一種脈沖星候選體驗(yàn)證方法的實(shí)現(xiàn)

許余云

摘要： 脈沖星候選體驗(yàn)證是判斷是否找到新脈沖星的關(guān)鍵一步。傳統(tǒng)的方式是通過人工與PSRCAT中已知脈沖星數(shù)據(jù)對比，效率很低。目前，F(xiàn)AST采用19波束接收機(jī)系統(tǒng)，脈沖星巡天年數(shù)據(jù)量預(yù)計(jì)將產(chǎn)生上億脈沖星候選體，采用PSRCAT將無法滿足FAST的巡天數(shù)據(jù)處理需求。介于數(shù)據(jù)庫技術(shù)在組織和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、高效地獲取和處理數(shù)據(jù)方面優(yōu)勢，提出了一種基于數(shù)據(jù)庫和web的匹配方法去實(shí)現(xiàn)脈沖星候選體的驗(yàn)證，并開發(fā)了相應(yīng)的web接口。對Parkes多波束脈沖星巡天在FAST天區(qū)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行處理（約60G），獲得了約3萬個(gè)候選體文件，利用該方法，經(jīng)過驗(yàn)證得到27顆已知脈沖星對應(yīng)的247個(gè)脈沖星候選體，結(jié)果顯示對計(jì)算中產(chǎn)生的對應(yīng)周期的候選體均能成功匹配。

Abstract： Validation of pulsar candidates is a key step in deciding whether to find a new pulsar. The traditional way is to compare the artificial and the known pulsar data in PSRCAT， the efficiency is very low. At present， FAST uses a 19-beam receiver system， pulsar survey data is expected to generate tens of millions of magnitude pulsar candidates every year， the PSRCAT will not be able to meet the demand of the FAST survey data processing. A database in the organization and storage of data and efficient data acquisition and processing， we propose a verification to achieve the pulsar candidate matching method based on database and web， and developed the corresponding web interface.To deal with the Parkes multibeam pulsar part survey data of FAST region processed（about 60G）， about 30 thousand candidate files were obtained. By using the method， after verification， 247 pulsar candidates corresponding to the 27 known pulsars are obtained， the results show that the candidates of the corresponding period can be successfully matched.

關(guān)鍵詞： 脈沖星；候選體；驗(yàn)證；數(shù)據(jù)庫；PSRCAT

Key words： pulsar；candidate；validation；database；PSRCAT

中圖分類號： P162.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）16-0172-04

0 引言

500m口徑球反射面射電望遠(yuǎn)鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，簡稱FAST）是國際上最大、最靈敏的射電天文望遠(yuǎn)鏡[1]。2016年9月25日FAST建成，并且將開始19波束的脈沖星巡天觀測，預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)容量5000G至10000GB每天，年觀測200余天，預(yù)計(jì)累積數(shù)據(jù)容量拍字節(jié)（PetaByte，簡稱PB）量級。依據(jù)Parkes多波束脈沖星巡天（Parkes multi-beam pulsar survey，簡稱PMPS）[2-4]在FAST天區(qū)800G數(shù)據(jù)量產(chǎn)生約41萬脈沖星候選體和FAST年巡天數(shù)據(jù)量，預(yù)計(jì)FAST每年將產(chǎn)生超過5億的脈沖星候選體，以1%計(jì)算經(jīng)過篩選后將會(huì)有超過5百萬候選體用于驗(yàn)證。傳統(tǒng)脈沖星候選體的驗(yàn)證方式是使用澳大利亞天文學(xué)家開發(fā)的脈沖星目錄（Pulsar Catalogue，簡稱PSRCAT[5]）工具，從脈沖星數(shù)據(jù)文本中查詢，然后人工將脈沖星候選體與文本中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。對于FAST產(chǎn)生的用于驗(yàn)證的脈沖星候選體，人工方式去查詢PSRCAT中的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，對每個(gè)脈沖星候選體的驗(yàn)證速度難以超過每人每秒1個(gè)，以5百萬需要驗(yàn)證，每天工作8小時(shí)，一個(gè)人則將花費(fèi)超174天才能完成，處理效率較低，滿足不了科研進(jìn)度要求。

數(shù)據(jù)庫技術(shù)是實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和理解的技術(shù)，具有高效、可靠、完整、自同步等特性，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)一般提供高效的數(shù)據(jù)控制和數(shù)據(jù)檢索功能，采用SQL語言來進(jìn)行數(shù)據(jù)操作[6]?；跀?shù)據(jù)庫的這些優(yōu)勢，本文中我們引入數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將PSRCAT中已知的脈沖星數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，介于脈沖星具有穩(wěn)定的周期、相對天區(qū)坐標(biāo)和色散量（Dispersion Measurement，簡稱DM），我們提出一種基于數(shù)據(jù)庫和web技術(shù)的匹配方法，直接從未經(jīng)篩選的候選體文件中找出已知脈沖星的候選體和其對應(yīng)的諧波文件，快速實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證過程，同時(shí)也間接減少了部分候選體篩選的工作量。另外，開發(fā)了相應(yīng)的web接口1，方便FAST科研人員使用。

1 脈沖星候選體驗(yàn)證參數(shù)及利用PSRCAT工具進(jìn)行驗(yàn)證過程

1.1 脈沖星候選體驗(yàn)證參數(shù)

脈沖星候選體是巡天觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過色散、周期折疊處理后得到脈沖星旋轉(zhuǎn)參數(shù)組合和統(tǒng)計(jì)量分布結(jié)果，記錄的統(tǒng)計(jì)量主要包含天區(qū)坐標(biāo)、色和散量周期（分別對應(yīng)圖1中的①②③）等信息。

脈沖星具有較穩(wěn)的周期，一般而言，孤立脈沖星靠消耗自轉(zhuǎn)能而彌補(bǔ)輻射出去的能量，因而自轉(zhuǎn)會(huì)逐漸放慢，脈沖周期隨時(shí)間的推移緩慢的增加，周期變化率在10-13～10-20秒/秒之間[7]，精確度超過由銫133的原子基態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu)躍遷輻射周期變化率[8]，根據(jù)現(xiàn)有觀測結(jié)果，脈沖星的周期范圍為1.39ms～11.78s[5]，即最短周期的為J1748-2446ad[9]，最長周期的是J1841-0456[10]。色散指星際介質(zhì)間的自由電子對電磁波的散射導(dǎo)致不同頻率的信號傳播速度不同，使得在觀測數(shù)據(jù)中高頻的信號會(huì)先到達(dá)，低頻的信號會(huì)存在遲延，依據(jù)銀河系自由電子密度分布C模型[11]，DM的值與脈沖星和地球的積分距離相關(guān)，距離越大，DM的值越大，現(xiàn)有的脈沖星DM范圍一般在2.38 ～ 1778[5]。

依據(jù)上述脈沖星的2個(gè)主要特征，即具有不同的周期和DM，并且天區(qū)坐標(biāo)也不相同，可以據(jù)此進(jìn)行脈沖星候選體的驗(yàn)證，判斷搜索出的信號是否來自于已知脈沖星。

1.2 用PSRCAT工具進(jìn)行驗(yàn)證過程

PSRCAT包含了澳大利亞望遠(yuǎn)鏡國家設(shè)備中心（Australia Telescope National Facility，簡稱ANTF）中收錄的目前所有的已知脈沖星數(shù)據(jù)，該工具可以在Window、linux、solaris和MacOS等系統(tǒng)中使用。訪問ANTF下載psrcat_pkg.tar.gz2數(shù)據(jù)包，解壓、編譯后，查找已知脈沖星的周期和色散輸入命令如下：

> psrcat -db_file psrcat.db -c "name p0 dm" 0437-4715

上述命令是查詢脈沖星J0437-4715的周期和色散，對應(yīng)的輸出如表1。

人工驗(yàn)證候選體，首先從包含噪聲和干擾的候選體文件中篩選出具有脈沖星特征的候選體[12]，然后查看每一個(gè)脈沖星候選體的周期和DM，依據(jù)PSRCAT工具中提供的搜尋命令，設(shè)定與脈沖星候選體周期、DM等參數(shù)信息進(jìn)行查看比對，看該候選體是否為已知脈沖星的信號，然后再進(jìn)行人工分類和統(tǒng)計(jì)。

2 候選體匹配方法及驗(yàn)證測試結(jié)果

由于presto[13]和sigproc[14]等脈沖星搜索軟件在計(jì)算中尋找周期信號時(shí)，識別到的周期也可能是脈沖星自轉(zhuǎn)周期的諧頻信號及若干次重復(fù)，為驗(yàn)證增加了不小的工作量。因此，為了節(jié)省勞動(dòng)力和提高驗(yàn)證的效率，我們根據(jù)脈沖星的參數(shù)特點(diǎn)，從數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)出發(fā)，構(gòu)建脈沖星候選體數(shù)據(jù)表和已知脈沖星數(shù)據(jù)表，利用Web平臺(tái)獲取后端數(shù)據(jù)，在這基礎(chǔ)上快速實(shí)現(xiàn)匹配方法，然后對比已知的脈沖星，驗(yàn)證測試結(jié)果。

2.1 數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計(jì)

根據(jù)脈沖星候選體記錄的統(tǒng)計(jì)量，結(jié)合其主要特征，我們考慮從文件對應(yīng)的名稱、周期、色散、天區(qū)坐標(biāo)和對應(yīng)的觀測文件考慮，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)項(xiàng)設(shè)計(jì)如下：

①脈沖星候選體表，記錄候選體名稱、色散、周期、天區(qū)坐標(biāo)和對應(yīng)觀測文件等基本信息，其中字段YN用于標(biāo)記搜索出的信號為已知脈沖星。（表2）

②已知脈沖星表，記錄脈沖星名稱、色散、周期、天區(qū)坐標(biāo)和對應(yīng)觀測文件等基本信息。（表3）

2.2 脈沖星候選體驗(yàn)證匹配方法

根據(jù)脈沖星的主要屬性，我們將從色散量、周期和坐標(biāo)來篩選出匹配結(jié)果：①由于presto數(shù)據(jù)處理過程是采用取一系列DM值進(jìn)行嘗試消色散并識別周期信號，經(jīng)過實(shí)際處理，DM值并不一定精確，為了匹配算法的可靠性，我們盡量取了比較大的DM范圍（正負(fù)200）來進(jìn)行匹配；②由于觀測及presto數(shù)據(jù)處理過程中存在一定誤差，經(jīng)過測試，匹配周期時(shí)，取正負(fù)千分之一的誤差；③脈沖星的赤道坐標(biāo)是描述脈沖星的重要屬性，它給出了脈沖星的位置信息，由于已知脈沖星的候選體會(huì)對應(yīng)多個(gè)候選體文件，可能對應(yīng)不同的觀測區(qū)域，為了保證匹配的精確性，我們將只匹配出觀測赤道坐標(biāo)1角秒半徑內(nèi)的已知脈沖星候選體。

具體做法是先從數(shù)據(jù)庫表中讀出一條已知脈沖星的參數(shù)記錄（Pulsar，DM_P，P0_P），然后從以下三個(gè)步驟去實(shí)現(xiàn)脈沖星候選體驗(yàn)證方法：

①在數(shù)據(jù)庫表中讀出某顆已知脈沖星的DM_P值，計(jì)算出脈沖星候選體列表中與該DM_P值加減200的所有記錄，即滿足|DM_P-DM_C|<200；

②將該已知脈沖星的周期P0_P乘以M/N倍（M，N為整數(shù)，且M，N[1，100]），即計(jì)算出所有的P1=P0_P×M/N，然后將P1與上述記錄列表中所有的周期P_C匹配，若匹配滿足|P1-P_C|<0.001，則挑選出該候選體；

2.3 驗(yàn)證測試結(jié)果

為了驗(yàn)證測試結(jié)果，我們將PARCAT中已知脈沖星數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，對PMPS在FAST天區(qū)的600個(gè)觀測文件進(jìn)行了處理，獲得了約3萬個(gè)脈沖星候選體，將計(jì)算結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫。利用人工方式對3萬脈沖星候選體進(jìn)行篩選，得到219個(gè)脈沖星候選體，查詢PSRCAT中數(shù)據(jù)，驗(yàn)證得到27顆脈沖星。

有區(qū)別于人工驗(yàn)證方式，脈沖星候選體不需要經(jīng)過人工篩選，即直接從Web平臺(tái)上用已知脈沖星數(shù)據(jù)去匹配3萬個(gè)脈沖星候選體文件，并且將對應(yīng)的候選體文件進(jìn)行標(biāo)記。

利用2.2節(jié)的脈沖星候選體匹配方法將已知脈沖星數(shù)據(jù)與脈沖星候選體進(jìn)行匹配，驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)匹配到27顆已知脈沖星，并且對應(yīng)505個(gè)脈沖星候選體，其中247個(gè)對應(yīng)39顆已知脈沖星，另外258個(gè)為噪聲及其它信號，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。對比人工方式用PSRCAT查詢，利用基于web和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的驗(yàn)證方式，在時(shí)間和驗(yàn)證結(jié)果上更加高效。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)據(jù)庫和web技術(shù)的脈沖星候選體的驗(yàn)證方法，依據(jù)已知脈沖星的參數(shù)特征和其對應(yīng)的候選體關(guān)系，給出了匹配方法，并且實(shí)現(xiàn)了候選體的快速和準(zhǔn)確匹配，同時(shí)，開發(fā)了相應(yīng)的web接口，供FAST科研人員使用。

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