平方公里阵列射电望远镜(SKA)专项2020年度项目启动会成功召开

2021年3月25日,SKA专项2020年度项目启动会在贵州天文小镇成功召开。来自科技部国家遥感中心、SKA专项专家委员会、SKA重点科学方向责任单位、项目牵头单位以及参与单位近40人出席了会议。国家遥感中心王琦安主任介绍了SKA专项的总体情况,并围绕强化项目实施各级主体责任。

一种应用于平方公里中频阵的锥削槽天线阵的设计

设计了一种应用于平方公里中频孔径阵列的双极化超宽带锥削槽天线.该天线采用五边形谐振腔代替传统锥削槽天线的正方形谐振腔,在不占用有源电路面积的情况下,拓展了低频工作带宽;采用辐射板与馈电巴伦分离设计,在不影响天线电性能的前提下,极大地缩小了介质板尺寸以节约加工成本;天线加工成十字形结构以实现阵元间良好的电流连续性和不恶化天线的极化性能.仿真结果显示,该天线能够在0.25~1.57GHz带宽内进行±45°扫描,且在整个工作频带内具备较好的极化特性,因此所设计天线能够满足平方公里(the Square Kilometer Array,SKA)中频阵超宽带、低成本、大扫描角以及高极化隔离度的要求.

一种应用于平方公里中频阵的八角环天线阵

结合平方公里中频孔径阵列的应用场景,文中提出了一种基于电阻膜频率选择表面的超宽带八角环天线单元。其通过在八角环天线阵列与接地板之间加载方环形电阻膜频率选择表面,对由金属地板在对应频点因反相叠加而产生的驻波峰值有效抑制,进而拓宽了天线带宽以及降低了天线剖面。仿真结果表明:加载电阻膜频率选择表面后,天线阵元最终在±45°扫描范围内获得了5:1的阻抗匹配带宽,且天线的剖面降低了约27%。此外,在整个工作频带内天线阵元具有稳定的有源方向图、较宽的半功率波瓣宽度以及较好的极化性能。

SKA中频孔径阵列分级波束形成系统设计与验证

平方公里阵列射电望远镜SKA中频孔径阵列,是下一代全数字阵列最具代表性的装置之一,其所面临的技术挑战是在成本可接受的条件下实现足够灵活的波束形成。本文阐述了一种中频孔径阵列分级波束形成架构的设计和验证。这种新型的分级波束形成架构基于真延时与波束切换技术。将此波束形成系统与致密排布的维瓦尔第天线前端集成后,系统能够根据不同的后端处理能力,同时输出2至16个波束,覆盖90°全空域。

平方公里阵列射电望远镜SKA启动建设

耗资20亿欧元,由197只碟型天线和超过十三万只阵子天线组成的平方公里阵列射电望远镜SKA一期已经开始建设,将于2029年交付使用。建设SKA这个全世界最大的射电望远镜网络,从构想提出到开工建设历时30年。望远镜将采用双台址,分别建于澳大利亚和南部非洲,在2029年建成后将运行50年。顾名思义,未来的SKA总接收面积可达1平方公里,将通过在南部非洲分布的2500只碟型天线以及在澳大利亚分布的一百多万只阵子天线来实现。

国家重点研发计划“SKA前期数据处理系统建设和相关科学预研”简介

在继承平方公里阵列(Square Kilometre Array,SKA)望远镜的中国低频探路者——"宇宙第一缕曙光"探测项目21CMA在十年间所积累的经验和广泛国际合作的基础上,计划小规模改造现有设备,迅速掌握数字多波束合成、高动态大视场成像、前景去除等SKA低频成像的关键核心技术。同时,与SKA低频阵(SKA-low)先导设备MWA(Murchison Widefield Array)开展深层次合作,预选未来用于SKA1-low宇宙再电离深度成像的观测候选区域,为最终利用SKA第一阶段(SKA1)低频阵列,对选定观测候选区域进行深度定点观测做好充分准备,最终实现SKA1既定的首要科学目标。该项目还将建设中国SKA区域中心数据处理原型样机,并以21CMA和MWA实测数据为基础,完成低频射电干涉成像的数据处理流程,为建设中国SKA区域数据中心打下基础。

基于星表的射电干涉阵成像评价指标研究

为了满足新一代射电干涉阵望远镜对成像结果进行质量评价的迫切需求,文章以仿真数据为基础,通过比较在成像结果上进行源搜寻得到的星表与仿真时所使用的已知参考星表之间的差异,展开对射电干涉阵成像质量评价指标的研究。不同于常用的将两个星表进行交叉匹配并比较匹配源的诸如位置、流量密度等属性的精度,文章提出了使用度量两个元素集或者分布之间差异的推土距离(Earth Mover's Distance,EMD)来量化两个星表之间的差异,以更鲁棒的数值指标评价成像质量,为进一步研究更加鲁棒的射电干涉阵成像评价指标提供了有益的参考,也有助于射电干涉阵望远镜最终获得更高质量的科学数据。

“SKA建设准备阶段关键问题研究”项目立项报告

该报告在SKA科学目标预研究、天线研究、宽频带大视场接收机系统研究等方面,设立相应研究,针对性地开展相关的射电天文前沿科学和高技术研究。在SKA科学目标与研究方面,主要围绕宇宙再电离、暗能量与暗物质本质、河外射电源、SKA核心数据处理技术等课题开展预研究,同时组织国内射电天文界的相关力量,逐步凝练并形成中国SKA早期科学目标,并在此过程中,逐步发展国内的SKA科学研究团队。同时,将实施中国SKA人才培养计划,为我国未来SKA科学研究进行人才储备建设。在天线阵列研究方面,开展高频段口径15 m天线的天线理论、机械结构、馈电系统,以及大批量、低成本、高可靠性的天线研制技术研究。在宽频带大视场接收机技术方面,开展SKA先进仪器计划中的宽频带单波束接收机和相位阵技术研究,为SKA和国内大口径射电望远镜做相应技术储备。该项目拟基于大学、研究所和工业界现有研究队伍,以产学研合作的方式,培养、发展和壮大我国参与SKA未来建设和科学运行团队。

基于Python的SKA-RASCIL中的天线增益校准实现

天线增益校准是射电天文观测数据处理过程中的一个关键步骤。分析了经典的天线增益校准算法Antsol的基本原理,并基于Python对Antsol算法进行了高性能实现,所完成的程序代码已经集成到平方公里阵列(Square Kilometre Array,SKA)的射电天文模拟校准成像软件(Radio Astronomy Simulation,Calibration and Imaging Library,RASCIL)中,不仅为当前平方公里阵列数据处理提供了支撑,也为未来数据处理的性能优化提供算法参考。

一种用于SKA的SiGe宽带低噪声放大器

文章设计了一款用于平方公里阵列(Square Kilometer Array,SKA)接收前端的异质结双极型晶体管(heterojunction bipolar transistor,HBT)低噪声放大器。放大器的第1级在反馈电感的基础上采用电容负载,利用晶体管寄生电容拓展带宽;第2级利用发射极跟随放大器实现宽带内稳定的输出阻抗。采用HHNEC 180 nm SiGe工艺对电路进行仿真,版图仿真结果表明,在0.5～1.5 GHz内,噪声系数低于1.16 dB,最小噪声系数为0.76 dB,S_(21)大于15 dB。整个电路尺寸为1.1 mm×0.98 mm(含焊盘),在3.3 V供电电压下,功耗为34 mW。

基于SKA1-low的数字波束形成技术

为配合我国参与平方公里射电阵(SKA)项目,深入理解数字波束形成条件下的射电干涉观测和相应数据处理算法,提出了基于多相滤波器组信道化数字移相波束形成和基于分数阶时延滤波器数字波束形成两个技术算法,前者使用互相关法求解相移量来提高波束指向精度,后者是传统算法与射电观测理论的有效结合。首先,详细介绍了算法的理论推导并分析了它们的优缺点;然后,通过仿真实验验证了这两个算法的正确性,仿真结果表明基于多相滤波器组信道化数字移相波束形成算法相比传统算法具有一定的优越性;最后,分析了不同阶数时延滤波器对波束形成的影响并得出了相应结论。这些仿真结果及结论可为从事SKA项目的科研人员提供参考。

SKA数据中心云平台方案的概念性研究

针对平方公里阵列(SKA)望远镜数据中心海量数据存储和管理的要求,结合当前云计算和大数据技术的发展趋势,对SKA数据中心的云平台方案进行了研究。调研了有关业界的发展状况,对建设数据中心"私有云"进行了前期的一系列尝试,将具体的天文处理软件部署到云平台并进行初步测试。

面向SKA1时代的科学数据流及阵列模拟分析

作为下一代射电望远镜,平方公里阵列望远镜(Square Kilometre Array,SKA)经过多年的筹备,第一阶段(SKA Phase 1,SKA1)已经在2021年7月开工建设,SKA1正式运行后预计每年将产生710 PB的科学归档数据,这些数据将存储在世界各地的SKA区域中心供科研工作者使用.本文将SKA观测台站、中央信号处理器、科学数据处理及区域中心等各个阶段的模型进行量化分析,以SKA1的高优先级科学观测为主要依据,得出每个阶段的数据流评估情况,以及对科学数据处理算力的需求.以当前SKA1-low和SKA1-mid的阵列为例,总结了包括分辨率、灵敏度和UV(Ultraviolet)覆盖等影响干涉阵列布局的关键因素;最后使用OSKAR(Oxford SKA Radio Telescope Simulator)进行干涉阵列的数据模拟,通过对SKA1-mid的模拟得出系统的可扩展性和稳定性,通过对SKA1-low在CSRC-P上的模拟,可以看出中国SKA区域中心原型机设计经过了充分的论证和优化,并得出了详细的算力需求以及数据量的详细信息.SKA对数据处理、计算和存储等的需求,将需要电子、通信、信息、计算机等技术和交叉学科的联合推动.

SKA用低频高效率整流电源的研制

平方公里阵列天文望远镜(Square Kilometer Array,SKA)是我国作为正式成员参加第二个国际大科学工程的项目。为了保证SKA系统中天线的信号检测精度,要求其供电电源采用工频工作方式。SKA天线要求供电电源的工作频率为50 Hz,交流输入为240 V,输出为4.5 V和80 A,对高效、低纹波以及高功率因数电源的研制提出了极大的挑战。采用隔离式低频数字驱动全波同步整流方式有效降低了整流损耗,提高了整机效率。设计了无源功率因数补偿电路提高了输入功率因数,同时利用晶闸管调压技术结合单片机控制实现了输出电压闭环调节。最后研制了一台工作频率为50 Hz,输出为4.5 V/80 A,整机效率为80.4%,输出电压纹波为137 mV,功率因数为0.937的样机,达到SKA天线用电源的供电要求。

参与SKA国际大科学工程回答宇宙的最基本问题

平方公里阵列射电望远镜(SKA)是一项由全球多国参与的国际大科学工程,旨在建造和运行世界最大规模综合孔径射电天文望远镜,主要工作在厘米-米波电磁波段,以大量小单元天线汇聚实现综合孔径射电干涉成像,其总接收面积达一平方公里。SKA由政府间国际组织--平方公里阵列天文台负责建设运行,澳大利亚、中国、意大利、荷兰、葡萄牙、南非、瑞士、英国、加拿大、法国、德国、印度、日本、韩国、西班牙、瑞典等国家参与建设。平方公里阵列天文台总部设在英国,两个台址国为南非和澳大利亚,分别设立由数百个反射面天线和数千个小天线阵组成的阵列。SKA的巨大尺寸和天线数量意味着,其建成后将在灵敏度、分辨率和巡天速度上取得重大飞跃--高灵敏度将使它能够比现有的望远镜看到更深远的宇宙;高分辨率使它能够揭示比以往观测到的更清晰的细节;大视场使它可以一次看到更多的天空,极大地提高巡天速度,这些卓越性能决定了SKA建成运行后将探索发现宇宙中的一些重大科学问题。

世界最大综合孔径望远镜SKA低频数字阵列系统研究

数字阵列技术的不断进步促进了其在射电天文、雷达、深空探测等领域新一代探测装置的诞生与发展.本文阐述了国际大科学装置平方公里阵(SKA)及国内外新一代射电望远镜装置的发展趋势,依据当前数字阵列技术,对新一代数字阵列架构的射电天文望远镜进行了研究,分析其系统架构、典型特点、性能优势.结合课题组参加SKA孔径阵列工作包的研究内容,讨论了3种低频孔径阵列系统架构方案及特点,探讨了具有实用价值的系统实施方案.

复合材料柔性电热膜固化方法与温度分布

为解决大型整体化复合材料构件制备的低成本固化问题,采用真空灌注(VARI)成型工艺制备碳纤维/环氧复合材料层合板,发展了一种柔性电热膜(FEHF)固化方法.考察了电热膜的铺放方式、温度制度对复合材料固化温度分布规律和固化程度的影响.结果表明:电热膜拼接铺覆方法温度均匀性最佳,恒温阶段最大温差为11℃,分别比搭接铺覆和间隔铺覆降低了26.7%和38.9%.增加恒温平台有利于减小升温过程中的复合材料不同位置处的温度差异,但最终的温差和温度分布规律与未增加恒温平台相同.采用电热膜拼接铺覆方法制备了大尺寸整体化碳纤维/环氧复合材料天线反射器蒙皮,玻璃化转变温度达到80℃以上,反射器精度达到0.7 mm(r.m.s.),说明电热膜固化方法可用于大型复合材料构件的制备.

中国SKA区域中心跨洲际高速数据传输进展及展望

平方公里阵列(Square Kilometre Array, SKA)作为最大的射电望远镜,其观测产生的数据将首先由澳大利亚和南非两个台址传输到几百公里以外的科学数据处理中心,然后通过跨洲际高速互联网分发到上万公里距离的全球各个SKA区域中心(SKA Regional Centre, SRC).在SKA第一阶段,每年预计有710 PB的数据需要通过至少100 Gbps的网络分发到各个SRC,如此高的网络带宽和数据规模对数据的传输与分发带来极大挑战.本文通过对TCP/UDP/HTTP等多种网络协议的分析,使用当前射电天文领域不同的软件测试研究了当前10 Gbps网络基础设施下的最佳传输方案参数,讨论了影响高速传输的因素,提出了相应的性能优化策略.这将为中国在SKA第一阶段正式观测前的网络建设和布局提供技术基础,也是未来SKA区域中心全球联网运行的技术积累.本文所描述的技术细节和方法对依赖大数据量跨国际节点交互的相关科学应用至关重要.

中国SKA区域中心原型系统——软件平台

平方公里阵列(Square Kilometre Array,SKA)射电望远镜将在多个科学方向取得革命性的突破,而SKA软件系统是影响科学产品的关键因素之一.SKA区域中心是天文学家进行SKA数据分析、科学研究和学术交流的平台.处理SKA科学数据的软件环境需要具备通用性、灵活性和高适应性.中国科学家已经建成了中国SKA区域中心原型机,部署了被大型超级计算机广泛使用的作业调度系统,并安装了能够处理当前主流射电望远镜观测数据的天文软件,还部署了多个科学数据处理管线,以方便不同科学方向的观测数据的自动化并行处理.本文介绍了中国SKA区域中心原型机的软件平台和处理SKA先导望远镜数据的管线,包括低频连续谱成像管线、谱线成像管线以及甚长基线干涉测量数据处理管线.国内外用户已经基于该平台成功开展了SKA相关科学研究.该平台的建设和运行为未来全面建设中国SKA区域中心提供了宝贵的实践经验.

SKA低频成像管线并行优化

平方公里阵列(Square Kilometre Array,SKA)射电望远镜的数据处理是通过管线方式进行的,管线的执行效率是SKA区域中心考虑的重要因素.连续谱成像观测是SKA的主要观测模式之一,也是许多科学工作的基础.本文以SKA低频先导设备(Murchison Widefield Array,MWA)的成像管线为例,在中国SKA区域中心原型机(China SKA Regional Centre Prototype,CSRC-P)上进行并行处理管线优化.以往的优化方案都集中在少数性能热点,缺乏对整体管线的系统优化,导致整体加速比相对较低.针对这一问题,本文提出一种全局优化方案,针对管线使用多种编程语言和图像数据可独立处理的特点,综合使用C++多线程、Python多进程和Shell多任务并行等优化方法,并验证了优化结果的准确性.实验表明,优化后的代码在CSRC-P的x86节点和ARM(Advanced RISC Machine)节点上分别获得了2.7和2.4倍加速,运行时间分别从7479和9666 s,降低为2759和4061 s.ARM计算节点展现出对SKA应用良好的适应性.本文的优化策略和方法也适用于其他SKA科学应用,对SKA先导望远镜的科学运行和未来的运行也有帮助.