徐永華，羅近濤，李志玄，郝龍飛，汪 敏，董 江

(1. 中國科學院云南天文臺 射電天文組團，云南 昆明 650011；2. Joint Institute for VLBI in Europe, Postbus 2, 7990 AA Dwingeloo, the Netherlands；3. 中國科學院天體結構與演化重點實驗室，云南 昆明 650011；4. 中國科學院上海天文臺，上海 200030)

基于MARK5B+DSPSR的基帶數(shù)字脈沖星觀測系統(tǒng)*

徐永華1,3，羅近濤2,4，李志玄1,3，郝龍飛1,3，汪 敏1,3，董 江1,3

(1. 中國科學院云南天文臺 射電天文組團，云南 昆明 650011；2. Joint Institute for VLBI in Europe, Postbus 2, 7990 AA Dwingeloo, the Netherlands；3. 中國科學院天體結構與演化重點實驗室，云南 昆明 650011；4. 中國科學院上海天文臺，上海 200030)

云南天文臺射電天文研究團組采用40 m射電望遠鏡以及數(shù)字基帶轉換器(Digital Base Band Conveter, DBBC)數(shù)據(jù)采集終端、Mark5B記錄系統(tǒng)和DSPSR(The Digital Signal Processing for Pulsars)軟件包實現(xiàn)對脈沖星觀測數(shù)據(jù)的相干消色散處理的脈沖星觀測系統(tǒng)。該系統(tǒng)對PSR J0835-4510和PSR J0332+5434進行觀測，采用DSPSR軟件包對脈沖星觀測處理，還可以生成PSRFITS格式的數(shù)據(jù)。觀測頻段選用S波段右旋圓極化信號，分別實現(xiàn)了2通道總帶寬為4 MHz、4通道總帶寬為16 MHz、8通道總帶寬為128 MHz的觀測和數(shù)據(jù)處理。構建以DSPSR為數(shù)據(jù)處理核心的脈沖星觀測系統(tǒng)，比DBBC+Mark5B的觀測系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理方法、運算效率和觀測數(shù)據(jù)的通用性方面具有更好的優(yōu)越性。

射電天文；脈沖星PSR J0835-4510；脈沖星PSR J0332+5434；40 m射電望遠鏡；DSPSR；相干消色散

射電脈沖星是快速旋轉的中子星，具有極強的磁場，對射電脈沖星的研究是現(xiàn)代天文學的重要內(nèi)容之一。以射電脈沖星作為工具，可開展高精度計時和授時、天體動力學和天體測量、強場下的引力物理、太陽系外行星、星系和星際介質(zhì)、超致密物質(zhì)以及極端環(huán)境下的等離子物理等方面的研究。由于射電脈沖星信號的特點，射電脈沖星觀測設備的主要工作是完成消色散和周期折疊。隨著對射電脈沖星研究的深入，尤其近年來利用毫秒脈沖星進行引力波探測研究等課題的興起，對脈沖星觀測設備提出了更高的要求[1]。目前國際上全數(shù)字化脈沖星終端研制已經(jīng)成為發(fā)展的趨勢，美國的國家射電天文臺(National Radio Astronomy Observatory, NRAO)研制了新一代脈沖星觀測終端綠波段終極脈沖星處理器(Green Band Ultimate Pulsar Processing Instrument, GUPPI)，第二代GUPPI的開發(fā)也在有條不紊的進行中，觀測帶寬、實時處理能力將有進一步的提升。

目前國內(nèi)和國際上正在興建的觀測脈沖星的天線或陣列有500 m口徑球面射電望遠鏡(The Five hundred meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST)、上海的65 m、 新疆天文臺的110 m和平方千米陣列(Square Kilometre Array, SKA)[2]對脈沖星觀測設備提出了新的要求，國際上的主流發(fā)展方向是研制基帶數(shù)字式相干消色散脈沖星接收機，典型的脈沖星觀測設備有澳大利亞的PDFB(Pulsar Digital Filter Bank)、美國的GUPPI和荷蘭ASTRON的PUMA II，然而國內(nèi)數(shù)字化脈沖星系統(tǒng)的研發(fā)還處于起步階段。國家天文臺和新疆天文臺分別從澳大利亞引進了PDFB系統(tǒng)，用于脈沖星的觀測和相關科學研究。

云南天文臺40 m射電望遠鏡結合現(xiàn)有的VLBI觀測終端，數(shù)字基帶轉換器數(shù)據(jù)采樣終端、Mark5B數(shù)據(jù)記錄和時間比對系統(tǒng)，利用DSPSR為數(shù)據(jù)處理核心，DBBC+Mark5B為數(shù)字基帶記錄終端的脈沖星觀測系統(tǒng)，DSPSR不僅可以實現(xiàn)對脈沖星觀測數(shù)據(jù)的相干消色散處理，而且還生成通用的PSRFITS格式的數(shù)據(jù)，這些工作為今后研制自己的基帶數(shù)字式相干消色散接收機提供技術儲備。

1 基帶數(shù)字式相干消色散接收機的現(xiàn)狀

國際上目前在研制中的基帶數(shù)字式相干消色散接收機，主要分成兩大類，一類是基于多相濾波器+GPU模式的相干消色散(德國馬普和美國國家射電天文臺)；另外一類是基于FPGA硬件處理平臺(例如基于UniBoard的脈沖星觀測設備)。目前兩類基帶數(shù)字式相干消色散接收機的情況如下。

(1) 基于多相濾波器+GPU模式的相干消色散的數(shù)字接收機：美國的國家射電天文臺和德國的馬普研究所的計劃方案為多相濾波器+GPU模式，多相濾波器實現(xiàn)對頻域通道的劃分，由GPU單元完成相干消色散的計算，使用GPU 單元進行計算對散熱以及能源消耗都是很大挑戰(zhàn)，國家射電天文臺已經(jīng)基本完成GUPPI的開發(fā)[3]。

(2)基于FPGA硬件實現(xiàn)相干消色散的數(shù)字接收機：目前比較成熟的是澳大利亞ATNF的PDFB脈沖星觀測設備，我國引進兩臺性能不同的PDFB設備，可以實現(xiàn)折疊、搜尋、頻譜和基帶觀測模式， 分別在昆明40 m射電望遠鏡和南山25 m射電望遠鏡進行脈沖星的觀測；Jodrell Bank正在利用UniBoard(專門為射電天文觀測研制的一款基于FPGA，可擴展性，通用高性能計算平臺)開發(fā)數(shù)字化脈沖星觀測終端，其實現(xiàn)的功能和PDFB類似，均可以實現(xiàn)實時相干消色散、折疊、脈沖星搜尋等功能[1]。

我國的科研工作者也在為數(shù)字化脈沖星終端研制做相關的技術儲備，例如：新疆天文臺依托現(xiàn)有的南山25 m射電望遠鏡和VLBI記錄終端MK5A系統(tǒng)[4]，建立了脈沖星相干消色散觀測系統(tǒng)；云南天文臺利用40 m射電望遠鏡的VLBI終端構建的DBBC+MK5B記錄系統(tǒng)脈沖星觀測系統(tǒng)。DBBC+Mark 5B記錄系統(tǒng)的脈沖星觀測系統(tǒng)，后期數(shù)據(jù)處理繁瑣、效率低，且不能生成PSRFITS格式的數(shù)據(jù)[5]。

DSPSR(The Digital Signal Processing for Pulsars)[6]是專門為脈沖星天文時間序列開發(fā)的開源C++庫，根據(jù)DSPSR對觀測數(shù)據(jù)格式的要求，需要將MARK 5B的脈沖星觀測數(shù)據(jù)進行解碼和格式轉換到DSPSR支持的格式，然后再利用DSPSR命令即可完成對觀測數(shù)據(jù)的處理，并可以生成PSRFITS；可以獲得脈沖星更細致的脈沖輪廓和精確的到達時間等參數(shù)，因此本文提出一種基于MARK 5B記錄系統(tǒng)+DSPSR數(shù)據(jù)處理的脈沖星觀測方式。

2 云南天文臺40 m射電望遠鏡現(xiàn)狀

云南天文臺40 m射電望遠鏡現(xiàn)配備有S和X波段饋源及S/X雙波段(本振分別為1 600 MHz與9 100 MHz)致冷接收機，終端設備為基于DBBC+Mark5B的VLBI終端，氫鐘的精度量級為10-12s；40 m射電望遠鏡參加中國大陸板塊和國際大地測量組織的VLBI聯(lián)測，獲得40 m射電望遠鏡精確的地理坐標；40 m射電望遠鏡利用從國家天文臺借用的PDFB系統(tǒng)觀測到120多顆脈沖星，為開展脈沖星觀測和脈沖星計時等相關的科學研究提供了必要的條件。構建的DBBC+Mark5B的脈沖星觀測系統(tǒng)和以DSPSR為數(shù)據(jù)處理核心的脈沖星觀測系統(tǒng)均為我國研制自己的脈沖星觀測終端提供了技術儲備。

3 基帶數(shù)字脈沖星觀測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理

脈沖星觀測系統(tǒng)由基帶數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理3部分組成，通過結合40 m射電望遠鏡的VLBI觀測終端構建脈沖星觀測記錄系統(tǒng)；基帶數(shù)據(jù)采集終端利用數(shù)字基帶轉換器，16通道，上下邊帶各8個，單通道帶寬從0.5 MHz以2倍因子一直到32 MHz，本振最小可調(diào)量為10～16 MHz；數(shù)據(jù)記錄終端采用美國Haystack天文臺研制的用于VLBI聯(lián)測的MK5B記錄系統(tǒng)，記錄速率最高可達2 Gps[7]；

脈沖星數(shù)據(jù)處理采用DSPSR開源軟件包，對脈沖星進行處理。脈沖星觀測系統(tǒng)的方框圖如圖1。

3.1 脈沖星觀測方式

脈沖星觀測的步驟為，首先檢查數(shù)字基帶轉換器的數(shù)據(jù)采集終端、MARK 5B記錄終端工作是否正常；啟動FS控制計算機，按脈沖星觀測的需要編寫觀測綱要文件。為了更好地檢查數(shù)據(jù)的觀測質(zhì)量和數(shù)據(jù)處理方法，采用3種觀測方式在S波段上邊帶觀測脈沖星，分別為8通道，單通道帶寬16 MHz，2 bits量化；2通道，單通道帶寬8 MHz，2 bits量化；2通道，單通道帶寬2 MHz，2 bits量化。8通道(BBC01～BBC08)頻率設置分別為：通道觀測頻率為584 MHz、600 MHz、616 MHz、632 MHz、648 MHz、664 MHz、680 MHz、696 MHz；對J0835-4510進行2通道的觀測，觀測頻率分別為 707 MHz、709 MHz。FS計算機通過觀測綱要對數(shù)字基帶轉換器進行頻率設置和控制MARK 5B的記錄狀態(tài)；啟動天線驅(qū)動器及天線控制軟件，操作天線控制軟件控制天線跟蹤計劃觀測的脈沖星；FS計算機根據(jù)觀測綱要控制MARK 5B使之開始(結束)記錄，觀測數(shù)據(jù)按照過程控制文件里所設置的模式記錄在MARK 5B的硬盤組里；利用MARK 5B的數(shù)據(jù)回放命令將脈沖星數(shù)據(jù)取至MARK 5B的計算機硬盤里，或是直接通過網(wǎng)絡傳送到數(shù)據(jù)處理計算機中，然后利用DSPSR對脈沖星觀測數(shù)據(jù)進行處理。

圖1 脈沖星觀測系統(tǒng)框圖
Fig.1 Block diagram of the pulsar observation system

3.2 DSPSR簡介

DSPSR是一個開源的、面向?qū)ο?、高性能的專門用于射電脈沖星天文學數(shù)字信號處理軟件包；經(jīng)過多年的發(fā)展，積累了廣泛的功能，比如：DSPSR通過POSIX架構，可以最優(yōu)利用中央處理器的多核多線程進行數(shù)據(jù)處理，提高數(shù)據(jù)的處理速率；DSPSR實現(xiàn)了多種算法相干消色散、濾波器組、雙極化數(shù)據(jù)處理等功能；以及利用tempo多項式預報脈沖星周期進行折疊。DSPSR根據(jù)觀測的帶寬設置情況可以實現(xiàn)實時相干消色散，折疊后的脈沖數(shù)據(jù)可以以PSRFITS的方式輸出；還可以自動切除無效的觀測數(shù)據(jù)、同時處理多個脈沖星數(shù)據(jù)；支持18種數(shù)據(jù)格式，包括FITS、S2、CPSR、CPSR2、 PuMa、PuMa2、WAPP、ASP、Mark5等。

隨著計算機的圖形處理單元(Graphics Processing Units, GPU)在數(shù)字信號處理中的應用，美國的國家射電天文臺利用GPU強大的運算能力，實現(xiàn)了GUPPI脈沖星觀測終端的實時相干消色散功能，證實了CPU+GPU異構集群的實時相干消色散能力[3]；DSPSR也在逐步擴展其在GPU方面的數(shù)據(jù)處理能力。

Parkes通過引進由位于伯克利的天文信號處理和電子學研究中心(the Center for Astronomy Signal Processing and Electronics Research, CASPER)的the Interconnect Break-out Board(IBOB)的數(shù)據(jù)采集終端，構建了基于GPU集群的信號處理CASPSR脈沖星觀測系統(tǒng)，該系統(tǒng)擁有4個節(jié)點可以實現(xiàn)在2 140 MHz頻率上實時相干消色散，每臺機器配備2塊NVIDIA的Tesla C1060 GPUs[8]；DSPSR的安裝需要PSRCHIVE的實驗室，因此在只有安裝成功PSRCHIVE才能成功安裝DSPSR；DSPSR也在進一步的發(fā)展和完善中，逐步擴展其靈活性和可移植性。

3.3 脈沖星觀測數(shù)據(jù)的DSPSR處理方法

脈沖星數(shù)據(jù)處理首先按照3.1節(jié)的觀測方法，對目標脈沖星進行觀測，觀測結束后對數(shù)據(jù)進行處理；按照MARK 5B的命令，從磁盤陣列中通過網(wǎng)絡將脈沖星觀測數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理電腦；然后按照MARK 5B的編碼方式，實現(xiàn)對觀測數(shù)據(jù)的解碼，并按照DSPSR對數(shù)據(jù)格式的要求，生成其所需要的數(shù)據(jù)格式；利用DSPSR對解碼后和格式轉換后的數(shù)據(jù)進行處理。根據(jù)DSPSR對數(shù)據(jù)處理的要求，首先要編寫一個脈沖星觀測信息的腳本文件，包括觀測頻率、射電源名稱、觀測模式、極化、通道、帶寬、采樣bit數(shù)、臺站信息、 數(shù)據(jù)大小等參數(shù)；通過修改dspsr命令參數(shù)調(diào)整中央處理器的線程數(shù)，可以提高運算速度；運算效率根據(jù)數(shù)據(jù)處理電腦的硬件配置，目前在Intel Core i5-430M(2.26 GHz)的中央處理器上的運算速度為512 Mbps/s，數(shù)據(jù)處理時間大概需要一秒。DSPSR的處理命令如下: dspsr-list-t 8-D 68-A-L 5 -c 0.08936637341318309178 0835_4510_20120907.dat

采用上述的脈沖觀測系統(tǒng)對PSR J0332+5434和PSR J0835-4510進行觀測，頻率設置觀測模式如3.1節(jié)所述，DSPSR對脈沖星觀測數(shù)據(jù)進行處理。

4 脈沖星數(shù)據(jù)處理和結果分析

對J0332+5434和J0835-4510采用不同的觀測帶寬進行了觀測，利用DSPSR按照3.3節(jié)講述的步驟對觀測數(shù)據(jù)進行處理。對J0835-4510進行128 MHz帶寬、8通道、2 bits采樣、觀測中心頻率2 240 MHz觀測和16 MHz帶寬、2通道、2 bits采樣、觀測中心頻率2 214 MHz觀測；對J0332+5434進行16 MHz帶寬、2通道、2 bits采樣、觀測中心頻率2 214 MHz觀測。觀測數(shù)據(jù)處理結果如圖2～3，從圖中可以直觀地看到觀測頻率、觀測帶寬、時間長度、信噪比等信息。利用DSPSR處理后的數(shù)據(jù)可以更直接反映觀測信息和觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，更重要的是可以生成通用的PSRFITS格式，從而實現(xiàn)Temp2和PSRCHIVE對MARK 5B記錄終端的數(shù)據(jù)處理。

圖2 J0835-4510的輪廓圖(觀測頻率2 240 MHz、帶寬128 MHz、8通道)

Fig.2 The pulse profile of PSR J0835-4510 observed at the radio frequency 2240MHz (BW: 128MHz; Channels: 8)

圖3 J0835-4510在頻域和時域的柱狀圖
Fig.3 The phase distributions of the 2240MHz pulse profile of PSR J0835-4510 in the frequency and time domains

從圖3的頻域柱狀圖中可以明顯地看到不同的通道經(jīng)過相干消色散已經(jīng)對齊，時間域的柱狀圖已經(jīng)被拉直了。

圖4～5分別是J0332+5434和J0835-4510在觀測的中心頻率為2 214 MHz、2通道、每通道8 MHz帶寬的脈沖輪廓圖和時間域的柱狀圖。通過DSPSR對觀測數(shù)據(jù)進行處理，可以清楚看到J0332+5434脈沖星的雙峰結構，J0332+5434和J0835-4510的2 min的數(shù)據(jù)信噪比分別為29.886和75.212，可以滿足脈沖星計時對信噪比的要求。

圖4 J0332+5434的折疊脈沖輪廓圖和時間域的柱狀圖

Fig.4 The pulse profile of PSR J0332+5434 observed at the radio frequency 2214MHz and its phase distribution in the time domain

圖5 J0835-4510的折疊脈沖輪廓圖和時間域的柱狀圖

Fig.5 The pulse profile of PSR J0835-4510 observed at the radio frequency 2214MHz and its phase distribution in the time domain

為了驗證文中敘述的設備所觀測的數(shù)據(jù)質(zhì)量，根據(jù)European Pulsar Network的資料，對J0835-4510在采用同樣的頻率設置、觀測帶寬對其在S波段的輪廓圖比較，結果如圖6。

圖6中左圖是DSPSR對40 m射電望遠鏡和Parkes的射電望遠鏡對J0835-4510在2 309 MHz、4 MHz帶寬的觀測數(shù)據(jù)的處理結果，從圖中可以獲知40 m射電望遠鏡觀測到單個脈沖圖和Parkes觀測的折疊脈沖輪廓是一致的。

圖6 40 m射電望遠鏡和Parkes的射電望遠鏡的J0835-4510輪廓圖

Fig.6 The pulse profile of PSR J0835-4510 observed at the radio frequency 2309MHz from the YNAO 40m radio telescope and the Parkes radio telescope

5 結 論

通過構建的脈沖星觀測系統(tǒng)實現(xiàn)對J0332+5434和J0835-4510兩顆流量較強的脈沖星的觀測和數(shù)據(jù)處理，初步證實了40 m射電望遠鏡的脈沖星觀測系統(tǒng)能夠進行脈沖星觀測。就所觀測的兩顆脈沖星的情況，數(shù)據(jù)的信噪比已經(jīng)達到作進一步研究的要求，如TOA計算。DSPSR處理后的數(shù)據(jù)生成PSRFITS格式的數(shù)據(jù)，為后期進一步的數(shù)據(jù)處理提供了必要的條件。在觀測頻率、帶寬相等的條件下比較了40 m射電望遠鏡和EPN的J0835-4510在S波段的輪廓圖；采用8通道、單通道16 MHz，2 bit采樣對J0835-4510觀測，均驗證了40 m射電望鏡在現(xiàn)有終端情況下的脈沖星觀測能力。為提升該觀測系統(tǒng)的易操作性和自動化，需要對現(xiàn)有的觀測終端進一步完善，比如實現(xiàn)FS計算機和天線控制軟件的通信、MARK 5B數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡實時傳輸和DSPSR實現(xiàn)對較低觀測數(shù)據(jù)流的脈沖星數(shù)據(jù)的實時處理等功能。

致謝：感謝射電天文與VLBI團組成員的大力支持和熱情幫助，在此深表謝意。

[1] 羅近濤. 數(shù)字化脈沖星接收機若干關鍵技術研究[D]. 上海: 中國科學院上海天文臺, 2012.

[2] Industry Engagement Strategy[EB/OL] . [2012-11-08]. http://www.skatelescope.org/.

[3] Ransom Scott, Demorest P, Ford J, et al. GUPPI: Green Bank Ultimate Pulsar Processing Instrument[M]. American Astronomical Society, AAS Meeting.

[4] 劉立勇, 艾力·伊沙木丁, 張晉. 烏魯木齊天文站建立脈沖星相干消色散觀測系統(tǒng)[J]. 天文研究與技術——國家天文臺臺刊, 2007, 4(1): 72-78.

Liu Liyong, Ali Esamdin, Zhang Jin. Pulsar coherent de-dispersion system in the Urumqi Observatory[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2007, 4(1): 72-78.

[5] 李志玄, 汪敏, 郝龍飛, 等. 基于DBBC+Mark 5B記錄系統(tǒng)的脈沖星觀測[J]. 天文研究與技術——國家天文臺臺刊, 2011, 8(1): 1-7.

Li Zhixuan, Wang Min, Hao Longfei, et al. Observations of pulsars with a record system combining a DBBC and a Mark 5B[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2011, 8(1): 1-7.

[6] Aidan Hotan. DSPSR: Digital Pulsar Signal Processing[EB/OL]. [2012-11-08]. http://dspsr.sourceforge.net/index.shtml.

[7] Mark 5 VLBI Data System[EB/OL]. [2012-11-08]. http://www.haystack.mit.edu/.

[8] W van Straten, M Bailes. DSPSR: Digital Signal Processing Software for Pulsar. Astronomy[M]. Publications of the Astronomical Society of Australia, 2011, 28: 1-14.

APulsarObservationSystemwithaMark5BRecordingSystemandaDSPSRSoftware

Xu Yonghua1,3, Luo Jintao2,4, Li Zhixuan1,3, Hao Longfei1,3, Wang Min1,3, Dong Jiang1,3

(1. Yunnan Observatories, Chinese Academy of Sciences, Kunming 650011, China, Email: yhx@ynao.ac.cn; 2. Joint Institute for VLBI in Europe, Postbus; 2, 7990 AA Dwingeloo, the Netherlands; 3. Key Laboratory for the Structure and Evolution of Celestial Objects, Chinese Academy of Sciences; 4. Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China)

Some observations of PSR J0332+5434 and PSR J0835-4510 were carried out by the radio astronomy group in the YNAO(Yunnan Observatories) using pulsar observation system based on a DBBC(Digital Base Band Converter) backend data acquisition system, a Mark 5B recording system, and the DSPSR(Digital Signal Processing for Pulsars) software. The RCP (Right Circular Polarization) S-band was selected for the observations. We used 2 channels with a total bandwidth of 4MHz, 4 channels with a total bandwidth of 16MHz, and 8 channels with a total bandwidth of 128MHz. The DSPSR was used for the coherent dedispersion of the data with the results in the PSRFITS format if needed. The entire pulsar observation system has better data processing methods, higher calculation efficiency, and more adaptability to data as compared to an old system only with DBBC and Mark 5B.

Radio Astronomy; Pulsar: PSR J0835-4510; Pulsar: PSR J0332+5434; YNAO 40m Telescope; DSPSR; Coherent dedispersion

CN53-1189/PISSN1672-7673

P111.44

A

1672-7673(2013)04-0352-07

國家自然科學基金 (11103080) 資助.

2012-11-08；修定日期：2012-11-29

徐永華，男，碩士. 研究方向：射電天文信號. Email: yhx@ynao.ac.cn