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[硕士论文] 许余云
数学 贵州师范大学 2017(学位年度)
摘要:2016年9月五百米口径球面射电望远镜(FAST)已经建成,脉冲星巡天将是FAST开展的重要科学项目之一,预计年巡天数据量将产生上亿脉冲星候选体,依赖人工筛选和验证已不能满足巡天的数据时效需求,更不可能实现数据的实时处理。因此,本文将针对脉冲星搜索数据处理中现有的筛选方法进行总结和展望,并实现候选体的自动化验证,以及对FAST团队即将开展的基于模式识别筛选候选体工作中模拟观测数据程序simPulseTrain进行优化和并行化改造。
  本文梳理有关FAST的指标和观测性能,介绍脉冲星巡天方式。其次,介绍脉冲星搜索数据处理过程,并综述人工智能方法在脉冲星候选体筛选中的应用,统计分析已有脉冲星候选体筛选方法性能,并对FAST脉冲星候选体筛选工作进行展望。此外,传统的脉冲星候选体验证是通过人工查询PSRCAT中数据进行对比,效率较低,本文将基于Web和数据库技术实现脉冲星候选体验证自动化,并开发相应的Web接口。利用Parkes多波束脉冲星巡天在FAST天区数据进行处理(约60G),获得了约3万个候选体文件进行验证,最终得到27颗已知脉冲星对应的247个脉冲星候选体,结果表明该方法对计算中产生的对应周期的候选体均能成功匹配。FAST团队模拟生成的观测数据用于模拟FAST脉冲星漂移巡天及估算巡天的灵敏度,并即将开展生成特定类型的候选体用于机器学习训练集,实现脉冲星候选体筛选智能化。模拟程序simPulseTrain在模拟带色散的信号时通道数较多,生成程序采用单线程方式,运行速度太慢,因此,需要实现模拟方法并行化。概述了脉冲星观测数据模拟方法,并优化了模拟方法,在多核CPU上利用OpenMP并行程序设计,实现并行加速,最终实验数据表明:采用CPU多核并行能将改进的算法性能提升约14倍。
[硕士论文] 陈磊
电子与通信工程 山东大学 2017(学位年度)
摘要:太阳射电观测具有重要的空间物理科学研究价值和独特的空间天气应用价值,以太阳射电爆发及其精细结构的动态频谱为主要研究内容,因而需要构建高频率分辨率和高时间分辨率的频谱分析系统。GPU卓越的浮点计算性能和高密度计算能力可以较好地满足分析系统的要求,相比于CPU及其他高速数字信号处理器,GPU的低成本、易开发以及高性能的特点具有无可比拟的优势,所以,本文结合项目需求开展了基于GPU的太阳射电频谱分析系统的设计与实现课题。
  本文利用CPU+GPU异构方式构建了太阳射电频谱分析系统,通过大量文献及仿真的研究,设计了分析系统的算法,并利用CUDA平台实现系统的并行化加速,同时在深入研究GPU并行计算体系及优化策略的基础上对并行软件进行了各个层次的深度优化。系统可以实时运行的关键在于主机与设备间的通信延迟与GPU的高速运算,本文巧妙地利用虚拟内存盘实现了主机内存与高速采集卡的高速数据传输,通过数据包缓存方式及内存的高带宽较好地隐藏了传输时间。此系统的性能指标相比于项目第一阶段有了较大的提升,将频率分辨率从~30kHz提高至~4kHz,时间分辨率从10ms提高至2ms,并且灵活可调,同时数据利用率从~1%提高至~25%。
  本文完成的主要工作包括:设计了基于高速数据采集卡(基于FPGA)+CPU+GPU混合异构模式的太阳射电接收机的总体结构,以及基于CUDA平台的频谱分析系统的总体方案。针对太阳射电暴检测做了重点讨论和研究,设计了基于混合高斯模型的检测方法,将图像处理的运动检测方法移植到射电暴检测上来;同时,根据射电暴带宽的特点,尝试提出了一种数字形态学滤波与单维高斯模型的级联检测新方法,并与前者通过仿真对比体现出了新方法具有一定的优势。基于CUDA平台进行了频谱分析系统的开发与实现,并做了各个层次的优化;重点对并行规约算法进行了优化分析,系统中的求均值和形态学滤波算法需要用到大规模的并行规约运算,本文实现了任意大小的规约,并且基于共享内存、线程分配、去除分支、寻址方式、线程束与循环展开进行了深度优化;合理分配CPU与GPU计算任务,实现了CPU与GPU的异步并行执行的优化;同时运用CUDA流对软件整体执行实现任务级别的并行优化。最终经过整机性能测试,确定了最终实现方法,可以初步满足射电观测人员对太阳射电暴及其精细结构的研究。
[博士论文] 陈杰
物理电子学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:随着科学技术的进步和我国综合国力的提升,我国对地基大型光学望远镜和极地光学望远镜等相关天文科学仪器方面的发展越来越重视。天文成像系统是实现天文科学研究的重要设备,其功能结构根据环境以及被观测对象特点的差异而不同,其研制与实现本身就是对相关关键技术的研究和攻克。
  在本论文中,主要对极端温度环境下的温度控制技术以及近红外天光的微弱信号探测相关技术进行了研究,并实现了相应的技术需求。
  在天文观测中,光学系统的稳定是整个系统长期运行的关键保证之一,对处于南极内陆的天文成像系统这一点尤为重要,对于极端环境中的温度敏感型光学部件进行温度控制是确保系统稳定运行的关键。南极亮星巡天望远镜中需要进行温度控制的部件是处于CCD相机前方的机械快门,其保温空间狭小,紧邻CCD封窗玻璃,对温度的控制和保温结构的设计以及电子学性能等方面存在诸多新的挑战。本文中结合传热学基础理论,对保温需求进行了深入分析,在结构、温度控制电路和控制算法等方面展开了深入研究,对涉及的保温结构方案,加热方案,电子学功能模块以及算法等方面的设计进行了具体的介绍,对低温环境下部分电子学元件的性能漂移的影响及其解决方案进行了分析研究。设计研制了针对南极亮星巡天望远镜快门的温度控制系统。该系统在-86℃环境中经过长期的性能测试,目前已在南极中山站稳定运行至今。
  近红外天光强度是我国发展红外天文望远镜中非常重要的参数之一,主要测量观测站点上空J、H、K三个大气窗口内天光强度。对于天文望远镜来说,其强度会影响望远镜的巡天深度、曝光时间,并能够评估观测站点计划建造的望远镜的口径与其科学产出的关系,避免观测站点对望远镜口径的过分追求。发展针对天光强度信号进行探测的技术对已建造的望远镜和规划中的望远镜均具有重要的意义。然而,我国目前一直缺乏自主研发的近红外天光测量系统。近红外天光信号中常常混杂着环境的各种干扰信号,使得对天光信号的探测变得异常困难。考虑到天文观测的需求,测量系统具有对微弱信号探测以及自动化观测的能力,因此论文对近红外探测器的前置放大器、ADC与数据采集模块、真空制冷与机电技术以及数据处理算法进行了重点研究。为了降低噪声,对探测器进行深度制冷,前置放大器采用跨阻型放大器减少前放部分的噪声贡献。设计机电设备用以实现自动化观测。为了匹配天光强度的动态范围,设计高精度ADC及其数据采集模块。在提升信噪比方面,采用波形调制与正交矢量型数字锁相算法对探测器信号进行提取。目前已经完成了近红外天光测量原型样机,并实现了对南极天空流量相当的黑体响应的测量。
  在本论文的工作中,成功实现了南极亮星巡天望远镜快门的极端环境温度控制和近红外天光测量系统的微弱信号探测。将实现天文成像系统所需的相关技术进行了有效的融合,并取得了一些研究成果。
  本论文的创新之处如下:
  (1)采用了保温腔结构与电子学相结合的研究模式,实现了在-86℃下对南极亮星巡天望远镜快门的高精度温度控制。所设计的温度控制系统本身无需保温,可在-86℃环境稳定使用,通过控制算法实现0.0782℃的温控稳定度,并消除了低温下温度控制的不安全性。
  (2)研制了真空、低温、光机电一体化的深度制冷系统,通过冷链和绝热设计,使探测器的制冷深度低至61.4K。光机系统采用不同于国外方案的非制冷方式,大幅降低制冷机负载,且自身发射并不会显著提升内部噪声。
  (3)对微弱的近红外天光背景信号,利用深度制冷技术降低探测器噪声,利用交流调制技术去除1/f噪声,采用正交矢量型锁相技术以及相应的读出电路对信号进行有效测量,研制了面向南极近红外天光背景测量仪的原型系统。
[硕士论文] 慈旋
天体物理 河北师范大学 2017(学位年度)
摘要:银河系的结构和演化是天体物理研究的一个重要课题,银盘作为银河系的主要结构成分是否存在所谓的薄盘和厚盘子结构也一直是一个存在争议的问题。我们将利用LAMOST望远镜反银心巡天计划获得光谱数据,分析大样本银盘恒星的α-元素丰度分布,并结合恒星运动学特征来揭示银盘的结构和化学演化。
  第一部分内容是用LAMOST巡天DR3释放的恒星光谱,分析得到了其中77万多颗巨星样本的[α/Fe]丰度分布,结果显示银盘的确存在高[α/Fe]和低[α/Fe]这2个不同的恒星结构成分。然后分析了[α/Fe]沿着银盘径向R和垂向z的丰度梯度分布,结果表明,银盘恒星的[α/Fe]总体上是随着|z|的增加而增加的,沿银盘的径向,[α/Fe]呈现一个随着R的增加而降低的负梯度。
  第二部分内容是根据巨星样本的[α/Fe]随金属丰度[Fe/H]的分布,将银盘恒星划分薄盘(D)和厚盘(TD)的2个星族成分,通过比较厚盘恒星与薄盘恒星的相对计数Ntd/Nd随银盘径向和垂向的梯度变化研究银盘的结构。结果发现,Ntd/Nd随着银心距R的增加有明显的负梯度,且内盘的Ntd/Nd降速更快,外盘的Ntd/Yd降速逐渐减慢,甚至趋于平坦;在银盘垂向上,Ntd/Nd同样存在一个随|z|值增加而增的正梯度,且内盘的Ntd/Yd梯度明显大于外盘。
  第三部分内容是从LAMOST巡天释放的DR4数据中选取了51042颗太阳附近1kpc以内的巨星样本,分析得到样本星的[α/Fe]丰度,然后分别利用运动学标准和我们设定的[α/Fe]丰度判据将太阳附近的恒星样本划分为薄盘与厚盘,研究这2种不同分类方法得到的薄盘和厚盘成分的异同。结果发现,用运动学选出的薄盘星有6%~8.7%混到[α/Fe]丰度给出的厚盘星中,而用运动学选出的厚盘星在不同位置处分别有4.2%~20.6%混到[α/Fe]丰度给出的薄盘星中。
  总之,我们总共分析了LAMOST光谱巡天获得的82万颗巨星样本的[α/Fe]丰度,这是迄今为止最大样本的[α/Fe]丰度数据。我们的分析结果表明:
  (1)银盘的确存在薄盘和厚盘2个[α/Fe]丰度不同的结构成分,薄盘的主要分布在银道面上下0.4kpc以内但却一直延伸到银盘的边缘,厚盘主要分布在离开银道面1kpc以外且主要分布在内盘,厚盘的[α/Fe]丰度平均高于薄盘,而且厚盘恒星的速度弥散也大于薄盘。
  (2)尽管银盘包含厚盘和薄盘2个成分,但无论是在空间位置上还是[α/Fe]丰度以及金属丰度分布上,薄盘和厚盘恒星并没有严格的分界线。
  (3)在太阳附近,利用恒星运动学划分的薄盘和厚盘成分与利用[α/Fe]丰度划分的星族成分并不一致,既存在一些运动学上属于薄盘而[α/Fe]丰度上属于厚盘的恒星,也存在一些运动学上属于厚盘而[α/Fe]丰度上却属于薄盘的恒星。
  (4)银盘的边缘存在一个明显的“翘曲”。
[博士论文] 张记成
理论物理 山东大学 2016(学位年度)
摘要:地基光学天文台址观测环境监测与分析是一项长期而复杂的科学研究工作。对于新的天文台址,观测环境优良稳定与否直接影响到后期设备建造和科学产出;对于已有的天文台址,它的监测工作也至关重要,尤其是对于气象条件、测光夜与光谱夜、天光背景亮度、大气视宁度等相关参数的监测研究,以便基于台址现有观测条件优化设备配置、提高科学产出。
  本文首先从地球大气对地基光学天文观测的影响入手,分析了地球大气层在不同高度对天文观测的影响。作为地基光学天文台址分析,我们重点介绍了国内外著名的地基光学天文台址,包括地理位置,海拔等相关参数以及代表性的光学望远镜。围绕接下来重点研究的地基天文观测环境,我们调研分析了地基光学天文选址所需监测和分析的各项参数及国内外研究进展。
  接下来我们系统地讨论了天文观测环境中的各个参数,包括气象参数中的温度、相对湿度、气压、云量、粉尘、风速与风向,并详细分析了各项气象参数与天文观测之间的关系;作为影响天文观测中有效时间的参数,重点研究了国际上对测光夜与光谱夜的定义标准,为后期分析兴隆基地测光夜与光谱夜随时间分布提供参考标准;作为定量评估大气湍流的关键参数,我们从大气视宁度的定义入手,重点调研了不同时期监测和分析大气视宁度的不同方法与仪器,并对监测方法的优缺点进行了对比;作为影响光学望远镜设备极限星等以及测光精度的参数,我们分析研究了夜天光污染的来源以及监测夜天光的不同方法,并列举了不同时期国内外所采用的不同监测方法;此外还介绍了大气消光以及大气散射的形成原因以及对天文观测的影响,为接下来监测和分析兴隆基地天文观测条件奠定基础。
  中国科学院国家天文台兴隆基地作为国内最大的光学天文观测基地,已有近五十年的历史。本文基于兴隆基地历史观测数据及现有观测条件,对兴隆基地气象条件、测光夜与光谱夜、大气视宁度以及天光背景亮度从不同角度进行了系统的分析与研究。论文分析了兴隆基地气象条件中温度、湿度、风速与风向等参数以及测光夜与光谱夜随时间的变化规律,对后期各个望远镜的重点课题遴选、时间分配、设备维护以及针对性升级提供了详细的参考资料;论文研究了兴隆基地全年大气视宁度变化规律,给出了大气视宁度随不同月份以及季节的变化规律,同时对比了圆顶内外大气视宁度的差异,为后期改善圆顶大气视宁度提供了参考;论文观测研究了兴隆基地天光背景亮度随不同月相、不同高度角、不同方位角的变化情况,并从测光、光谱两种不同的角度进行了验证,为后期天文学家使用兴隆基地望远镜观测科学目标提供了定量的参考,同时有助于制定完善的观测策略。
  论文最后分析研究了兴隆基地观测条件随时间的变化以及对比了与国内外著名天文台址观测条件的差异,针对性地提出了一系列基于兴隆基地现有观测条件提升望远镜观测性能的措施,以期结合软硬件改造提升兴隆基地设备的性能和科学产出。
[硕士论文] 郝巧莉
计算机应用技术 贵州大学 2016(学位年度)
摘要:在建500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,简称FAST)依托我国贵州省喀斯特地形而建,是我国具有独立自主知识产权的国家“十二五”重大科技基础设施项目之一。建成后的FAST将是世界上口径最大、灵敏度最高的单口径射电望远镜。脉冲星搜寻是FAST早期科学研究目标之一。
  在射电脉冲星天文学中,最基础的两项研究是对单脉冲与闪烁两个领域的研究,这两个领域有三种重要观测现象:脉冲“消零”现象和子脉冲“漂移”现象以及闪烁现象。对这三种观测现象的研究,可以帮助脉冲星工作者探求脉冲星辐射机制和星际电离介质属性。因此,对脉冲星单脉冲和闪烁领域的研究为FAST规划内的重要科研项目之一。
  作为 FAST脉冲星数据处理软件平台建设的一部分,本工作运用国际通用PSRFITS折叠模式数据操作软件PSRCHIVE的共享库,设计完成三个程序:脉冲能量测量器 PEM(Pulse Energy Measurer),子脉冲漂移分析器 PDA(Pulse Drifting Analyzer)和脉冲星闪烁分析器PSA(Pulsar Scintillation Analyzer),分别用于单脉冲能量分布、子脉冲漂移和衍射式强闪烁领域的数据分析,并应用于FAST以开展相关领域的研究。
[硕士论文] 阳强
计算机科学与技术、软件工程 暨南大学 2016(学位年度)
摘要:长焦距望远镜拍摄的天文图像一般具有高精度的位置和光度,而没有较大的视场。为了能够得到高精度的大视场的天文图像,我们对各原始图像进行拼接。本文使用了几种不同的拼接方法。各拼接方法均包括坐标转换和像素融合两个部分。坐标转换过程主要尝试了三种主要的方案,即基于空间平面间的投影的参数模型、基于星表配准的球面坐标转换模型以及基于建立辅助坐标系简化运算的模型。其中,方案二是本文新提出的。实验发现,在三种方案中球面坐标转换的方法获得的图片的精度最高,但是速度最慢。它结合了星表UCAC4的星象位置计算CCD的底片常数,然后再做图像间的坐标转换。基于空间平面间的参数模型的方案运算速度是这三个中最快的,其中仿射变换只是一种近似计算。基于辅助坐标的简化运算是严格的,其运算速度适中,但是在本文中的效果还不理想,依然需要对其进一步研究。坐标转换完成后,再用图像融合技术将各图像合并到一起即可得到拼接图像。同时,本文推导出方案三的辅助平面法中的快速平面转换也属于八参数模型的范畴,给出了八参数模型的最小二乘法求解过程。
  进一步地,通过云南天文台2.4m望远镜实际拍摄到的许多CCD图像对拼接方案进行检验。这些算法能将多幅CCD图像拼接成一幅比较大的高精度的且拥有比原始图像更高信噪比的合成图像。目前已经可以应用这种图像来寻找运动目标和暗弱星象。如果对原始数据用Peng等人的方法进行扭曲改正后采用方案二,图像拼接过程产生的误差仅为0.02个像素,基本能满足目前对视场定标的要求,而没有进行扭曲改正的图像直接拼接会产生0.04个像素的误差。这些实验说明Peng等人的扭曲模型能有效提高天文图像的拼接精度。
[硕士论文] 王德超
光学工程 暨南大学 2016(学位年度)
摘要:光子晶体光纤在其横切面上的二维结构具有周期性的特点,所以在制作一些光纤耦合器件以及刻写光子晶体光纤等场合需要对光子晶体光纤的方位角进行测量。为了适应确定光子晶体光纤轴向方位角的测量与定轴需求,我们对确定光子晶体光纤轴向方位角的仪器进行了工程化研究,并研制出一种在线检测仪器。在原有抛磨机的基础之上,我们对仪器进行了工程化设计、样机制作与定轴应用。具体工作如下:
  (1)首先基于前向散射图案特征法的原理,设计了整个系统的结构。调研了仪器需要的部件,并进行购买与定做。
  (2)在样机制作方面,我们将购买与定制的仪器元件按照设计进行组装。不断地试验仪器摆放的位置,探索使系统高效平稳运行的办法。对发现的问题不断予以改进,最终使其能够正常的运行。
  (3)在定型方案的基础之上,为了验证系统在实际应用中的效果,对四光纤样品进行了测试,证明了系统的有效性。
  本文的创新之处在于:
  首次将轴向方位角的测量装置与光纤侧边抛磨机相结合,并形成稳定可靠的在线监测仪器。
[硕士论文] 傅夏青
计算机科学与技术、软件工程 暨南大学 2016(学位年度)
摘要:CCD视场几何扭曲是望远镜光学系统中普遍存在的一种误差效应,这种误差效应会影响观测目标在CCD图像上的成像位置,使其发生位置偏移。尤其是在天体测量研究中,几何扭曲效应对天体测量目标的定位精度产生了较大的影响。为了获得高精度的天体测量数据,必须对观测资料进行几何扭曲的剔除。进一步,几何扭曲模型的精度也会对天体测量精度产生影响,所以需要对几何扭曲校正残差的影响因素以及求解几何扭曲模型的方法进行深入的研究。
  本文对2013年2月5日于云南天文台丽江观测站使用2.4米望远镜YFOSC设备拍摄的58幅CCD图像进行了处理,采用Peng等人提出的方法求解了几何扭曲模型后,对CCD视场中的参考星进行几何扭曲校正。结果显示几何扭曲分布在±2pixel范围内,经过扭曲校正后残差大部分都位于±0.02pixel范围内,但能发现一定的系统趋势。
  因此,我们采用仿真实验的方法,对几何扭曲校正残差的影响因素进行了深入研究。具体地,我们对两个参数进行了仿真实验,一个参数是星像的半高全宽FWHM,另一个参数是几何扭曲函数的周期T。在分别将星像的半高全宽和扭曲函数的周期设置为固定值后,改变另一个参数的值,来研究不同的参数值对扭曲校正残差的影响。实验结果表明,星像的半高全宽FWHM越大,扭曲函数的周期T越小,几何扭曲校正残差越大。
  此外,本文还对求解几何扭曲模型的方法进行了仿真研究。对2011年1月4日于云南天文台丽江观测站使用2.4米望远镜YFOSC设备拍摄的44幅CCD图像进行了参考星匹配,然后用匹配的参考星的星表位置计算,获得了44幅模拟的无扭曲的观测图像数据。对模拟的数据根据实际求解出的几何扭曲模型添加几何扭曲,并添加星表误差和测量误差,最后再求解出几何扭曲模型。对添加的几何扭曲模型和求解出的几何扭曲模型进行比较分析,结果给出扭曲差值矩阵的最大值为0.28pixel,平均值为0.10pixel,标准差为0.05pixel。
[硕士论文] 刘聪
计算机技术 山东大学 2016(学位年度)
摘要:天文是一门依赖于观测的学科,天文观测的数据随着时间的推移也在不断地累积,尤其是近年来的巡天计划使得观测的数据已经达到了一个前所未有的数量级。LAMOST科学巡天是我国一项重要的科学巡天计划,至今已经发布了三个版本的光谱数据。本文以LAMOST巡天数据中的早M矮星为目标,以Spark为编程平台,针对并行化聚类以及相关算法在天文数据上的应用做了研究。
  本文基于Spark使用了K-Means、Bisecting K-Means、DBSCAN和OPTICS算法对LAMOST DR3数据中的的早M矮星进行聚类。实验表明,Spark平台适合于几种聚类算法的并行化,基于质心的K-Means和Bisecting K-Means算法在分类上有良好的效果,基于密度的DBSCAN和OPTICS算法不适合对数据做分类,但是在离群数据发现上有良好效果。本文提出的针对LAMOSTM矮星的光谱降维算法在结合天文意义的情况下,针对目标为分类的聚类具有良好效果。本文主要工作有:
  1.使用Spark平台对早M矮星数据聚类,使得效率有明显提升,而编程复杂度并没有明显增加。这表明了Spark是一个适合于对大量光谱数据聚类的平台,其RDD的设计保证了这一点。
  2.使用多种距离度量方法验证了K-Means和Bisecting K-Means两种算法,与层次思想相结合的Bisecting K-Means在M矮星分类上有更好的效果。用实验证明了密度的DBSCAN和OPTICS算法不适合用来做早M星光谱分类。
  3.提出了一种结合线指数,PCA,中值滤波和多项式拟合的降维方式,在以分类为目标的聚类中取得了良好的效果。
[硕士论文] 罗平杰
桥梁与隧道工程 西南交通大学 2016(学位年度)
摘要:500m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope,FAST)是我国在建的世界上最大口径射电天文望远镜,属于“十一五”国家重大科学工程项目。FAST主动反射面的支撑结构,为大跨复杂的、具有明显非线性特征的柔性超静定空间索网,索网通过下拉索实现变位。根据受力状态的不同,索网分为零态、初始预应力态以及荷载态三个状态。索网安装完成后处于零态,需要对其进行张拉至初始预应力态。张拉是索网施工中的重要一环,为了给实际施工提供指导,保证张拉方案的安全可靠,有必要对张拉过程进行模拟分析。索网在建造过程中难免存在误差,为保证FAST建造完成后满足感测要求,通过调节边缘索对索网误差进行调整。
  本文详细介绍了索结构的有限元分析方法,根据索网的结构特点和施工方法,选择倒拆法进行索网张拉过程的模拟分析。索网的张拉过程分为三个阶段,通过计算分析得到了索网在张拉过程中的位移和内力。分析结果表明,张拉过程中索网内力变化平稳,第一阶段下拉索索力较大,需要注意下拉索临时锚固的可靠性。温度会使超静定索网产生温度应力,本文通过设计温度荷载分析了温度作用对张拉过程的影响,分析结果表明温度对索力的影响较大,需要采取一定的控制措施。
  为确保调索过程的安全,选择在第一张拉阶段完成后进行调索,并选择边缘索的伸长量作为调索指令。针对索的几何非线性特征,本文以索力调整计算中常用的影响矩阵法为基础,结合修正的Newton-Raphson法(M.N.R法),提出了索力调整计算的非线性迭代法。最后根据计算得到的调索指令对边缘索进行调整,取得了较好的应用效果。
[硕士论文] 俞欣颖
电路与系统 贵州大学 2016(学位年度)
摘要:随着我国射电天文学的发展,高灵敏度的射电望远镜成为射电观测的重要设备。例如我国正在建设中的500 m口径球面射电望远镜(FAST--Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope)将成为世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜,它有望在中性氢巡视、脉冲星搜索、国际VLBI网联测及地外生命搜寻等重要前沿领域取得突破。不同于光学望远镜,需要镜筒、目镜以及物镜,射电望远镜是由天线和接收系统组成的,天线接收面积越大,接收机的性能越好,望远镜的灵敏度就越高。接收机系统是望远镜的重要组成部分,是决定望远镜性能的关键因素。
  目前世界最大射电望远镜FAST在我国贵州省紧张建设中,当大射电望远镜的建设完成后,其可接收到的数据量是巨大的,尤其对于巡天项目,望远镜接收到的数据速率在MB/s级左右。本文针对FAST项目的建设目标与应用需要,设计了一种超宽带射电天文数据采集数字后端,选用美国国家半导体公司生产的超高速ADC芯片,配合高性能的Xilinx公司的FPGA芯片采集、对大数据并行处理,最后通过万兆以太网高速输出。该射电天文望远镜接收机主要由模拟前端与数字后端组成,数字后端的功能则主要包括:ADC模块实现高速数据采集功能, FPGA模块实现并行数据处理功能,高速数据传输单元实现高速数据输出。相关的研究内容为:
  1)数据送至两片高性能ADC集成电路板,以3.2GHz超大带宽采样,12比特量化,ADC通过分时复用,将数据分成16路数据,多通道送给FPGA板,进行多相滤波处理,再做并行4K点数的快速傅里叶变换处理,处理后的数据存储到FPGA板上RAM存储空间。
  2)存储单元中采用两个缓冲模块做 buffer,进行交替存储,即当一个缓冲模块存满以后,FPGA就选择另一个缓冲模块进行存储,并且将第一个缓冲模块中的数据送给万兆以太网口缓冲区输出,最后送到后端基于CPU或者GPU的服务器集群系统进行存储或者处理。
  经过实验室的调试及测试,本论文所设计数字后端可以满足0~1.6GHz频率范围的高速信号采集能力,可以实现4096通道的并行处理能力,并且具有可上升扩展空间,以及可调节的数据输出能力。
  本论文所设计的接收机系统,作为FAST望远镜宽带接收机的基础,将会在FAST望远镜实地测试。在脉冲星搜索,谱线观测等天文科学观测目标中发挥重要作用。
[博士论文] 彭波
微电子学与固体电子学 中国科学技术大学 2016(学位年度)
摘要:数据处理在现代天文学研究中有着重要的地位。天文研究中的数据处理涵盖了天文观测现场的数据存储与处理、观测数据后处理、天文数值模拟等多个应用场景。其中,天文数值模拟作为一个计算密集型应用,其模拟精度与数据处理能力有着直接的关系,因此较早就引入了硬件加速机制,目前已经成为了硬件加速机制的一个重要应用方向。近年来,随着观测仪器性能的提升,天文观测现场生成数据的规模也急剧膨胀,这对观测现场数据存储的实时性提出了很高的要求,亟需将面向存储密集型应用的硬件加速机制引入观测现场以提高其数据存储带宽。此外,由于天文观测对观测仪器的周边环境具有较高的要求,天文观测站点越来越多的被设置在外界环境比较恶劣、远离人类活动的区域,无人值守的自动天文观测点也逐渐成为趋势,而这对观测现场的数据实时处理提出了很高的要求。观测现场既要提供足够的数据处理能力以保障观测数据能安全、高效地传输到后方数据中心,又要尽量降低自身功耗以及对网络带宽的需求,以降低设备部署、运营中所需要的成本。在这种情况下,具有低功耗、高集成度、高性能等优势的定制化硬件加速平台能为天文观测提供较好的保障。
  本文针对天文数据处理中硬件加速机制的关键技术,结合FPGA加速、固态硬盘(SSD)、FPGA-SoC等新器件、新架构方案以及特定应用场景的特点,对观测现场的数据存储、观测现场的数据处理及天文数值模拟中的加速技术做了有益的探索,扩展了硬件加速机制在天文数据处理中的应用方向。针对观测现场数据存储的高带宽需求,本文研究了以FPGA为主控芯片的天文现场SSD定制化设计方法;同时,为了保证大数据规模下观测现场数据处理的速度和数据安全性,并充分利用定制SSD中的FPGA资源,本文提出了天文观测数据的现场压缩方法以及低轮AES-纠错码联合加密方法;此外,本文针对传统数值模拟平台搭建、维护较复杂,功耗浪费严重等问题,提出并验证了基于FPGA-SoC的天文数值模拟加速平台。
  本文的主要研究工作和创新点包括:
  (1)分析了天文观测现场数据的特点和存储需求,并以此为基础提出了基于FPGA的天文现场SSD定制化设计方法。SSD的高带宽优势可以较好的满足目前天文观测现场高速数据存储需求;但是,目前的商用SSD读快写慢的特点以及单位存储空间价格昂贵的缺点限制了其在观测现场的应用。因此,本文基于天文观测现场中数据写入操作模式单一的特点,简化了通用SSD中较为复杂的垃圾回收、冷热块替换等操作,大幅度降低了用户不可用的数据块数量,节约了FPGA的逻辑资源,降低了单位存储空间的价格;同时,针对天文观测现场对数据写入速度要求高,对数据读出速度要求低的特点,优化了SSD中NandFlash通道的设计,提高了Nand Flash之间的写入并行度,提高了FPGA资源的使用效率。
  (2)在观测现场数据处理方面,分别针对现场数据压缩和现场数据加密的加速做了相应的研究。
  一方面,利用天文现场数据具有较大信息冗余的特性,对适合用于天文现场数据压缩的编码方法进行了深入研究。充分分析了天文数据的特点,确定了采用哈夫曼编码以及游程编码分别对观测数据的高低字节编码可较好的作用于天文数据的现场实时压缩。同时,结合定制化SSD的结构特点,本文还提出了一种分布式的压缩电路实现方案,用以将压缩电路集成到定制化SSD的主控FPGA中。该电路方案避免了传统压缩电路方案中多次访存所带来的额外内存读取开销,以不到2500个查找表(LUT)满足了高速SSD的带宽需求,并达到了与Gzip算法相近的压缩率。
  另一方面,针对现场数据的实时加密需求,利用SSD中Nand Flash的误码特性,提出了一种低轮AES-纠错码联合加密方法。通过对纠错码编码单元生成的冗余编码执行简单的异或加密操作,Nand Flash中的误码可以被利用起来,提高AES加密后密文数据的安全性。相应的,在保持标准AES加密安全性的前提下,可适当的降低AES的加密轮数以减少加密电路消耗的计算资源。通过对多种攻击方法的分析表明,在AES加密轮数不低于8轮时,该加密方法的数据安全性可以保持在与标准的10轮AES加密相当的水平。
  (3)在天文数值模拟加速方面,以修正牛顿力学(MOND)的数值模拟为例,研究了天文数值模拟中不同加速器件的加速效果,设计并验证了基于FPGA-SoC的天文数值模拟加速平台。相比于传统天文数值模拟平台,利用FPGA-SoC的加速平台具有更高的集成度、更低的功耗浪费、更好的可维护性。与常用于天文数值模拟加速的GPU加速平台相比,基于FPGA-SoC的方案在功耗、能耗比、性价比上面有具有明显优势。
[硕士论文] 刘晓行
粒子物理与原子核物理 烟台大学 2016(学位年度)
摘要:硬X射线调制望远镜卫星(简称HXMT)是中国计划中的首颗空间天文卫星。HXMT将引导我国地面天文设备对高能激变天体开展多波段联合观测,实现地面中小型望远镜在天体物理学科前沿的一流观测。中能X射线望远镜(简称ME)是HXMT卫星有效载荷的一个分系统,其基本功能是进行5-30keV能区的巡天以及定点观测,扩展HXMT的科学产出。为了确保HXMT卫星有效荷载科学产出结果的准确性,达到理解、信任和使用的目标,对HXMT有效荷载探测器机箱的标定工作尤为重要。
  本论文主要工作是HXMT有效荷载中能望远镜地面标定方法的研究。具体工作为:认真研究中能标准探测器即Amptek的XR-100CR探测器,在标定大厅利用束线分别对标准探测器各能量段的使用参数进行了调试,最终确定了两套参数。在此基础上,分别利用中国计量院现有的标准放射源和束线标定装置对标准探测器的探测效率进行了刻度,对实验数据拟合后,得到了初步的探测效率曲线。其次,利用Mini-X光机打金属靶的方法,对使用光机打靶进行标定实验的可行性进行了探索,同时得出了各项试验参数。最后,利用标定大厅的中低能量X射线标定装置对中能探测器机箱鉴定件进行了标定,对实验过程出现问题的机理进行了分析,经分析数据后,得出了各项标定项目的定标结果。以上工作,对中能地面标定工作做了有力探索,为中能探测器机箱正样件的标定工作奠定了基础。
[硕士论文] 仲洛清
通信与信息系统 南京理工大学 2016(学位年度)
摘要:500米口径球面射电望远镜(FAST)是中国正在建设的重大科技项目,竣工后将成为世界上最大的单口径射电望远镜,大大推动我国射电天文学的发展。相比传统的馈源组,采用相控阵馈源作为焦平面阵列能够同时形成多个波束进行观测,拓宽视场,提高巡天速度,实现干扰的自适应抑制,增大系统灵敏度,因此被广泛应用于射电望远镜中。本文基于FAST设计符合指标的相控阵馈源。
  首先,编写了Matlab-HFSS联合仿真程序,为后续进行天线布局以及系统优化提供了一个便利的工具;其次,根据相关理论与仿真分析结果,确定了相控阵馈源阵列的设计要求,主要包括阵列排布形式,阵列规模,阵元数目,阵元间距以及形成单波束所需要的阵元数;然后依据FAST的性能标准,分析了相控阵馈源天线的相关指标,并提出了设计思路;最后,设计了三款双极化天线,分别是微带巴伦馈电的偶极子天线,电磁偶极子天线以及Vivaldi天线,并对馈源天线进行了性能对比。结果表明,三种天线均满足FAST要求,其中偶极子天线在所设计的频段内性能最为优异,最适合作为FAST的馈源使用。
[博士论文] 肖健
计算机科学与技术 天津大学 2015(学位年度)
摘要:计算密集、耗时长是现代天文数值模拟的主要特点。提高模拟计算的性能,减少计算资源的消耗,在精度和性能之间取得一个最佳的平衡点,一直是天文数值模拟软件设计的关键目标。同时,建立完整的有效的非电离平衡(NEI)状态下的辐射流体数值模拟一直是天文数值模拟中的难题之一,然而传统的基于欧拉网格的非电离平衡求解过程在内存、计算和网络通讯上都带来了巨大的开销。
  本文在总结以前研究工作的基础上,从非电离平衡模拟过程中制约性能的几个关键因素入手,针对多核异构体系和大规模并行环境,分别从工作流程、框架结构、数值求解三个层面对非电离平衡模拟进行了性能优化。
  首先,本文分析并验证了传统算法的性能瓶颈,通过引入示踪粒子将底层的自适应网格与上层的非电离平衡计算解耦,然后基于 MapReduce模型重新设计了非电离平衡的并行求解框架。同时针对新框架中伴随而来的大量粒子的快照生成、保存以及轨迹重建等问题,设计了串行I/O、并行I/O、直接I/O以及实时的流处理模式,使其能够适应不同的计算环境和具体要求。实验表明,框架结构层次上的优化克服了非电离平衡模拟在大规模并行时的性能瓶颈,在相同的实验环境下,仅用原来1/4的计算资源,就取得了3倍以上的性能提升。
  其次,为了突破传统 CPU结构在求解大量非电离平衡方程时的性能制约,本文继续提出了基于多CPU-多GPU混合异构体系的非电离平衡求解器。算法设计上,通过使用基于共享内存和任务队列的任务调度策略,最大限度地发挥了CPU和GPU各自的优势,提高了整体的资源利用率,同时根据CUDA编程模型的特点,在算法的数据结构、任务粒度以及内存访问等方面进行了专门的优化。测试结果显示基于多核异构的求解器显著地提高了非电离平衡方程的求解效率,在4块GPU设备的情况下,加速比达到了15左右。
  最后,本文利用可视分析和驾驭式计算技术来优化天文模拟的工作流程。基于自适应网格的层级结构,利用快速的低精度的组合分析来指导耗时的高精度的模拟计算。同时又根据天文数值模拟的特点,设计了参数分类和调整接口,进而帮助天文学家高效准确地把握并控制数值模拟过程。本文提出的可视化驾驭计算环境有效的加速了非电离平衡模拟生命周期中的模型建立、电离状态分析等过程,并在参数调整、数值误差控制等方面辅助用户决策。
  文中所有实验都是基于实际的天文数值模拟,文中还对所有实验结果的精度进行了详细的对比分析。此外,本文对上述各类方法在其他问题的适应性上也进行了详细的分析和验证,相关实验显示本文的方法同样能够大幅度提升核合成、光谱计算等常见天文计算的性能,以及加速星风模型的探索和确立过程。
[硕士论文] 李建斌
电子与通信工程 西安电子科技大学 2015(学位年度)
摘要:射电天文使用高灵敏度的设备测量来自宇宙由于自然现象发射的特定频率的信号,以此来研究自然现象。其站址的选择是射电望远镜完成既定科学目标并有效运行的首要条件,选址的主要因素有电磁环境、水文、气象、地质、可及性和当地保障条件等。射电天文的发展追求高灵敏度的数据,这要求在更宽频率上观测,随着观测方法和技术的发展,原来分配的频段已不够使用。随着各类无线电主动业务的不断发展,人类使用无线电通讯占用越来越多的频段,使用地域亦不断扩大。射电望远镜需要躲避无线电干扰(RFI),选择电磁环境优良的站址,保护电磁环境。同时RFI的监测结果也为接收机系统的研制,站址内无线电干扰查找和射电宁静区的建立和保护提供依据。
  首先列出了国际上和我国射电天文业务的工作频率和科学目标,给出了国内射电望远镜的实际使用频段。结合国际电联对射电望远镜的无线电干扰的标准,给出了国内典型射电望远镜的干扰门限和干扰时间要求。然后研究了国际上针对SKA(SquareKilometer Array)选址在2003年和2010年进行的两轮测试的测试方法和RFI监测设备,结合射电望远镜选址和RFI监测的实际工作,提出合适的无线电干扰测试方法,讨论如何建立射电望远镜电磁环境选址测试装置(包括软、硬件、数据处理等)。最后对目前我国在建和预研阶段的部分射电望远镜台址进行现场测试,对于数据的处理方式主要采用统计的方法,根据监测得到的站址RFI数据,分析站址的RFI的特性和业务分布,在电磁环境层面上分析站址的优劣。
  由于望远镜具有极大的接收面积和良好的接收机系统,国际电联给出的干扰标准要求很高。目前的RFI监测设备灵敏度达不到电联规定要求的射电望远镜干扰门限,需要研制灵敏度更高的RFI监测设备不断接近或达到该门限。同时在以后的选址工作中,积累测试数据,对数据进行分析和比较,了解无线电业务的发展和变化,作为以后进行射电天文观测和保护电磁环境的依据。
[硕士论文] 代杰
大地测量学与测量工程 山东科技大学 2015(学位年度)
摘要:山东科技大学与中国科学院国家天文台合作研发的集成CCD和GPS数字天顶筒,根据天文大地测量和摄影测量的原理,可通过CCD恒星图像处理和GPS数据处理实现测站点天文坐标的实时观测。天文坐标系的基本方向铅垂线方向及其变化是地球内部质量分布及其变化的表现,是研究地球内部结构及其演化的基础科学数据,也是地质构造研究的基础。精确测量天文坐标对于天文学与地球科学交叉领域的相关研究与应用具有重要意义。
  本文的主要研究内容与成果如下:
  (1)运用Fortran实现了数字天顶筒拍摄的FITS格式的CCD恒星图像的自动读取和去噪。将其读取结果与MaxIm DL5软件进行对比,验证其正确性。通过对多种去噪方法的比较分析,发现3×3中值滤波法对CCD恒星图像的去噪效果更加理想,能够明显提高暗星的辨认率和图像的信噪比。
  (2)实现了恒星区域自动搜索、能量中心确定、星表处理、恒星识别匹配等恒星图像处理步骤。运用区域生长算法进行恒星区域的自动搜索;运用修正二维矩方法计算恒星区域的能量中心的影像坐标。对Tycho-2星表进行读取,提取其中的有效信息,并建立恒星位置计算模型计算天顶区域恒星的位置。提出了一种星表截取方法,此方法分为两步,分别在观测前和观测中对星表进行截取,使得恒星识别匹配成功率明显提高,整个识别匹配过程用时少于0.3秒。运用四边形算法进行恒星识别匹配,并利用匹配成功的星对计算CCD恒星图像与天顶区域星表投影切平面的坐标转换模型。
  (3)利用CCD恒星图像与天顶区域星表投影切平面的坐标转换模型迭代计算CCD光轴中心点的初始天文坐标,结合倾斜改正和极移改正计算测站点的精确天文坐标。再结合GPS测量数据解算出的测站点大地坐标,根据Helmert公式计算出测站点的精确垂线偏差。运用Fortran、C#实现了整个CCD恒星图像处理与高精度天文坐标计算过程,最终将其封装成数据处理软件,使其单次观测数据计算过程控制在30s以内,单次观测精度在0.3″以内。
  (4)根据对大量实验数据的处理与分析,检验了集成CCD和GPS数字天顶筒的天文坐标测量方法的内符合精度和外符合精度。通过在同一观测点上进行连续长时间的观测、布设观测网以及在不同特征点上进行观测的方式,验证了集成CCD和GPS数字天顶筒的天文坐标测量方法的组内标准差在观测条件良好的情况下绝大多数在0.3″以内,观测值中误差优于±0.15″,符合一等天文观测要求。通过将已知天文点观测值与已知值对比,发现天文纬度观测值与已知值差异均在±0.15"内,符合一等天文观测的要求。天文经度沙河观测站观测值与已知值差异小于±0.3″,其他三个天文点的观测值与已知值差异均大于±1″,分析了造成这一现象的可能原因。将特征点实测垂线偏差与EGM2008计算的垂线偏差对比,一定程度上反映了该测量方法的外符合精度较高。
[硕士论文] 邵云龙
信息与通信工程 桂林电子科技大学 2015(学位年度)
摘要:地基光学天文望远镜通过大气层对空间目标成像时,受到大气湍流的干扰,导致图像模糊,降低了天文图像的科研价值。通过自适应光学系统,可实时纠正大气湍流造成的干扰,提高天文观测图像的质量。但自适应光学仪器比较复杂,受硬件条件的限制,其对大气湍流的补偿是片面的,真实图像中依然丢失相当多的高频成分。因此,对自适应光学系统处理的天文图像再进行图像复原后处理是非常有意义的。
  本论文就地基天文观测图像的盲复原进行了研究,完成的工作和主要创新点如下:
  (1)反卷积算法的仿真对比和研究改进。本文仿真分析了逆滤波法、维纳滤波法、最小二乘方滤波法、Lucy-Richardson算法和伸缩梯度投影算法(SGP)。仿真表明,SGP算法在复原精度方面表现更优。实际情况中,清晰天文图像是未知的,再加上噪声的干扰,迭代类算法无法自行停止迭代。对此,给出一种可自动停止迭代的改进算法。仿真表明,改进的算法对最优点判断较为准确,使反卷积算法能够运用于实际天文图像处理。
  (2)PSF估计算法的仿真对比和研究改进。根据天文图像特点,详细分析了基于稀疏测度的 PSF估计算法,通过仿真对比验证了该算法较其他算法更适于天文图像PSF估计。在原算法基础之上,借鉴一种基于图像局部结构张量的度量,通过大量仿真,给出一种正则化参数调整策略。对于不同的天文退化图像,基于此策略可自动调整正则化参数,获得比原算法中固定参数更好的复原效果,提高了算法的适用性。绝大多数PSF估计算法中,通常把PSF尺寸作为已知量。现实中,PSF尺寸是未知的。对此,给出一种基于边界测度的 PSF尺寸估计算法。仿真表明,该方法能较为准确的估计出PSF尺寸。
  (3)天文图像预处理的仿真对比和研究改进。为了改善复原效果、加快算法处理速度,对天文图像进行包括降噪和目标支持域提取两方面的预处理的研究实现。研究分析了均值滤波、中值滤波、基于总变分的降噪和基于块匹配和三维变换滤波(BM3D)算法,并通过仿真对比验证了BM3D算法降噪效果更优;天文图像目标通常是有限支持域的,结合天文图像的特点,本文给出一种基于二值形态学和边缘检测的目标支持域提取方法,仿真显示该方法可有效地完成天文图像目标支持域的提取,并且经目标支持域提取后算法处理效率大大提高。
  (4)在分析研究了反卷积算法、PSF估计算法和图像预处理方法之后,将这几个模块级联起来形成天文图像盲复原系统。仿真结果表明,本文提出的天文图像盲复原系统能够较好的复原天文图像、恢复图像细节信息且处理效率较高。
[硕士论文] 宋本宁
计算机应用技术 贵州大学 2015(学位年度)
摘要:FAST是我国正在贵州建设的重大科学项目,建成后将成为世界上最大的单口径射电望远镜,其三项自主创新开创了建造巨型望远镜的新模式。
  论文针对GPS-RTK在FAST馈源一次支撑测量中的应用问题,从馈源一次支撑测量方案的选择、台址环境对测量的影响、GPS-RTK测量的实施等几个方面进行了分析研究。主要研究结果和创新点如下:
  1、对比分析了FAST馈源模型动态测量实验中各种测量方案的测量结果,并结合FAST台址气候条件,提出了GPS-RTK和全站仪测量相结合的馈源一次支撑测量方案。
  2、分析得出GPS-RTK测量实验中测量数据产生跳变的原因,制定解决措施,通过这一措施使测量数据高程方向的RMS由8.4786mm提升到了4.7mm,大幅减少了数据的跳变,提高了测量的精度。据此,结合FAST台址环境的地形特点和馈源舱的运行轨迹制定了相应的应对方案,确保GPS-RTK测量在FAST馈源一次支撑测量中的应用。
  3、制定了GPS-RTK测量的具体实施方案。并通过实测数据对比发现加入滤波器可以减少频带外信号的干扰,提高GPS-RTK测量的稳定性和精度,为滤波器的应用提供了依据。提出了新的流动站GNSS天线相位改正模型,使馈源舱运行过程中因天线倾斜造成的测量误差最小化。最后,采用一步法进行坐标转换,通过实测数据计算得出了WGS-84到FAST坐标系的转换参数,并制定了馈源一次支撑GPS-RTK测量的位姿解算方案,实时将AB轴中心点坐标和星形框架姿态信息反馈给馈源支撑控制系统。
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