在雷达天文研究的高速基带数据记录系统中，告诉了我们些什么？

　　在阅读此文前，诚邀您请点点右上方的＂关注＂，既方便您进行讨论与分享，还能及时阅读最新内容，感谢您的支持。引言
　　射电天文学作为天文学的一个分支,利用无线电接收技术在无线电波段使用射电望远镜接收并研究宇宙中各类天体发射的电磁波。
　　随着射电天文学研究的领域越来越广研究人员不局限于只接收来自宇宙天体的无线电波,还利用雷达向天体发射电磁波信号,在电磁波受到反射后研究其接收到的回波信号,于是作为射电天文学的一个分支—雷达天文学应运而生。
　　它利用天线的接收端收集指定方向返回的目标天体的反射回波同时抑制其他方向的杂波或干扰,通过提取和分析回波信号中目标天体的相关信息,测量天体的距离和方位,研究天体的物理特征、运动状态和空间分布。
　　雷达天文学正式始于1946年,在匈牙利和美国第1次探测到了月球的回波,这是首次接收到来自大气层外天体的雷达回波信号,而后在1960年中国也用雷达接收到了月球的回波信号。
　　但其真正作为天文学的一个分支学科却是始于1961年,首先探测到了金星的回波,随后相继探测到了太阳、水星和火星等其他行星的回波信号。
　　从这些早期的雷达回波信号中,研究人员获取了大量的天文信息,成功测定了地月距离,确定了金星和水星的旋转周期,并且为太阳系内目标天体的精准测距提供了计算数据。
　　国内首次雷达天文研讨会,由中国电子学会射电天文分会和雷达分会联合举办于2020年8月7日在贵州省中国科学院国家天文台FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope)观测基地成功召开。
　　标志着中国雷达天文的序幕正式拉开2基本的雷达系统包括能产生电磁波的发射机、能使电磁波定向辐射的天线和能接收回波能量的接收机。
　　本文基于雷达天文项目的实际需求,借助某雷达向目标天体发射电磁波信号,由中国科学院新疆天文台南山26 m射电望远镜接收其反射的回波信号,利用设计开发的雷达天文信号采集与记录系统,完成海量回波数据的实时采集、处理与存储。
　　雷达天文数字终端采集系统
　　本文针对雷达天文项目的设计目标和应用需要,基于CASPER(Collaboration for Astronomy Signal Processing and Electronics Research)图形化现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)设计和开发工具流,采用SNAP3(Smart Network ADC Processor)硬件实验板,设计开发了雷达天文信号采集与记录系统。
　　雷达天文信号采集与记录系统由基带数据的采集、基带数据的传输处理和雷达天文格式的存储3部分组成。
　　射电望远镜接收机收到反射的两路模拟回波信号,经由模拟前端处理后进入雷达天文数字终端采集系统,基于SNAP硬件实验板,通过高速模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC),在双通道模式下完成模拟基带数据到数字基带数据的转换。
　　然后在FPGA上对数字基带信号进行多相滤波(Polyphase Filter Bank,PFB)等预处理,之后数据被打包成UDP (User Datagram Protocal)数据包并通过万兆以太网(10 GbE)高速输出发送至计算机。
　　由HASHPIPE4(High Availability SHared PIPeline Engine)多线程处理软件对数据进行接收。
　　以甚长基线干涉测量数据交换格式(Very Long Baseline Interferometry (VLBI) Data Interchange Format,VDIF)存储在由高速固态硬盘组成的磁盘阵列中,最后根据存储要求对VDIF格式的基带数据文件提取所需的帧头信息和数据信息,并转存为最终的雷达天文数据存储格式。
　　SNAP硬件开发平台
　　SNAP是由美国国家射电天文台和加州大学伯克利分校的多位研发者为HERA(Hydrogen Epoch of Reionization Array)干涉阵列而开发的。
　　相比于上一代的ROACH-2 (Reconfigurable Open Architecture Computing Hardware 2)系统,SNAP实验板性价比更高,设计更为灵活,可拓展性更强,外观更为小巧。
　　配备了高性能Xilinx Virtex 7 FPGA处理芯片,3个板载HMCAD1511数字化采集芯片,高度可编程、高稳定度和低噪声宽带频率综合器,2个10 GbE万兆以太网网口,树莓派接口及相关外围电路,整体上实现了数字后端数据的高速采集、实时传输和记录存储。
　　FPGA固件设计
　　目前,CASPER支持多个FPGA硬件开发平台,为射电天文领域提供了开源共享的软硬件设计和系统教程,旨在简化FPGA编程,降低终端设计的难度和成本,使科研人员可以快速、高效地设计开发所需的硬件终端系统。
　　因此本系统在设计使用SNAP实验板时,借助于CASPER开发工具流无需编写复杂的FPGA程序代码,只需要结合图形化的设计流程,通过鼠标点击拖拽为系统搭建直观、可视化的仿真模型。
　　利用SNAP板载的2块ADC芯片采集由前端输出的两路模拟数据,为方便FPGA高速并行的处理数据,ADC采用4分频模式进行4路交叉采集,处理输出的数据经由PFB多相滤波后,通过总线合并将4路8 bit位宽的信号整合成一路32 bit位宽的总线信号,实现打包后万兆以太网的高效输出,最后使用简单的命令对仿真模型实现一键式编译,生成FPGA可识别的比特流文件,同时将其转换成操作系统可执行的fpg文件。
　　通过脚本程序将fpg编译文件加载至SNAP实验板对FPGA进行编程,完成系统的初始化并开始接收和处理数据,同时GPS (Global Positioning System)所产生的1PPS (Pulse Per Second)信号贯穿于整个系统,为ADC信号采集和FPGA预处理提供严格的时间同步,也为时间戳中的微秒计数器提供触发信号,确保了数据采集存储的有效性。
　　多线程高速数据存储软件设计
　　为满足万兆网络下高速数据包的传输、处理和存储,本系统基于HASHPIPE多线程管理引擎进行设计.作为脉冲星终端设备(GUPPI)的衍生版本,HASHPIPE由美国加州大学伯克利分校的David Macmahon和Jeff Cobb编写,该软件通过开辟内存缓冲区,提供多个线程和缓存之间的通讯接口,根据设计需求选择使用相应的线程接口,从而有效避免数据的拥堵、溢出和丢失。
　　基于HASHPIPE的数据存储软件工作流程采用多线程工作模式接收和处理数据,线程之间通过共享内存缓冲区来传输数据,通过查询缓冲区状态标识来执行相应操作6,中央处理器(CPU)控制和执行线程,其中网络线程snap net thread.c负责接收万兆以太网输出的UDP数据包,对接收到的数据包进行解包提取头文件和数据信息,并将数据部分存储在输入数据缓冲区,随后经过一定处理后的数据存入输出数据缓冲区,最后输出线程snap output thread.c将已经写满的输出数据缓冲区内的数据以VDIF格式实时存储于磁盘阵列。
　　VDIF数据格式
　　在万兆以太网络下输出的高速数据包,由HASHPIPE软件接收存储为VDIF格式VDIF作为目前国际上VLBI领域使用最普遍的基带数据存储格式[12],有其固定的存储规则,数据帧存储格式如图5所示。
　　每一帧数据由帧头信息和基带数据两部分组成,帧头部分共32个字节,包含基本的校验码、同步标志、时间信息、配置参数等观测信息,数据部分为量化位数8 bit的二进制基带数据共计8192个字节。
　　VDIF格式转存为雷达天文格式
　　通常在雷达天文课题研究中,雷达向天体发射信号的时间较为短暂(一般在1 h以内),反射的回波信号也需要在较短的时间内通过天线进行接收、处理和存储.而当前采集的两路回波信号在双通道模式下,采样频率512 MHz、量化位数8 bit,采样后总的数字基带数据为8 Gbps,对应两路万兆网口每个通道每秒接收的数据量高达4 Gb。
　　雷达天文的数据存储格式是基于MarK5B的格式设计,但又在此基础上根据自己的存储需求调整了格式定义,增加了存储内容,并要求数据量化位数16 bit,两通道交织存储,因此在这种双通道、高实时、高速度和高精度的观测需求下,产生的海量回波数据在数字后端将进行实时接收、解析、处理并转存为雷达天文格式,最后通过万兆网络实时输出存储于磁盘整列。
　　这无论是对硬件终端还是软件数据处理都提出了较高的性能要求。
　　考虑到目前针对观测采集雷达天文数据进行格式存储的系统并不能满足如此庞大的数据吞吐量,而本设计采用的SNAP硬件实验板中主控芯片FPGA已有的固件程序所存储的数据均为2的指数幂次,所以根据已有的设计基础和存储条件,为方便快速地存储数据,我们选用使用较为成熟的VDIF格式存储数据继而转存为雷达天文数据格式。
　　总结
　　雷达天文数字基带采集与记录系统的设计与开发,为雷达天文的相关科学研究提供了必备的观测平台,从而促进了国内雷达领域与天文研究的合作,为未来雷达天文技术的发展奠定了基础。
　　通过上文可知,该系统已成功采集存储了实验室点频信号产生的数据和脉冲星观测得到的真实数据,经测试结果表明,该系统工作稳定,能够按要求格式存储射电望远镜接收到的信号,且能保证最终数据存储的有效性、完整性和准确性,因此可以准确和完整地采集雷达反射的电磁波信号。参考文献
　　[1] Condon J J,Ransom S M.Essential Radio Astronomy.Princeton:Princeton University Press,2016:15
　　[2] Sun J,Ping J S,Bondarenko Y,et al.Sensors,2020,20:1874
　　[3] Campbell B,Neish C,Campbell D,et al.Astro2020 Science White Paper,2019
　　[4] 无线电通信局.射电天文手册.3版.日内瓦:国际电信联盟,2013:135
　　[5] Ostro S J,Hudson R S,Benner L A M,et al.Asteroid Radar Astronomy//Bottke W F Jr,Cellino A,Paolicchi P,et al.Asteroids III.Tucson:University of Arizona Press,2002:151-168
　　[6] Ostro S J.RvMP,1993,65:1235
　　[7] Werthimer D.The CASPER Collaboration for High-Performance Open Source Digital Radio Astronomy Instrumentation.Proceedings of the 2011 XXXth URSI General Assembly and Scientific Symposium,Istanbul,Turkey,August 13-20,2011