原初引力波探测信号读取系统及方法

技术领域

本发明涉及射电天文技术领域，尤其涉及一种原初引力波探测信号读取系统及方法。

背景技术

天文学上，引力波源大致被分为两种，一种是天体物理起源，另一种是宇宙学起源，其中，宇宙学起源的引力波又被称为原初引力波，目前对于原初引力波的观测主要依赖于原初引力波望远镜，其中，原初引力波望远镜主要由超导相变边缘探测器(Transition-Edge Sensor,TES)、制冷箱、读出系统等部分组成。TES探测器是太赫兹探测器的一种，太赫兹波段占有宇宙微波背景辐射以后宇宙空间近一半的光子能量，该波段在天文学研究中具有不可替代的作用。

原初引力波信号极其微弱，探测原初引力波需要在满足苛刻的噪声、精度和稳定性要求下读出数万个超导相变边缘探测器TES来达到灵敏度要求，而我国目前没有大规模TES探测器阵列读出系统实际应用案例。

发明内容

本发明提供一种原初引力波探测信号读取系统及方法，用以解决现有技术中存在的问题。

本发明提供一种原初引力波探测信号读取系统，包括：现场可编程逻辑门阵列，所述现场可编程逻辑门阵列包括数字序列存储模块和逻辑处理模块，所述数字序列存储模块用于向数模转换器发送第一数字信号；

数模转换器，用于将从所述数字序列存储模块读取的第一数字信号转换为第一模拟信号；

探测器阵列，用于基于原初引力波探测信号调整所述第一模拟信号，输出第二模拟信号；

模数转换器，用于将所述第二模拟信号转换为第二数字信号，并将所述第二数字信号发送到所述逻辑处理模块，所述逻辑处理模块用于处理所述第二数字信号，输出逻辑处理信号；

处理器，用于处理所述逻辑处理信号，输出原初引力波探测信号的相位图像数据。

根据本发明提供的一种原初引力波探测信号读取系统，所述系统还包括：交换机，所述交换机的一端电连接所述现场可编程逻辑门阵列的逻辑处理模块，所述交换机的另一端电连接多个所述处理器。

根据本发明提供的一种原初引力波探测信号读取系统，所述系统还包括：存储器，所述存储器用于存储所述原初引力波探测信号的相位图像数据。

根据本发明提供的一种原初引力波探测信号读取系统，所述处理器包括中央处理器和图形处理器。

根据本发明提供的一种原初引力波探测信号读取系统，所述探测器阵列包括多个探测器单元，所述探测器单元包括超导量子干涉器件和超导相变边缘探测器。

本发明还提供一种原初引力波探测信号读取方法，包括：数字序列存储模块发出的第一数字信号经由数模转换器得到第一模拟信号，所述第一模拟信号经由探测器阵列得到第二模拟信号，所述第二模拟信号经由模数转换器得到第二数字信号；

在逻辑处理模块内对所述第二数字信号依次执行滤波、傅里叶变换、选频和变频处理，得到逻辑处理信号并将所述逻辑处理信号发送给处理器；

在处理器内对所述逻辑处理信号依次执行相位计算、解调锯齿波和积分处理，输出原初引力波探测信号的相位图像数据。

根据本发明提供的一种原初引力波探测信号读取方法，数字序列存储模块发出的第一数字信号经由数模转换器得到第一模拟信号，所述第一模拟信号经由探测器阵列得到第二模拟信号，所述第二模拟信号经由模数转换器得到第二数字信号；

在逻辑处理模块内对所述第二数字信号依次执行滤波、傅里叶变换、选频和变频处理，得到逻辑处理信号，所述逻辑处理信号经由交换机发送给多个处理器；

在多个所述处理器内对所述逻辑处理信号依次执行相位计算、解调锯齿波和积分处理，输出原初引力波探测信号的相位图像数据。

本发明提供的原初引力波探测信号读取系统及方法，通过将原初引力波探测器的探测信号进行分区处理，即探测信号先在现场可编程逻辑门阵列的逻辑处理模块内进行处理，得到逻辑处理信号，然后该逻辑处理信号进入处理器内进行再次处理，最终输出原初引力波探测信号的相位图像数据，上述处理方式提高了对探测信号的读取效率和读取准确率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的原初引力波探测信号读取系统的结构示意图之一；

图2是本发明提供的原初引力波探测信号读取系统的结构示意图之二；

图3是本发明提供的原初引力波探测信号读取方法的流程示意图之一；

图4是本发明提供的原初引力波探测信号读取方法的流程示意图之二；

图5是本发明提供的原初引力波探测信号读取方法的流程示意图之三。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明提供的原初引力波探测信号读取系统的结构示意图之一，如图1所示，所述系统包括：

现场可编程逻辑门阵列，所述现场可编程逻辑门阵列包括数字序列存储模块和逻辑处理模块，所述数字序列存储模块用于向数模转换器发送第一数字信号；

数模转换器，用于将从所述数字序列存储模块读取的第一数字信号转换为第一模拟信号；

探测器阵列，用于基于原初引力波探测信号调整所述第一模拟信号，输出第二模拟信号；

模数转换器，用于将所述第二模拟信号转换为第二数字信号，并将所述第二数字信号发送到所述逻辑处理模块，所述逻辑处理模块用于处理所述第二数字信号，输出逻辑处理信号；

处理器，用于处理所述逻辑处理信号，输出原初引力波探测信号的相位图像数据。

需要说明的是，现场可编程逻辑门阵列(FPGA)是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。以硬件描述语言(Verilog或VHDL)所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至FPGA上进行测试，是现代IC设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路(比如AND、OR、XOR、NOT)或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在本发明实施例中，FPGA包括数字序列存储模块和逻辑处理模块，其中数字序列存储模块用于向数模转换器发送第一数字信号。

数模转换器(DAC)是一种将二进制数字量形式的离散信号转换成以标准量为基准的模拟量的转换器。在本发明实施例中，DAC用于将从数字序列存储模块读取的第一数字信号转换为第一模拟信号。

多个探测器单元并联组成一个探测器阵列，探测器阵列对于原初引力波的探测能力远远强于单个探测器单元，适用于对原初引力波微弱信号的探测过程。在本发明实施例中，探测器阵列用于基于原初引力波探测信号调整第一模拟信号，输出第二模拟信号。

模数转换器(ADC)是把经过与标准量比较处理后的模拟量转换成以二进制数值表示的离散信号的转换器，ADC与DAC对于信号的转换过程是一个互逆过程。在本发明实施例中，ADC用于将第二模拟信号转换为第二数字信号，并将第二数字信号发送到逻辑处理模块，然后逻辑处理模块对第二数字信号进行处理，输出逻辑处理信号。

处理器包括中央处理器(CPU)和图形处理器(GPU)。在本发明实施例中，处理器用于处理逻辑处理信号，输出原初引力波探测信号的相位图像数据。

需要说明的是，现有技术中对于原初引力波探测信号处理的全过程均是在FPGA上完成，FPGA对数据的处理程序强依赖于其上面的电子元件排布，每当对于数据的处理流程改变时，就需要对FPGA上的电子元件进行重新排布，基于此依赖于FPGA对于探测信号的处理过程相对固定，难以改变，即使对其进行改变也会面临成本高的问题。而本发明实施例中利用FPGA实现对原初引力波探测信号的滤波、傅里叶变换、选频以及调频的处理过程，上述处理流程的共同特点是处理过程固定，无需频繁更换，可以适用于多种处理需求；与此同时，利用处理器实现对原初引力波探测信号的后续处理过程，具体有：相位计算、解调锯齿波以及积分计算，上述三个流程的特点在于具体处理过程需要根据实际需求进行实时调整，对于灵活调整的要求较高，而处理器对于数据具体处理过程强依赖于软件程序，而软件程序在处理器上的调整是十分灵活的，且易操作。

本发明提供的原初引力波探测信号读取系统，通过将原初引力波探测器的探测信号进行分区处理，即探测信号先在现场可编程逻辑门阵列的逻辑处理模块内进行处理，得到逻辑处理信号，然后该逻辑处理信号进入处理器内进行再次处理，最终输出原初引力波探测信号的相位图像数据，上述处理方式提高了对探测信号的读取效率和读取准确率；与此同时，基于该读取系统可以执行更复杂的算法并且在处理器上实现对数据处理过程的灵活修改与升级，进而提高处理过程与实际应用场景的匹配度，提高数据处理可靠性。

图2是本发明提供的原初引力波探测信号读取系统的结构示意图之二，如图2所示，所述系统还包括：交换机，所述交换机的一端电连接所述现场可编程逻辑门阵列的逻辑处理模块，所述交换机的另一端电连接多个所述处理器。

需要说明的是，交换机(Switch)是一种用于电信号转发的网络设备，它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。在本发明实施例中，交换机的一端电连接现场可编程逻辑门阵列的逻辑处理模块，另一端电连接多个处理器。其中，多个处理器组成处理器集群，提高对于探测信号的处理能力。

假设处理器集群中有110个GPU，其中每11个GPU用于一个科学目标的计算，交换机对逻辑处理模块发送来的逻辑处理信号进行复制和分发，每11个GPU所组成的处理器子集群对应不同的科学目标，对同一来源的数据进行不同的计算处理，例如处理器子集群1用于对谱线的研究，处理器子集群2用于原初引力波的研究，处理器子集群3用于脉冲星的研究，通过交换机对数据的复制与分发过程，使得对于探测信号的处理过程实现了并行处理，与此同时，因为天文数据都比较大，无法做到将所有数据都保存下来然后慢慢处理，即天文数据对于数据处理具有实时性要求，而交换机的使用也一定程度上满足了天文数据的实时性处理要求，进而实现了对于原初引力波信号探测数据的最大化利用。

本发明提供的原初引力波探测信号读取系统，通过在系统内设置交换机，利用交换机连接逻辑处理模块和处理器集群，在不同科学目标要求下，实现对于原初引力波信号探测数据的实时性读取处理，最大限度下利用了探测数据，提升信号探测的精准度。

根据本发明提供的原初引力波探测信号读取系统，所述系统还包括：存储器，所述存储器用于存储所述原初引力波探测信号的相位图像数据。

需要说明的是，在本发明实施例中，存储器用于实现对处理器输出的原初引力波探测信号的相位图像数据进行存储，在此对于存储器的具体型号与具体种类不做限定。

本发明提供的原初引力波探测信号读取系统，通过在系统内设置存储器，实现将处理器输出的原初引力波探测信号的相位图像数据进行存储，便于探测过程完成后对于相位图像数据的调取使用。

根据本发明提供的原初引力波探测信号读取系统，所述处理器包括中央处理器和图形处理器。

需要说明的是，在本发明实施例中，处理器由中央处理器(CPU)和图形处理器(GPU)组成，且CPU与GPU之间的数量关系可以是一对一、一对多或者多对一，可视具体需求进行合理调整；在利用处理器进行原初引力波探测信号的处理过程中，GPU执行相位计算处理和解调锯齿波处理，而CPU执行积分处理。

本发明提供的原初引力波探测信号读取系统，通过利用CPU和GPU组成处理器，基于该处理器实现对探测信号的处理，最终输出原初引力波探测信号的相位图像数据，在确保处理准确度的前提下，有效提升了处理效率。

根据本发明提供的原初引力波探测信号读取系统，所述探测器阵列包括多个探测器单元，所述探测器单元包括超导量子干涉器件和超导相变边缘探测器。

需要说明的是，利用单个探测器对原初引力波进行探测时，由于原初引力波信号十分微弱，所以往往得不到良好的探测结果，在本发明实施例中，利用多个探测器单元并联组成的探测器阵列对原初引力波信号进行探测，提高了对于信号探测的精度，确保后续读取结果的准确。与此同时，每个探测器单元由超导量子干涉器件(SQUID)和超导相变边缘探测器(TES)组成。

本发明提供的原初引力波探测信号读取系统，通过利用多个探测器单元并联组成探测器阵列，提高了原初引力波信号探测的精度，进而确保了后续读取结果的准确度。

图3是本发明提供的原初引力波探测信号读取方法的流程示意图之一，如图3所示，所述方法包括：

S110，数字序列存储模块发出的第一数字信号经由数模转换器得到第一模拟信号，所述第一模拟信号经由探测器阵列得到第二模拟信号，所述第二模拟信号经由模数转换器得到第二数字信号；

S120，在逻辑处理模块内对所述第二数字信号依次执行滤波、傅里叶变换、选频和变频处理，得到逻辑处理信号并将所述逻辑处理信号发送给处理器；

S130，在处理器内对所述逻辑处理信号依次执行相位计算、解调锯齿波和积分处理，输出原初引力波探测信号的相位图像数据。

需要说明的是，现场可编程逻辑门阵列(FPGA)中的数字序列存储模块发出第一数字信号，数模转换器(DAC)接收该第一数字信号并对其进行转换，得到对应的第一模拟信号，该第一模拟信号经由探测器阵列得到第二模拟信号，模数转换器(ADC)接收第二模拟信号并对其进行转换，得到与其对应的第二数字信号。

第二数字信号在FPGA中的逻辑处理模块内进行一系列处理过程，先后依次进行滤波、傅里叶变换、选频和变频处理，最终得到逻辑处理信号并将该逻辑处理信号发送给处理器。

需要说明的是，上述过程中执行滤波处理的作用在于过滤掉杂波，以避免杂波对后续处理过程的干扰；变频的作用往往在于降频，降低探测信号的频率，低频信号的处理难度要远低于高频信号，一定程度上提高信号的处理效率和准确度。

在处理器内对逻辑处理信号依次执行相位计算、解调锯齿波和积分处理，最终输出原初引力波探测信号的相位图像数据。上述处理过程中，解调锯齿波处理是基于科学目标获取相位信号的抖动，积分计算是为了降低科学数据的速率。本发明提供的原初引力波探测信号读取方法，通过将原初引力波探测信号依次在逻辑处理模块中依次进行滤波、傅里叶变换、选频和变频处理，得到逻辑处理信号，然后将逻辑处理信号发送到处理器中，依次执行相位计算、解调锯齿波和积分处理，最终输出原初引力波探测信号的相位图像数据，通过对原初引力波探测信号的分部处理，提高了信号的处理效率和处理精确度。

图4是本发明提供的原初引力波探测信号读取方法的流程示意图之二，如图4所示，所述方法包括：

S210，数字序列存储模块发出的第一数字信号经由数模转换器得到第一模拟信号，所述第一模拟信号经由探测器阵列得到第二模拟信号，所述第二模拟信号经由模数转换器得到第二数字信号；

S220，在逻辑处理模块内对所述第二数字信号依次执行滤波、傅里叶变换、选频和变频处理，得到逻辑处理信号，所述逻辑处理信号经由交换机发送给多个处理器；

S230，在处理器内对所述逻辑处理信号依次执行相位计算、解调锯齿波和积分处理，输出原初引力波探测信号的相位图像数据。

需要说明的是，原初引力波探测信号在逻辑处理模块内部依次进行滤波、傅里叶变换、选频以及变频处理后，得到逻辑处理信号，利用交换机对得到的逻辑处理信号进行复制和分发，分发给多个处理器。交换机在对逻辑处理信号进行分发时的分发依据有两种类型，一种是基于原初引力波探测的特点，一种是基于不同的科学目标，科学目标指的是对于探测信号不同处理需求，例如对于谱线的研究和对于脉冲星的研究即属于不同的科学目标。

①交换机基于原初引力波探测的特点进行的分发，由于大规模探测器阵列一共有19个模块，每个模块上有1712个TES探测器，信号进行分发时，同一个模块上的探测信号将分发到同一个子集群上进行处理。

②交换机基于不同的科学目标进行的分发，基于科学目标设置多个不同的子集群，而多个处理器组成处理器集群，假设该处理集群中有110个GPU，其中每11个GPU用于一个科学目标的计算，交换机对逻辑处理模块发送来的逻辑处理信号进行复制和分发，每11个GPU所组成的处理器子集群对应不同的科学目标，交换机基于上述不同的科学目标执行分发处理。

天文数据因为数据量庞大，无法做到将所有数据都储存下来然后进行离线处理，因此天文数据的读取处理过程具有很强的实时性。另外，由于天文望远镜往往造价昂贵，因此天文望远镜的观测时间十分宝贵，要尽可能充分利用望远镜的观测时间，提高数据的复用率。例如：假如某次可以使用的望远镜观测时间只有35个小时，这35个小时望远镜扫过某个天区。若不对数据进行复制和分发，35个小时的观测一般只用于某一个科学目标，比如只用于原初引力波的研究，如果要进行其他的科学研究，需要占用其他的观测时间，因此如果要对几个科学目标进行研究，需要使用的望远镜观测时间就会呈倍数增长。

本发明提供的原初引力波探测信号读取方法，通过将原初引力波探测信号依次在逻辑处理模块中依次进行滤波、傅里叶变换、选频和变频处理，得到逻辑处理信号，然后将逻辑处理信号发送到处理器中，依次执行相位计算、解调锯齿波和积分处理，最终输出原初引力波探测信号的相位图像数据，通过对原初引力波探测信号的分部处理，提高了信号的处理效率和处理精确度；与此同时，借助于交换机对于探测信号的复制和分发过程，实现了对探测信号基于不同科学目标下的并行处理，有效提高了探测信号的利用率，充分利用了望远镜的观测时间，丰富了数据获取的种类。

图5是本发明提供的原初引力波探测信号读取方法的流程示意图之三，如图5所示，所述方法包括：

Step1，现场可编程逻辑门阵列FPGA中的数字序列存储模块经由数模转换器DAC不断发出第一数字信号，经过超导相变边缘探测器阵列，输出第二数字信号；

Step2，第二数字信号经过模数转换器ADC后，传入现场可编程逻辑门阵列FPGA进行处理；

Step3，第二数字信号在FPGA上进行滤波(FIR)、傅里叶变换(FFT)、选频和数字下变频(DDC)处理，输出逻辑处理信号；

Step4，逻辑处理信号经过Multicast Swich交换机进行复制和分发，传输到GPU上；

Step5，逻辑处理信号在GPU上进行相位计算、锯齿波解调和积分计算，得到处理结果；

Step6，将处理结果进行保存，如存入数据库等。

本发明提供的原初引力波探测信号读取方法，通过将原初引力波探测信号依次在FPGA上依次进行滤波、傅里叶变换、选频和变频处理，得到逻辑处理信号，然后将逻辑处理信号发送到处理器中，依次执行相位计算、解调锯齿波和积分处理，最终输出原初引力波探测信号的相位图像数据，通过对原初引力波探测信号的分部处理，提高了信号的处理效率和处理精确度；与此同时，借助于交换机对于探测信号的复制和分发过程，实现了对探测信号基于不同科学目标下的并行处理，有效提高了探测信号的利用率，充分利用了望远镜的观测时间，丰富了数据获取的种类。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。