù)據(jù),并剔除掉無效的沿數(shù)據(jù)和脈沖數(shù)據(jù)。由于CBM-TOF讀出電子學(xué)系統(tǒng)的TDC芯片GET4采用其獨有的Taking_raining[6]時間沿讀出方式,使得在同一個時間戳內(nèi)部的時間沿數(shù)據(jù)(Edge_data)并不完全按照其相對時刻的順序被送入FIFO中存儲,這樣被按照FIFO位置順序取出而生成的原始數(shù)據(jù)(Raw_data)流中的時間沿數(shù)據(jù)的位置順序會出現(xiàn)與時刻點不一致的情況,所以需要利用快速有效的排序?qū)r間沿數(shù)據(jù)的位置順序按照相對時刻糾正到正確。排序完成后,時間沿需要按照上升沿和下降沿組合配對成脈沖數(shù)據(jù),此時落單的時間沿被剔除掉。數(shù)據(jù)組成脈沖后還需要按照脈沖寬度的大小進一步進行數(shù)據(jù)篩選,這是因為前面提到的粒子撞擊形成的脈沖的寬度有一定的范圍(1?10 ns)[7],在脈沖寬度范圍之外的脈沖數(shù)據(jù)被視為系統(tǒng)的噪聲干擾和探測器放電產(chǎn)生的流光脈沖[8]。
綜上所述,依據(jù)這些目標設(shè)計算法可以有效地提取出原始數(shù)據(jù)流中的有用粒子信息,極大程度壓縮數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)量,統(tǒng)計出粒子的基本參數(shù),為后續(xù)的物理分析提供便利。
算法的總體流程如圖6所示,共分三個部分完成。首先,原始數(shù)據(jù)被按照相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式逐條讀出,對讀出的數(shù)據(jù)做有效性的檢驗(Validity checking),保留時間戳數(shù)據(jù)和時間沿數(shù)據(jù),并將這兩類的數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則分段保存在順序編號的文件中完成算法第一步;其次,對每個分段內(nèi)的時間沿數(shù)據(jù)進行排序,并將空的時間戳數(shù)據(jù)刪除;然后將排列有序的時間沿數(shù)據(jù)進行配對組合成脈沖數(shù)據(jù),并刪除落單的時間沿數(shù)據(jù);最后,對成形的脈沖數(shù)據(jù)按照脈沖寬度進行檢驗,并保留有效寬度內(nèi)的脈沖數(shù)據(jù)。另外,在整個算法過程中會植入一些統(tǒng)計,對數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)以及算法的結(jié)果進行統(tǒng)計,主要統(tǒng)計時間戳、時間沿個數(shù)以及脈沖個數(shù)和其脈沖寬度的分布,以便計算出算法的壓縮效率。
圖6 壓縮算法流程總框圖Fig.6 Block diagram of compression algorithm.
有效性驗證的程序流程圖如圖7所示。程序通過讀取原始數(shù)據(jù)文件逐條地接收原始數(shù)據(jù)的信息,然后過濾掉系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù),并將原始數(shù)據(jù)中的時間戳數(shù)據(jù)和時間沿數(shù)據(jù)按照每5個時間戳為一個時間單位分別放入不同的文件中存儲,此時會將非同步的時間戳數(shù)據(jù)和其后跟隨的時間沿數(shù)據(jù)刪除掉,這樣當系統(tǒng)因為某些故障導(dǎo)致同步出現(xiàn)問題時不會對這些數(shù)據(jù)進行處理和保留。在這個過程中得到了按照順序編號的多個文件,這些文件用來存放屬于其時間段內(nèi)的時間沿數(shù)據(jù)。當某時間段內(nèi)沒有時間沿數(shù)據(jù)時,文件就是空文件,也就是上文中提到的連續(xù)多個空時間戳內(nèi),探測器系統(tǒng)沒有探測到粒子的打靶和沒有產(chǎn)生時間沿的數(shù)據(jù)。
圖7有效性驗證程序流程圖Fig.7 Procedure of validity checking.
排序程序比較簡單,設(shè)計思路是按照順序?qū)Σ襟E1(有效性驗證)中整理接收到的文件中的時間沿進行排序。也就是說排序的工作是按照數(shù)據(jù)流中的時間戳進行分段處理。按照每5個時間戳為一個時間單位,將這個時間單位內(nèi)部的時間沿數(shù)據(jù)進行排序。所以在設(shè)計時唯一需要考慮的就是排序數(shù)組元素的個數(shù)order需要大于等于5個時間戳內(nèi)一個GET4-TDC芯片產(chǎn)生的最大的時間沿數(shù)量5?EpochEdge。這里估算方式按照每個通道內(nèi)最大的粒子打擊率為r=250 kHz來計算可得一個時間戳內(nèi)GET4-TDC芯片產(chǎn)生的最大時間沿數(shù)量為:
式中:ep為一個時間戳的時間,26.214 4ms;chn=4,為GET4-TDC數(shù)據(jù)通道;ed=2,表示一個脈沖產(chǎn)生兩個沿數(shù)據(jù);考慮到設(shè)計余量這里粒子打擊率r取300 kHz。由此5個時間戳的沿數(shù)據(jù)總數(shù)最大值可算出為5?EpochEdge=5×1?EpochEdge=315,所以排序數(shù)組的長度order取315即可滿足數(shù)據(jù)率的要求。在實際的算法中考慮到數(shù)據(jù)的余量,將排序數(shù)組的大小設(shè)置為500,以保證不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況。
時間沿數(shù)據(jù)經(jīng)過排序后就可以。圖8為建立脈沖的程序流程圖。建立脈沖的機制是遍歷時間段內(nèi)所有的時間沿,將本時間沿與其相鄰的下一個時間沿進行配對,如果兩個時間沿滿足脈沖的配對關(guān)系就將兩個時間沿組合成為一個脈沖數(shù)據(jù)。其中脈沖的配對關(guān)系為一個上升沿加上一個下降沿。完成脈沖建立后,脈沖數(shù)據(jù)所包含的時間信息為脈沖到來時刻(Start_time)和脈沖寬度(Time over threshold, TOT)。在建立脈沖的過程中會出現(xiàn)兩種情況:第一種是上升沿和下降沿都在同一個處理時間段內(nèi),也就是說兩個沿數(shù)據(jù)在一個文件中;第二種情況是兩個時間沿分別在兩個處理時間段內(nèi),也就是說上升沿在文件中而下降沿在文件+1中。在建立脈沖時兩種情況都要考慮,特別是第二種情況,防止出現(xiàn)有效的脈沖信號(橫跨兩個時間段的脈沖)沒有進行匹配而出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)的情況。
圖8建立脈沖程序流程圖Fig.8 Procedure of hit building.
算法的代碼是用C語言在Linux系統(tǒng)下的GCC編譯器環(huán)境下完成的,通過GCC編譯器將代碼轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行的文件,然后編寫控制腳本通過腳本分批地讀取原始數(shù)據(jù)并輸入到算法中做壓縮,而后得到算法結(jié)果。
表1為對原始數(shù)據(jù)流進行算法后的統(tǒng)計結(jié)果。統(tǒng)計的內(nèi)容包括數(shù)據(jù)流中總的時間戳數(shù)據(jù)(Epoch_data)、時間沿數(shù)據(jù)(Edge_data)以及經(jīng)過壓縮之后得到的有效脈沖數(shù)(Hit_data)。其中壓縮率的計算為總的時間沿和時間戳數(shù)據(jù)減去算法保留的脈沖數(shù)量與時間沿和時間戳總數(shù)的比值,而數(shù)據(jù)丟失率為有效脈沖數(shù)量與總脈沖數(shù)量的比值。本次測試的原始數(shù)據(jù)來源為GSI對CBM-TOF數(shù)據(jù)系統(tǒng)做的束流測試(Beam_test)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來源真實可靠。從表1中可以看出,數(shù)據(jù)的壓縮率比較高,算法丟棄掉了大量無用的時間沿數(shù)據(jù)和時間戳數(shù)據(jù)。另一方面,對經(jīng)過壓縮算法之后得到的脈沖數(shù)據(jù)和統(tǒng)計軟件給出的有效脈沖的數(shù)量做了對比,給出了壓縮算法的數(shù)據(jù)丟失率??梢钥闯鰤嚎s算法對數(shù)據(jù)流中有效數(shù)據(jù)信息的丟失率幾乎為零,其完整地篩選出了數(shù)據(jù)流中有用的脈沖信息。
表1 壓縮算法結(jié)果統(tǒng)計
Table 1 Result of data with compression algorithm.
時間戳數(shù)據(jù)
Epoch data
時間沿數(shù)據(jù)
Edge data
總脈沖數(shù)據(jù)
Total hit
有效脈沖數(shù)
Valid hit
數(shù)據(jù)丟失率
Lost rate
數(shù)據(jù)壓縮率
Compression ratio
181 765
38 897
11 372
11 386
0.123%
94.85%
333 474
5 567
2 576
2 579
0.116%
99.24%
另外,對Hit的脈沖寬度分布做了一個統(tǒng)計,如圖9所示。圖9橫坐標為脈沖寬度的時間,縱坐標為脈沖數(shù)量。從圖9中可以看出,大部分有效的脈沖寬度都集中在1?5 ns范圍內(nèi),脈沖寬度達到10ns以上基本少見。根據(jù)測試用的MPRC的輸出脈沖特點[1],這種脈沖寬度的分布規(guī)律符合探測器本身的粒子性能,從側(cè)面反映了壓縮算法的正確性。
圖9 脈沖寬度的分布圖Fig.9 Distribution of pulse witch.
根據(jù)測試的結(jié)果可以看出,本算法基本完成了預(yù)期的壓縮目標,篩選出了數(shù)據(jù)流中有用的粒子信息,數(shù)據(jù)的壓縮率達到了94.5%以上。同時,算法統(tǒng)計出了數(shù)據(jù)流中探測器探測到的粒子脈沖寬度的分布和其他的信息,為以后的物理分析做鋪墊。目前算法是在PC機上編寫軟件實現(xiàn)的對數(shù)據(jù)的離線處理,日后會移植并放置到可編程邏輯陣列中,實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的在線處理,用于減輕整個數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)傳輸鏈路的傳輸帶寬的壓力。
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國家自然科學(xué)基金(No.11420101004)資助
Support by National Natural Science Foundation of China (No.11420101004)
Design of data compression algorithm based on CBM-TOF Trigger-less data acquisition system
DENG Wendi HUANG Guangming
(College of Physical Science and Technology, Central China Normal University, Wuhan 430079, China)
Background: In order to further study the high baryon number density area in Quantum Chromodynamics Phase Diagram (QCD), compression baryon material experiment (CBM) and the construction of SIS100/300 accelerator had been launched in Antiprotons and Ion Research Center of Germany. As for time of flight (TOF) which was the sub-detector at CBM experiment, a set of data preprocessing algorithm was designed in this paper, which played a significant role in the electronic readout system of the entire TOF detector. Purpose: The research aimed to design a complete set of data compression algorithm specific to data flow generated by trigger-free data acquisition system of CBM-TOF detector so as to extract data related to the particle information from such data flow and then match them into pulse signals for further data screening. Methods: C programming language was adopted to write the main part of such an algorithm and compiled them into executable files. By writing script, the executable files were invoked to read raw data files of TOF detector which were input into the compression algorithm for processing. In the end, results obtained were saved in files and drawn into charts through statistics. The core of this algorithm could be classified into three parts and they were validity checking, time ordering and time over threshold checking respectively. Under the action of scripts, algorithm screening was carried out for a large amount of raw data one by one in accordance with lengths which had been determined in advance; moreover, useful data relevant with blow particles were also extracted. Results: The compressed raw data were derived from beam testing of COSY in November 2011. For this algorithm, raw data volume was compressed to the maximum extent with a compression ratio of 94.5% and above; in addition, the compression algorithm didn’t lose the useful data including blow information of particles. Conclusion: Regarding this algorithm, not only data flow pressures on trigger-free data acquisition system link were relieved, but also valuable information was extracted from the raw data both efficiently and rapidly. Therefore, operational requirements for CBM-TOF data preprocessing were basically satisfied, which had a great significance for data reconstitution of TOF detector.
TOF, Free stream data acquisition system, Data compression
DENG Wendi, male, born in 1990, graduated from Central China Normal University in 2012, master student, focusing on data processing of free-stream data acquisition system
TL99
10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.060403
鄧文迪,男,1990年出生,2012年畢業(yè)于華中師范大學(xué),現(xiàn)為碩士研究生,研究領(lǐng)域為CBM-TOF探測器數(shù)據(jù)處理
2015-12-08,
2016-03-25