基于MARK5B+DSPSR的基带数字脉冲星观测系统*

徐永华，罗近涛，李志玄，郝龙飞，汪 敏，董 江

(1. 中国科学院云南天文台 射电天文组团，云南 昆明 650011；2. Joint Institute for VLBI in Europe, Postbus 2, 7990 AA Dwingeloo, the Netherlands；3. 中国科学院天体结构与演化重点实验室，云南 昆明 650011；4. 中国科学院上海天文台，上海 200030)

基于MARK5B+DSPSR的基带数字脉冲星观测系统*

徐永华1,3，罗近涛2,4，李志玄1,3，郝龙飞1,3，汪 敏1,3，董 江1,3

(1. 中国科学院云南天文台 射电天文组团，云南 昆明 650011；2. Joint Institute for VLBI in Europe, Postbus 2, 7990 AA Dwingeloo, the Netherlands；3. 中国科学院天体结构与演化重点实验室，云南 昆明 650011；4. 中国科学院上海天文台，上海 200030)

云南天文台射电天文研究团组采用40 m射电望远镜以及数字基带转换器(Digital Base Band Conveter, DBBC)数据采集终端、Mark5B记录系统和DSPSR(The Digital Signal Processing for Pulsars)软件包实现对脉冲星观测数据的相干消色散处理的脉冲星观测系统。该系统对PSR J0835-4510和PSR J0332+5434进行观测，采用DSPSR软件包对脉冲星观测处理，还可以生成PSRFITS格式的数据。观测频段选用S波段右旋圆极化信号，分别实现了2通道总带宽为4 MHz、4通道总带宽为16 MHz、8通道总带宽为128 MHz的观测和数据处理。构建以DSPSR为数据处理核心的脉冲星观测系统，比DBBC+Mark5B的观测系统在数据处理方法、运算效率和观测数据的通用性方面具有更好的优越性。

射电天文；脉冲星PSR J0835-4510；脉冲星PSR J0332+5434；40 m射电望远镜；DSPSR；相干消色散

射电脉冲星是快速旋转的中子星，具有极强的磁场，对射电脉冲星的研究是现代天文学的重要内容之一。以射电脉冲星作为工具，可开展高精度计时和授时、天体动力学和天体测量、强场下的引力物理、太阳系外行星、星系和星际介质、超致密物质以及极端环境下的等离子物理等方面的研究。由于射电脉冲星信号的特点，射电脉冲星观测设备的主要工作是完成消色散和周期折叠。随着对射电脉冲星研究的深入，尤其近年来利用毫秒脉冲星进行引力波探测研究等课题的兴起，对脉冲星观测设备提出了更高的要求[1]。目前国际上全数字化脉冲星终端研制已经成为发展的趋势，美国的国家射电天文台(National Radio Astronomy Observatory, NRAO)研制了新一代脉冲星观测终端绿波段终极脉冲星处理器(Green Band Ultimate Pulsar Processing Instrument, GUPPI)，第二代GUPPI的开发也在有条不紊的进行中，观测带宽、实时处理能力将有进一步的提升。

目前国内和国际上正在兴建的观测脉冲星的天线或阵列有500 m口径球面射电望远镜(The Five hundred meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST)、上海的65 m、 新疆天文台的110 m和平方千米阵列(Square Kilometre Array, SKA)[2]对脉冲星观测设备提出了新的要求，国际上的主流发展方向是研制基带数字式相干消色散脉冲星接收机，典型的脉冲星观测设备有澳大利亚的PDFB(Pulsar Digital Filter Bank)、美国的GUPPI和荷兰ASTRON的PUMA II，然而国内数字化脉冲星系统的研发还处于起步阶段。国家天文台和新疆天文台分别从澳大利亚引进了PDFB系统，用于脉冲星的观测和相关科学研究。

云南天文台40 m射电望远镜结合现有的VLBI观测终端，数字基带转换器数据采样终端、Mark5B数据记录和时间比对系统，利用DSPSR为数据处理核心，DBBC+Mark5B为数字基带记录终端的脉冲星观测系统，DSPSR不仅可以实现对脉冲星观测数据的相干消色散处理，而且还生成通用的PSRFITS格式的数据，这些工作为今后研制自己的基带数字式相干消色散接收机提供技术储备。

1 基带数字式相干消色散接收机的现状

国际上目前在研制中的基带数字式相干消色散接收机，主要分成两大类，一类是基于多相滤波器+GPU模式的相干消色散(德国马普和美国国家射电天文台)；另外一类是基于FPGA硬件处理平台(例如基于UniBoard的脉冲星观测设备)。目前两类基带数字式相干消色散接收机的情况如下。

(1) 基于多相滤波器+GPU模式的相干消色散的数字接收机：美国的国家射电天文台和德国的马普研究所的计划方案为多相滤波器+GPU模式，多相滤波器实现对频域通道的划分，由GPU单元完成相干消色散的计算，使用GPU 单元进行计算对散热以及能源消耗都是很大挑战，国家射电天文台已经基本完成GUPPI的开发[3]。

(2)基于FPGA硬件实现相干消色散的数字接收机：目前比较成熟的是澳大利亚ATNF的PDFB脉冲星观测设备，我国引进两台性能不同的PDFB设备，可以实现折叠、搜寻、频谱和基带观测模式， 分别在昆明40 m射电望远镜和南山25 m射电望远镜进行脉冲星的观测；Jodrell Bank正在利用UniBoard(专门为射电天文观测研制的一款基于FPGA，可扩展性，通用高性能计算平台)开发数字化脉冲星观测终端，其实现的功能和PDFB类似，均可以实现实时相干消色散、折叠、脉冲星搜寻等功能[1]。

我国的科研工作者也在为数字化脉冲星终端研制做相关的技术储备，例如：新疆天文台依托现有的南山25 m射电望远镜和VLBI记录终端MK5A系统[4]，建立了脉冲星相干消色散观测系统；云南天文台利用40 m射电望远镜的VLBI终端构建的DBBC+MK5B记录系统脉冲星观测系统。DBBC+Mark 5B记录系统的脉冲星观测系统，后期数据处理繁琐、效率低，且不能生成PSRFITS格式的数据[5]。

DSPSR(The Digital Signal Processing for Pulsars)[6]是专门为脉冲星天文时间序列开发的开源C++库，根据DSPSR对观测数据格式的要求，需要将MARK 5B的脉冲星观测数据进行解码和格式转换到DSPSR支持的格式，然后再利用DSPSR命令即可完成对观测数据的处理，并可以生成PSRFITS；可以获得脉冲星更细致的脉冲轮廓和精确的到达时间等参数，因此本文提出一种基于MARK 5B记录系统+DSPSR数据处理的脉冲星观测方式。

2 云南天文台40 m射电望远镜现状

云南天文台40 m射电望远镜现配备有S和X波段馈源及S/X双波段(本振分别为1 600 MHz与9 100 MHz)致冷接收机，终端设备为基于DBBC+Mark5B的VLBI终端，氢钟的精度量级为10-12s；40 m射电望远镜参加中国大陆板块和国际大地测量组织的VLBI联测，获得40 m射电望远镜精确的地理坐标；40 m射电望远镜利用从国家天文台借用的PDFB系统观测到120多颗脉冲星，为开展脉冲星观测和脉冲星计时等相关的科学研究提供了必要的条件。构建的DBBC+Mark5B的脉冲星观测系统和以DSPSR为数据处理核心的脉冲星观测系统均为我国研制自己的脉冲星观测终端提供了技术储备。

3 基带数字脉冲星观测系统和数据处理

脉冲星观测系统由基带数据采集、数据记录和数据处理3部分组成，通过结合40 m射电望远镜的VLBI观测终端构建脉冲星观测记录系统；基带数据采集终端利用数字基带转换器，16通道，上下边带各8个，单通道带宽从0.5 MHz以2倍因子一直到32 MHz，本振最小可调量为10～16 MHz；数据记录终端采用美国Haystack天文台研制的用于VLBI联测的MK5B记录系统，记录速率最高可达2 Gps[7]；

脉冲星数据处理采用DSPSR开源软件包，对脉冲星进行处理。脉冲星观测系统的方框图如图1。

3.1 脉冲星观测方式

脉冲星观测的步骤为，首先检查数字基带转换器的数据采集终端、MARK 5B记录终端工作是否正常；启动FS控制计算机，按脉冲星观测的需要编写观测纲要文件。为了更好地检查数据的观测质量和数据处理方法，采用3种观测方式在S波段上边带观测脉冲星，分别为8通道，单通道带宽16 MHz，2 bits量化；2通道，单通道带宽8 MHz，2 bits量化；2通道，单通道带宽2 MHz，2 bits量化。8通道(BBC01～BBC08)频率设置分别为：通道观测频率为584 MHz、600 MHz、616 MHz、632 MHz、648 MHz、664 MHz、680 MHz、696 MHz；对J0835-4510进行2通道的观测，观测频率分别为 707 MHz、709 MHz。FS计算机通过观测纲要对数字基带转换器进行频率设置和控制MARK 5B的记录状态；启动天线驱动器及天线控制软件，操作天线控制软件控制天线跟踪计划观测的脉冲星；FS计算机根据观测纲要控制MARK 5B使之开始(结束)记录，观测数据按照过程控制文件里所设置的模式记录在MARK 5B的硬盘组里；利用MARK 5B的数据回放命令将脉冲星数据取至MARK 5B的计算机硬盘里，或是直接通过网络传送到数据处理计算机中，然后利用DSPSR对脉冲星观测数据进行处理。

图1 脉冲星观测系统框图
Fig.1 Block diagram of the pulsar observation system

3.2 DSPSR简介

DSPSR是一个开源的、面向对象、高性能的专门用于射电脉冲星天文学数字信号处理软件包；经过多年的发展，积累了广泛的功能，比如：DSPSR通过POSIX架构，可以最优利用中央处理器的多核多线程进行数据处理，提高数据的处理速率；DSPSR实现了多种算法相干消色散、滤波器组、双极化数据处理等功能；以及利用tempo多项式预报脉冲星周期进行折叠。DSPSR根据观测的带宽设置情况可以实现实时相干消色散，折叠后的脉冲数据可以以PSRFITS的方式输出；还可以自动切除无效的观测数据、同时处理多个脉冲星数据；支持18种数据格式，包括FITS、S2、CPSR、CPSR2、 PuMa、PuMa2、WAPP、ASP、Mark5等。

随着计算机的图形处理单元(Graphics Processing Units, GPU)在数字信号处理中的应用，美国的国家射电天文台利用GPU强大的运算能力，实现了GUPPI脉冲星观测终端的实时相干消色散功能，证实了CPU+GPU异构集群的实时相干消色散能力[3]；DSPSR也在逐步扩展其在GPU方面的数据处理能力。

Parkes通过引进由位于伯克利的天文信号处理和电子学研究中心(the Center for Astronomy Signal Processing and Electronics Research, CASPER)的the Interconnect Break-out Board(IBOB)的数据采集终端，构建了基于GPU集群的信号处理CASPSR脉冲星观测系统，该系统拥有4个节点可以实现在2 140 MHz频率上实时相干消色散，每台机器配备2块NVIDIA的Tesla C1060 GPUs[8]；DSPSR的安装需要PSRCHIVE的实验室，因此在只有安装成功PSRCHIVE才能成功安装DSPSR；DSPSR也在进一步的发展和完善中，逐步扩展其灵活性和可移植性。

3.3 脉冲星观测数据的DSPSR处理方法

脉冲星数据处理首先按照3.1节的观测方法，对目标脉冲星进行观测，观测结束后对数据进行处理；按照MARK 5B的命令，从磁盘阵列中通过网络将脉冲星观测数据传输到数据处理电脑；然后按照MARK 5B的编码方式，实现对观测数据的解码，并按照DSPSR对数据格式的要求，生成其所需要的数据格式；利用DSPSR对解码后和格式转换后的数据进行处理。根据DSPSR对数据处理的要求，首先要编写一个脉冲星观测信息的脚本文件，包括观测频率、射电源名称、观测模式、极化、通道、带宽、采样bit数、台站信息、 数据大小等参数；通过修改dspsr命令参数调整中央处理器的线程数，可以提高运算速度；运算效率根据数据处理电脑的硬件配置，目前在Intel Core i5-430M(2.26 GHz)的中央处理器上的运算速度为512 Mbps/s，数据处理时间大概需要一秒。DSPSR的处理命令如下: dspsr-list-t 8-D 68-A-L 5 -c 0.08936637341318309178 0835_4510_20120907.dat

采用上述的脉冲观测系统对PSR J0332+5434和PSR J0835-4510进行观测，频率设置观测模式如3.1节所述，DSPSR对脉冲星观测数据进行处理。

4 脉冲星数据处理和结果分析

对J0332+5434和J0835-4510采用不同的观测带宽进行了观测，利用DSPSR按照3.3节讲述的步骤对观测数据进行处理。对J0835-4510进行128 MHz带宽、8通道、2 bits采样、观测中心频率2 240 MHz观测和16 MHz带宽、2通道、2 bits采样、观测中心频率2 214 MHz观测；对J0332+5434进行16 MHz带宽、2通道、2 bits采样、观测中心频率2 214 MHz观测。观测数据处理结果如图2～3，从图中可以直观地看到观测频率、观测带宽、时间长度、信噪比等信息。利用DSPSR处理后的数据可以更直接反映观测信息和观测数据的质量，更重要的是可以生成通用的PSRFITS格式，从而实现Temp2和PSRCHIVE对MARK 5B记录终端的数据处理。

图2 J0835-4510的轮廓图(观测频率2 240 MHz、带宽128 MHz、8通道)

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

图3 J0835-4510在频域和时域的柱状图
Fig.3 The phase distributions of the 2240MHz pulse profile of PSR J0835-4510 in the frequency and time domains

从图3的频域柱状图中可以明显地看到不同的通道经过相干消色散已经对齐，时间域的柱状图已经被拉直了。

图4～5分别是J0332+5434和J0835-4510在观测的中心频率为2 214 MHz、2通道、每通道8 MHz带宽的脉冲轮廓图和时间域的柱状图。通过DSPSR对观测数据进行处理，可以清楚看到J0332+5434脉冲星的双峰结构，J0332+5434和J0835-4510的2 min的数据信噪比分别为29.886和75.212，可以满足脉冲星计时对信噪比的要求。

图4 J0332+5434的折叠脉冲轮廓图和时间域的柱状图

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

图5 J0835-4510的折叠脉冲轮廓图和时间域的柱状图

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

为了验证文中叙述的设备所观测的数据质量，根据European Pulsar Network的资料，对J0835-4510在采用同样的频率设置、观测带宽对其在S波段的轮廓图比较，结果如图6。

图6中左图是DSPSR对40 m射电望远镜和Parkes的射电望远镜对J0835-4510在2 309 MHz、4 MHz带宽的观测数据的处理结果，从图中可以获知40 m射电望远镜观测到单个脉冲图和Parkes观测的折叠脉冲轮廓是一致的。

图6 40 m射电望远镜和Parkes的射电望远镜的J0835-4510轮廓图

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 结 论

通过构建的脉冲星观测系统实现对J0332+5434和J0835-4510两颗流量较强的脉冲星的观测和数据处理，初步证实了40 m射电望远镜的脉冲星观测系统能够进行脉冲星观测。就所观测的两颗脉冲星的情况，数据的信噪比已经达到作进一步研究的要求，如TOA计算。DSPSR处理后的数据生成PSRFITS格式的数据，为后期进一步的数据处理提供了必要的条件。在观测频率、带宽相等的条件下比较了40 m射电望远镜和EPN的J0835-4510在S波段的轮廓图；采用8通道、单通道16 MHz，2 bit采样对J0835-4510观测，均验证了40 m射电望镜在现有终端情况下的脉冲星观测能力。为提升该观测系统的易操作性和自动化，需要对现有的观测终端进一步完善，比如实现FS计算机和天线控制软件的通信、MARK 5B数据的网络实时传输和DSPSR实现对较低观测数据流的脉冲星数据的实时处理等功能。

致谢：感谢射电天文与VLBI团组成员的大力支持和热情帮助，在此深表谢意。

[1] 罗近涛. 数字化脉冲星接收机若干关键技术研究[D]. 上海: 中国科学院上海天文台, 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] 刘立勇, 艾力·伊沙木丁, 张晋. 乌鲁木齐天文站建立脉冲星相干消色散观测系统[J]. 天文研究与技术——国家天文台台刊, 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, 郝龙飞, 等. 基于DBBC+Mark 5B记录系统的脉冲星观测[J]. 天文研究与技术——国家天文台台刊, 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

国家自然科学基金 (11103080) 资助.

2012-11-08；修定日期：2012-11-29

徐永华，男，硕士. 研究方向：射电天文信号. Email: yhx@ynao.ac.cn