基于GPU的脉冲星数字终端系统研制关键技术研究

This project is carried out to solve the technical problems and practical application needs in the research and development of pulsar digital backend. A high-speed real-time massive astronomical data processing system will be realized by using the new generation GPU and CUDA technology, which will greatly improve the efficiency of pulsar observation and real-time searching. High performance GPUs are used as main part of signal processing. The pulsar searching strategy and algorithms will be systematically optimized to face the technical challenge of the real-time massive data in pulsar searching. For building a multifunctional pulsar digital backend, the mixed mode of FPGAs and GPUs will be used, which will implement high-precision real-time sampling, RFI mitigation and real-time pulsar searching. FPGAs will be used to adapt the ADCs, manipulate data flow, and preprocess the signal; GPUs will be used to implement the core algorithms and real-time massive data processing; CPU will be used for data transmission, logic control, file access. Finally, we will try to build a pulsar observation system which will be flexible, scalable, and easy to upgrade. The performance and resolution of de-dispersion backend system used by Nanshan 25-meter radio telescope will be improved, and this will lay a solid technical foundation of independent development for Xinjiang 110-meter radio telescope pulsar digital backend system.

针对目前脉冲星终端开发过程中面临的技术问题与实际应用需要开展本项目研究。项目拟采用新一代GPU和CUDA技术实现海量天文数据的高速实时处理，利用具有高性能并行计算能力的GPU作为信号处理核心，对脉冲星搜寻策略与算法进行系统优化，解决实时脉冲搜寻数据计算量巨大无法实时处理的难题。拟采用FPGA与GPU混合模式的脉冲星数字终端技术实现信号实时高精度采样、实现基于GPU的消色散处理、RFI抑制和脉冲星实时搜寻等多功能处理终端系统。利用FPGA控制ADC进行采样与数据流控制和信号预处理，GPU实现终端核心算法与实时海量数据处理，CPU用于数据传输、逻辑控制和文件读写。最终实现一套易升级、改造、灵活、可扩展的脉冲星观测系统。改善新疆天文台南山25米望远镜消色散终端性能，提高系统分辨率，为新疆110米射电望远镜多功能高速数字终端系统自主研制奠定技术基础。

随着天文学研究不断深入与数字技术的迅速发展，天文观测对信号接收与处理系统设备性能的要求也在不断提升。超宽带、多波束接收技术使得天文观测过程产生的数据量成倍增长，海量天文数据流高速传输、预处理及存储已成为目前大型射电观测设备运行中急需解决的问题。射电天文数字终端系统作为射电望远镜的重要组成部分，承担信号采样及预处理和数据高速传输及存储功能，当前主流数字终端系统多采用FPGA+GPU+CPU混合架构模式，异构系统需要在不同设备间实现高效数据流转，以满足高速采样、实时分析与处理的科研需求。.针对新疆天文台南山25米射电望远镜（NSRT）实际观测过程中遇到的问题及未来大口径射电望远镜多功能数字终端系统数据实时高效传输与预处理系统设备的研制需求，结合现阶段数字终端系统的发展趋势，项目对异构平台上如何实现高效天文数据传输与预处理技术进行了分析研究。.项目研究采用新一代GPU和CUDA技术实现了海量天文数据的高速实时处理，利用具有高性能并行计算能力的GPU作为信号处理核心，对脉冲星搜寻策略与算法进行了系统优化，基本解决了脉冲星信号计算量巨大无法实时处理的难题。采用FPGA与GPU混合模式的脉冲星数字终端技术实现了信号实时高精度采样、实现了基于GPU集群的消色散处理、RFI抑制和脉冲星数据相干消色散算法。基于研究的关键技术建设了一套基于ROACH2+GPU的易升级、改造、灵活的脉冲星观测系统，改善了南山25米望远镜消色散终端性能，提高了系统分辨率。项目关键技术研究为新疆110米射电望远镜多功能高速数字终端系统自主研制奠定了良好的技术和理论基础。.项目关键技术已成功应用，基于ROACH2+5GADC+CPU/GPU混合架构平台开发了脉冲星观测系统。项目建设的观测系统与澳大利亚DFB系统进行并行观测，通过观测数据进行对比，脉冲星到达时间残差与DFB系统持平，达到国际同等设备水平。项目自研的观测系统带有单脉冲观测功能，现已用于FRB科学观测，截止到2022年12月底共探测到FRB爆发10余次。