用于雷達(dá)天文研究的高速基帶數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)?

安秀梅陳卯蒸 裴 鑫 李 健 段雪峰托乎提努爾

(1 中國科學(xué)院新疆天文臺烏魯木齊 830011)

(2 中國科學(xué)院大學(xué)北京 100049)

(3 中國科學(xué)院射電天文重點實驗室南京 210023)

(4 新疆微波技術(shù)重點實驗室烏魯木齊 830011)

1 引言

射電天文學(xué)作為天文學(xué)的一個分支,利用無線電接收技術(shù)在無線電波段使用射電望遠(yuǎn)鏡接收并研究宇宙中各類天體發(fā)射的電磁波[1].隨著射電天文學(xué)研究的領(lǐng)域越來越廣,研究人員不局限于只接收來自宇宙天體的無線電波,還利用雷達(dá)向天體發(fā)射電磁波信號,在電磁波受到反射后研究其接收到的回波信號,于是作為射電天文學(xué)的一個分支—雷達(dá)天文學(xué)應(yīng)運(yùn)而生.它利用天線的接收端收集指定方向返回的目標(biāo)天體的反射回波,同時抑制其他方向的雜波或干擾,通過提取和分析回波信號中目標(biāo)天體的相關(guān)信息,測量天體的距離和方位[2–3],研究天體的物理特征、運(yùn)動狀態(tài)和空間分布1https://en.wikipedia.org/wiki/Radio-astronomy.

雷達(dá)天文學(xué)正式始于1946年,在匈牙利和美國第1次探測到了月球的回波,這是首次接收到來自大氣層外天體的雷達(dá)回波信號,而后在1960年中國也用雷達(dá)接收到了月球的回波信號.但其真正作為天文學(xué)的一個分支學(xué)科卻是始于1961年,首先探測到了金星的回波,隨后相繼探測到了太陽、水星和火星等其他行星的回波信號[4],從這些早期的雷達(dá)回波信號中,研究人員獲取了大量的天文信息,成功測定了地月距離,確定了金星和水星的旋轉(zhuǎn)周期,并且為太陽系內(nèi)目標(biāo)天體的精準(zhǔn)測距提供了計算數(shù)據(jù)[5–6].

國內(nèi)首次雷達(dá)天文研討會,由中國電子學(xué)會射電天文分會和雷達(dá)分會聯(lián)合舉辦,于2020年8月7日在貴州省中國科學(xué)院國家天文臺FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope)觀測基地成功召開,標(biāo)志著中國雷達(dá)天文的序幕正式拉開2我國首次雷達(dá)天文研討會在貴州FAST觀測基地成功召開,電子世界,2020年18期.基本的雷達(dá)系統(tǒng)包括能產(chǎn)生電磁波的發(fā)射機(jī)、能使電磁波定向輻射的天線和能接收回波能量的接收機(jī).本文基于雷達(dá)天文項目的實際需求,借助某雷達(dá)向目標(biāo)天體發(fā)射電磁波信號,由中國科學(xué)院新疆天文臺南山26 m射電望遠(yuǎn)鏡接收其反射的回波信號,利用設(shè)計開發(fā)的雷達(dá)天文信號采集與記錄系統(tǒng),完成海量回波數(shù)據(jù)的實時采集、處理與存儲.

2 雷達(dá)天文數(shù)字終端采集系統(tǒng)

本文針對雷達(dá)天文項目的設(shè)計目標(biāo)和應(yīng)用需要,基于CASPER[7](Collaboration for Astronomy Signal Processing and Electronics Research)圖形化現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)設(shè)計和開發(fā)工具流,采用SNAP3https://casper.ssl.berkeley.edu/wiki/SNAP(Smart Network ADC Processor)硬件實驗板,設(shè)計開發(fā)了雷達(dá)天文信號采集與記錄系統(tǒng).

雷達(dá)天文信號采集與記錄系統(tǒng)由基帶數(shù)據(jù)的采集、基帶數(shù)據(jù)的傳輸處理和雷達(dá)天文格式的存儲3部分組成.系統(tǒng)原理如圖1所示,射電望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)收到反射的兩路模擬回波信號,經(jīng)由模擬前端處理后進(jìn)入雷達(dá)天文數(shù)字終端采集系統(tǒng),基于SNAP硬件實驗板,通過高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter,ADC),在雙通道模式下完成模擬基帶數(shù)據(jù)到數(shù)字基帶數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換,然后在FPGA上對數(shù)字基帶信號進(jìn)行多相濾波(Polyphase Filter Bank,PFB)等預(yù)處理,之后數(shù)據(jù)被打包成UDP (User Datagram Protocal)數(shù)據(jù)包并通過萬兆以太網(wǎng)(10 GbE)高速輸出發(fā)送至計算機(jī),由HASHPIPE4https://casper.ssl.berkeley.edu/wiki/HASHPIPE(High Availability SHared PIPeline Engine)多線程處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收,以甚長基線干涉測量數(shù)據(jù)交換格式[8](Very Long Baseline Interferometry (VLBI) Data Interchange Format,VDIF)存儲在由高速固態(tài)硬盤組成的磁盤陣列中,最后根據(jù)存儲要求對VDIF格式的基帶數(shù)據(jù)文件提取所需的幀頭信息和數(shù)據(jù)信息,并轉(zhuǎn)存為最終的雷達(dá)天文數(shù)據(jù)存儲格式.

圖1 雷達(dá)天文信號采集與記錄系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle block diagram of radar astronomical signal acquisition and recording system

2.1 SNAP硬件開發(fā)平臺

SNAP是由美國國家射電天文臺和加州大學(xué)伯克利分校的多位研發(fā)者為HERA(Hydrogen Epoch of Reionization Array)干涉陣列而開發(fā)的,硬件實物如圖2所示.相比于上一代的ROACH-2(Reconfigurable Open Architecture Computing Hardware 2)系統(tǒng),SNAP實驗板性價比更高,設(shè)計更為靈活,可拓展性更強(qiáng),外觀更為小巧.配備了高性能Xilinx Virtex 7 FPGA處理芯片,3個板載HMCAD1511數(shù)字化采集芯片,高度可編程、高穩(wěn)定度和低噪聲寬帶頻率綜合器,2個10 GbE萬兆以太網(wǎng)網(wǎng)口,樹莓派接口及相關(guān)外圍電路,整體上實現(xiàn)了數(shù)字后端數(shù)據(jù)的高速采集、實時傳輸和記錄存儲.

圖2 SNAP硬件實物圖Fig.2 SNAP hardware physical picture

2.2 FPGA固件設(shè)計

目前,CASPER支持多個FPGA硬件開發(fā)平臺,為射電天文領(lǐng)域提供了開源共享的軟硬件設(shè)計和系統(tǒng)教程,旨在簡化FPGA編程,降低終端設(shè)計的難度和成本,使科研人員可以快速、高效地設(shè)計開發(fā)所需的硬件終端系統(tǒng).

因此本系統(tǒng)在設(shè)計使用SNAP實驗板時,借助于CASPER開發(fā)工具流無需編寫復(fù)雜的FPGA程序代碼,只需要結(jié)合圖形化的設(shè)計流程,通過鼠標(biāo)點擊拖拽為系統(tǒng)搭建直觀、可視化的仿真模型,如圖3所示.利用SNAP板載的2塊ADC芯片采集由前端輸出的兩路模擬數(shù)據(jù),為方便FPGA高速并行的處理數(shù)據(jù),ADC采用4分頻模式進(jìn)行4路交叉采集,處理輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)由PFB多相濾波后,通過總線合并將4路8 bit位寬的信號整合成一路32 bit位寬的總線信號,實現(xiàn)打包后萬兆以太網(wǎng)的高效輸出,最后使用簡單的命令對仿真模型實現(xiàn)一鍵式編譯,生成FPGA可識別的比特流文件,同時將其轉(zhuǎn)換成操作系統(tǒng)可執(zhí)行的fpg文件.通過腳本程序?qū)pg編譯文件加載至SNAP實驗板對FPGA進(jìn)行編程[9],完成系統(tǒng)的初始化并開始接收和處理數(shù)據(jù),同時GPS (Global Positioning System)所產(chǎn)生的1PPS (Pulse Per Second)信號貫穿于整個系統(tǒng),為ADC信號采集和FPGA預(yù)處理提供嚴(yán)格的時間同步[10],也為時間戳中的微秒計數(shù)器提供觸發(fā)信號,確保了數(shù)據(jù)采集存儲的有效性.

圖3 FPGA仿真編譯圖Fig.3 FPGA simulation compilation diagram

2.3 多線程高速數(shù)據(jù)存儲軟件設(shè)計

為滿足萬兆網(wǎng)絡(luò)下高速數(shù)據(jù)包的傳輸、處理和存儲,本系統(tǒng)基于HASHPIPE多線程管理引擎進(jìn)行設(shè)計.作為脈沖星終端設(shè)備(GUPPI)的衍生版本,HASHPIPE由美國加州大學(xué)伯克利分校的David Macmahon和JeffCobb編寫5https://casper.ssl.berkeley.edu/wiki/images/2/2b/FAST-Hashpipe-Pipeline.pdf,該軟件通過開辟內(nèi)存緩沖區(qū),提供多個線程和緩存之間的通訊接口,根據(jù)設(shè)計需求選擇使用相應(yīng)的線程接口,從而有效避免數(shù)據(jù)的擁堵、溢出和丟失[11].基于HASHPIPE的數(shù)據(jù)存儲軟件工作流程如圖4所示,采用多線程工作模式接收和處理數(shù)據(jù),線程之間通過共享內(nèi)存緩沖區(qū)來傳輸數(shù)據(jù),通過查詢緩沖區(qū)狀態(tài)標(biāo)識來執(zhí)行相應(yīng)操作6https://github.com/SparkePei/demo1hashpipe,中央處理器(CPU)控制和執(zhí)行線程,其中網(wǎng)絡(luò)線程snap-net-thread.c負(fù)責(zé)接收萬兆以太網(wǎng)輸出的UDP數(shù)據(jù)包,對接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包提取頭文件和數(shù)據(jù)信息,并將數(shù)據(jù)部分存儲在輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū),隨后經(jīng)過一定處理后的數(shù)據(jù)存入輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū),最后輸出線程snap-output-thread.c將已經(jīng)寫滿的輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)以VDIF格式實時存儲于磁盤陣列.

圖4 基于HASHPIPE的數(shù)據(jù)存儲軟件運(yùn)行流程圖Fig.4 Data storage software running flowcharts based on HASHPIPE

3 存儲格式

3.1 VDIF數(shù)據(jù)格式

在萬兆以太網(wǎng)絡(luò)下輸出的高速數(shù)據(jù)包,由HASHPIPE軟件接收存儲為VDIF格式.VDIF作為目前國際上VLBI領(lǐng)域使用最普遍的基帶數(shù)據(jù)存儲格式[12],有其固定的存儲規(guī)則,數(shù)據(jù)幀存儲格式如圖5所示.每一幀數(shù)據(jù)由幀頭信息和基帶數(shù)據(jù)兩部分組成,幀頭部分共32個字節(jié),包含基本的校驗碼、同步標(biāo)志、時間信息、配置參數(shù)等觀測信息,數(shù)據(jù)部分為量化位數(shù)8 bit的二進(jìn)制基帶數(shù)據(jù)共計8192個字節(jié).

圖5 VDIF數(shù)據(jù)幀頭格式Fig.5 VDIF data frame header format

3.2 VDIF格式轉(zhuǎn)存為雷達(dá)天文格式

通常在雷達(dá)天文課題研究中,雷達(dá)向天體發(fā)射信號的時間較為短暫(一般在1 h以內(nèi)),反射的回波信號也需要在較短的時間內(nèi)通過天線進(jìn)行接收、處理和存儲.而當(dāng)前采集的兩路回波信號在雙通道模式下,采樣頻率512 MHz、量化位數(shù)8 bit,采樣后總的數(shù)字基帶數(shù)據(jù)為8 Gbps,對應(yīng)兩路萬兆網(wǎng)口每個通道每秒接收的數(shù)據(jù)量高達(dá)4 Gb.

雷達(dá)天文的數(shù)據(jù)存儲格式是基于MarK5B[13]的格式設(shè)計,但又在此基礎(chǔ)上根據(jù)自己的存儲需求調(diào)整了格式定義,增加了存儲內(nèi)容,并要求數(shù)據(jù)量化位數(shù)16 bit,兩通道交織存儲,因此在這種雙通道、高實時、高速度和高精度的觀測需求下,產(chǎn)生的海量回波數(shù)據(jù)在數(shù)字后端將進(jìn)行實時接收、解析、處理并轉(zhuǎn)存為雷達(dá)天文格式,最后通過萬兆網(wǎng)絡(luò)實時輸出存儲于磁盤整列.這無論是對硬件終端還是軟件數(shù)據(jù)處理都提出了較高的性能要求.考慮到目前針對觀測采集雷達(dá)天文數(shù)據(jù)進(jìn)行格式存儲的系統(tǒng)并不能滿足如此龐大的數(shù)據(jù)吞吐量,而本設(shè)計采用的SNAP硬件實驗板中主控芯片F(xiàn)PGA已有的固件程序所存儲的數(shù)據(jù)均為2的指數(shù)冪次,所以根據(jù)已有的設(shè)計基礎(chǔ)和存儲條件,為方便快速地存儲數(shù)據(jù),我們選用使用較為成熟的VDIF格式存儲數(shù)據(jù)繼而轉(zhuǎn)存為雷達(dá)天文數(shù)據(jù)格式.

3.3 雷達(dá)天文格式

雷達(dá)天文數(shù)據(jù)存儲格式如圖6所示,由64字節(jié)公共包頭和若干個10016字節(jié)的回波字段組成,其中公共包頭包含有同步標(biāo)志、版本號、設(shè)備標(biāo)識、通道數(shù)、極化方式、中心頻率、采樣頻率和量化位數(shù)等必要的觀測信息,作為一個文件存儲的開始,公共包頭用以區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)包內(nèi)容,由可識別性較高的字符串組成[14].

圖6 雷達(dá)天文數(shù)據(jù)存儲格式Fig.6 Radar astronomical data storage format

如圖7所示,回波字段中每一幀數(shù)據(jù)由固定大小的小包頭和緊隨其后的基帶數(shù)據(jù)組成,小包頭由同步標(biāo)志、幀計數(shù)和起始UTC (Universal Time Coordinated)時間信息組成,能夠有效地保證數(shù)據(jù)的時效性和安全性.數(shù)據(jù)部分為二進(jìn)制的數(shù)字基帶數(shù)據(jù),每幀2500個數(shù)據(jù)點,每個數(shù)據(jù)點量化位數(shù)為32位,讀取VDIF格式下存儲的A、B兩通道數(shù)據(jù)進(jìn)行交織存儲,兩通道各占16位,每個采樣數(shù)據(jù)點從低到高順序排列,A通道數(shù)據(jù)高16位,B通道數(shù)據(jù)低16位,組成拼接為一個32位的數(shù)據(jù)點.

圖7 雷達(dá)天文回波字段幀格式Fig.7 Radar astronomical echo fields frame format

4 脈沖星數(shù)據(jù)采集實驗

本系統(tǒng)在實驗室完成了給定10 MHz點頻信號的數(shù)據(jù)采集和存儲,對結(jié)果驗證可行后,在南山站對脈沖星進(jìn)行了試觀測,實現(xiàn)了真實脈沖星數(shù)據(jù)的接收采集、傳輸處理和實時存儲.

啟用雷達(dá)天文數(shù)字終端采集系統(tǒng),在SNAP硬件模塊采集接收和處理從模擬前端輸出的脈沖星信號,經(jīng)由萬兆以太網(wǎng)輸出,HASHPIPE運(yùn)行snap-init.sh初始化程序,開始接收存儲從FPGA輸出的數(shù)據(jù)包.如表1所示,數(shù)據(jù)包根據(jù)接收程序所設(shè)置的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行存儲(所有參數(shù)均可根據(jù)需求進(jìn)行修改),其中每幀數(shù)據(jù)8224字節(jié),幀頭部分32字節(jié),數(shù)據(jù)部分8192字節(jié).輸入輸出塊作為文件存儲的最小單位,與緩沖區(qū)同步變化,當(dāng)緩沖區(qū)每接收滿20480個數(shù)據(jù)包時,文件存儲20480個數(shù)據(jù)包,同時輸入輸出塊遞增加1,且由0累加至19如此反復(fù).當(dāng)其循環(huán)5次累加至100時,一個以VDIF數(shù)據(jù)格式存儲的文件生成,文件所占存儲容量100× 20480× 8224約為16 GB,用時32.768 s.文件命名形式為snap-input0-年-月-日-時-分-秒.vdif/snap-input1-年-月-日-時-分-秒.vdif (對應(yīng)兩路基帶數(shù)據(jù)的存儲).當(dāng)前文件存儲結(jié)束時,程序會再以此流程自動新建文件繼續(xù)存儲數(shù)據(jù),直至數(shù)據(jù)記錄結(jié)束,所有文件均已存儲于磁盤中.

表1 VDIF格式文件存儲相關(guān)參數(shù)設(shè)置Table 1 The VDIF format file storage parameter_settings

為方便用戶清楚地掌握當(dāng)前數(shù)據(jù)接收存儲時線程的運(yùn)行情況,線程在運(yùn)行過程中會將當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)送至狀態(tài)緩沖區(qū),打開新的終端運(yùn)行hashpipe-status-monitor.rb查看狀態(tài)監(jiān)視界面,此時可隨時任意切換所運(yùn)行的各線程,如圖8–9所示,界面會實時顯示當(dāng)前線程運(yùn)行時的數(shù)據(jù)包接收、緩沖區(qū)存儲大小、丟包率和存儲等詳細(xì)的動態(tài)變化.

圖8 線程0數(shù)據(jù)存儲狀態(tài)監(jiān)視界面Fig.8 Thread 0 storage state monitoring interface

圖9 線程1數(shù)據(jù)存儲狀態(tài)監(jiān)視界面Fig.9 Thread 1 storage state monitoring interface

系統(tǒng)運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)采集存儲所需的精準(zhǔn)授時是至關(guān)重要的,它是檢測數(shù)據(jù)完整性的必要保證,本系統(tǒng)利用本地氫鐘提供的10 MHz信號的穩(wěn)定性和GPS秒脈沖信號的無累積誤差特性[15],實現(xiàn)對脈沖星基帶數(shù)據(jù)采集記錄時的準(zhǔn)確時間戳標(biāo)記.基于VDIF格式和雷達(dá)天文格式的數(shù)據(jù)采集對時間戳的精度要求達(dá)到微秒,因此時間信息采取整秒采集和微秒計算.

初始化接收采集脈沖星數(shù)據(jù)的同時,UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter)接口向系統(tǒng)發(fā)送GPS采集模塊獲得的UTC時間信息,通過解析得到整秒信息.如圖10所示,微秒時間則需要利用GPS秒脈沖信號和FPGA的時鐘周期計算得出,由于ADC采樣頻率為512 MHz,對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行4路并行時間采樣,因此FPGA的工作頻率為采樣頻率的4分頻頻率即128 MHz,時鐘周期為1/128 MHz,由于萬兆以太網(wǎng)的發(fā)送帶寬為64 bit,兩個時鐘周期的數(shù)據(jù)才能組成64 bit的數(shù)據(jù)流,因此發(fā)送一幀8192個數(shù)據(jù)點,需要8192/(64/8)×2=2048個時鐘周期即16μs的時間,則每秒發(fā)送62500幀數(shù)據(jù).已知GPS產(chǎn)生的秒脈沖信號是周期為1 s的方波,它的上升沿與UTC時間的秒變化嚴(yán)格同步,采用邊沿檢測對上升沿進(jìn)行判斷,當(dāng)秒脈沖的上升沿到達(dá),開始觸發(fā)微秒計數(shù)器清零并重啟計數(shù)器進(jìn)行計數(shù),每發(fā)送一幀時間累加16μs,幀計數(shù)累加一個,當(dāng)微秒計數(shù)器計數(shù)達(dá)到1 s時,整秒計數(shù)器進(jìn)位加一,微秒計數(shù)器復(fù)位重新計數(shù),直到下一個秒脈沖信號的上升沿到來,如此反復(fù),得到數(shù)據(jù)的微秒時間信息.

圖10 時間戳標(biāo)記Fig.10 Timestamp marking

當(dāng)脈沖星信號到達(dá),數(shù)字后端開始采集到數(shù)據(jù)時,當(dāng)前的UTC時間值和微秒時標(biāo)計數(shù)器的計數(shù)值會組合輸出,作為每幀數(shù)據(jù)的起始時間戳標(biāo)記寫入幀頭的相應(yīng)位置.在后期對數(shù)據(jù)的讀取過程中,時間戳也是檢測數(shù)據(jù)是否丟失的完整性依據(jù).

存儲好的VDIF格式脈沖星數(shù)據(jù)將轉(zhuǎn)存為雷達(dá)天文數(shù)據(jù)存儲格式,由于VDIF格式下存儲的數(shù)據(jù)量化位數(shù)均為8 bit,因此在交織轉(zhuǎn)存前,最為重要的一步就是轉(zhuǎn)換量化位數(shù),滿足雷達(dá)天文要求的高精度位數(shù),將A、B兩通道的數(shù)據(jù)部分交叉讀取,且每個數(shù)據(jù)點由8 bit量化為16 bit后存入一個已經(jīng)分配好內(nèi)存的緩沖區(qū),再將數(shù)據(jù)內(nèi)容重新組幀.如圖11所示,數(shù)據(jù)幀重組時,需要提取VDIF格式文件的脈沖星基帶數(shù)據(jù)信息和幀頭內(nèi)的時間信息.由于VDIF格式中接收每幀8192個數(shù)據(jù)點所需時間為16μs,而雷達(dá)天文格式下的數(shù)據(jù)部分為2500個數(shù)據(jù)點,經(jīng)計算當(dāng)前每幀數(shù)據(jù)所用時間大約接近5μs(設(shè)置為常數(shù)C).每存一幀,幀計數(shù)累計加1,首幀時間信息對應(yīng)VDIF格式下數(shù)據(jù)存儲的首幀時間,之后的每幀時間信息在前一幀基礎(chǔ)上加C,直至轉(zhuǎn)存結(jié)束.除此之外,對于一些無法從原數(shù)據(jù)幀中獲得的信息,則需要根據(jù)給定內(nèi)容填入相應(yīng)需求的信息,以免后續(xù)處理讀取數(shù)據(jù)時出現(xiàn)錯誤.

圖11 雷達(dá)天文數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)存計算Fig.11 Radar astronomical data format transfer calculation

5 結(jié)果驗證

為確保數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)存過程中不會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失和出錯等意外情況,需要對最終的雷達(dá)天文格式數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證,通過對時間信息和時域、頻域的圖形對比檢驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存后的完整性.

我們使用脈沖星J0332+5434的觀測數(shù)據(jù)對雷達(dá)天文格式的轉(zhuǎn)存結(jié)果進(jìn)行驗證,觀測數(shù)據(jù)信息為雙極化、帶寬為256 MHz、中心頻率為1458 MHz、單通道模式、8 bit采樣,利用VLBI處理軟件DiFX (Distributed FX Software Correlator)對采集到的VDIF格式的脈沖星觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到J0332+5434清晰的脈沖星輪廓如圖12所示.隨后又對同一時間采集存儲的兩路VDIF格式數(shù)據(jù)進(jìn)行了自相關(guān)成圖,如圖13所示.選取兩路VDIF格式的脈沖星數(shù)據(jù)文件,截取前5 s數(shù)據(jù)點進(jìn)行轉(zhuǎn)存,共62500幀× 5 s× 8192=2560000000個數(shù)據(jù)點,其中每個數(shù)據(jù)點8 bit,每幀數(shù)據(jù)傳輸用時16μs,共312500幀數(shù)據(jù),交織轉(zhuǎn)存后同樣的數(shù)據(jù)點對應(yīng)雷達(dá)天文格式的2560000000/2500數(shù)據(jù)點=1024000幀數(shù)據(jù),每個數(shù)據(jù)點32 bit,每幀用時約5μs,通過讀取3個文件中每幀數(shù)據(jù)幀頭的時間信息,驗證對比后確定了轉(zhuǎn)存前后的總用時和總數(shù)據(jù)量保持一致,數(shù)據(jù)沒有出現(xiàn)丟幀的情況,如圖14所示.

圖12 J0332+5434輪廓圖Fig.12 J0332+5434 profile

圖13 雙通道基帶數(shù)據(jù)的自相關(guān)頻譜Fig.13 Autocorrelation spectrum of baseband data

圖14 時間信息對比Fig.14 Time information comparison

對10 MHz點頻信號進(jìn)行采集存儲,并將兩路VDIF格式和轉(zhuǎn)存后的雷達(dá)天文格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行時域和頻域?qū)Ρ?結(jié)果如圖15–16所示.藍(lán)色曲線Radar-astr adc1/adc1代表交叉轉(zhuǎn)存后提取出的原始ADC1通道的數(shù)據(jù)圖,紅色曲線ADC1代表VDIF格式下的單通道數(shù)據(jù)圖,對兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行各自的時域和頻域的對比,經(jīng)過驗證(每張圖的第3個大圖)發(fā)現(xiàn)圖形一致,證明了轉(zhuǎn)存后數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性,同理,對比驗證Radar-astr adc0/adc0與ADC0所對應(yīng)的圖形也均保持一致.

圖15 10 MHz點頻信號時域?qū)Ρ菷ig.15 Point frequency signal time domain of 10 MHz

圖16 10 MHz點頻信號頻域?qū)Ρ菷ig.16 Point frequency signal frequency domain of 10 MHz

圖17–18則是利用南山26 m射電望遠(yuǎn)鏡在L波段采集到的脈沖星數(shù)據(jù),進(jìn)行時域和頻域轉(zhuǎn)存前后的圖形對比,同樣對應(yīng)曲線一致.最終驗證了該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、傳輸處理和高速存儲方面的可行性.

圖17 脈沖星信號時域?qū)Ρ菷ig.17 Pulsar signal time domain comparison

圖18 脈沖星信號頻域?qū)Ρ菷ig.18 Pulsar signal frequency domain comparison

6 總結(jié)

雷達(dá)天文數(shù)字基帶采集與記錄系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā),為雷達(dá)天文的相關(guān)科學(xué)研究提供了必備的觀測平臺,從而促進(jìn)了國內(nèi)雷達(dá)領(lǐng)域與天文研究的合作,為未來雷達(dá)天文技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ).

通過上文可知,該系統(tǒng)已成功采集存儲了實驗室點頻信號產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和脈沖星觀測得到的真實數(shù)據(jù),經(jīng)測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)工作穩(wěn)定,能夠按要求格式存儲射電望遠(yuǎn)鏡接收到的信號,且能保證最終數(shù)據(jù)存儲的有效性、完整性和準(zhǔn)確性,因此可以準(zhǔn)確和完整地采集雷達(dá)反射的電磁波信號.