用于大气契伦科夫望远镜的硅光电倍增管信号实时处理算法研究

The air Cherenkov telescope technique based on photomultiplier tubes (PMTs) has achieved remarkable results in gamma ray source finding and high-energy cosmic ray energy spectrum measurement. With the rapid development of silicon photomultiplier tubes (SiPMs) and electronics, a new generation of atmospheric Cherenkov telescopes are widely used as their optoelectronic probes in SiCh telescope experiments, and the back-end electronics evolve into a waveform digitized signal read Out of the way. The new detectors and signal readout frames, though minimalist, present two problems: detector signal noise reduction and massive data processing problems. This project will study the denoising algorithm of SiPM output signal in wide-angle Cherenkov telescope array (WFCTA) from the perspective of digital signal processing. At the same time, taking advantage of the preservation of original waveform, the multi-dimension features of the waveform will be analyzed, Excavate useful information. The results of this study can fill the gap of the WFCTA detector waveform signal noise reduction algorithm, and will also broaden the experimental data extraction method of atmospheric Cherenkov experiment.

基于光电倍增管（PMT）的大气契伦科夫望远镜技术已在伽马射线源寻找和高能宇宙线能谱测量方面取得了显著成绩。随着硅光电倍增管（SiPM）和电子学的快速发展，新一代的大气契伦科夫望远镜实验中均大规模采用SiPM用为其光电探头，而后端的电子学则发展为波形数字化的信号读出方式。新式的探测器和信号读出框架虽然简约，但却带来了两个问题：探测器信号降噪问题以及海量数据处理问题。本项目将从数字信号处理的角度，研究广角切伦科夫望远镜阵列（WFCTA）中SiPM输出信号的降噪处理算法；同时利用原始波形保存的优势，将对波形的多个维度特征进行分析，挖掘其中的有用信息。本研究结果可填补WFCTA的探测器波形信号降噪算法的空白，也将可能拓宽大气契伦科夫望远镜实验的数据处理方法。

基于SiPM的大气契伦科夫望远镜（WFCTA）实验在高能宇宙射线能谱测量中具有重要意义。本项目深入融入到WFCTA的调试、运行、数据分析和总结中。结合海量的观测数据，重点研究了不同环境（如背景光、温度）下电子学系统的性能，对实验中的LED事例、激光事例和宇宙线事例进行了多维度的统计分析，确定了它们的信号特征，基于物理要素，提出了一个精简的实时数字信号处理的FPGA构架。通过研究发现，不同背景光对WFCTA的电子学基线的影响最大约0.25@FS，并能显著的影响噪声水平，因此算法需要重点考虑背景光的影响；LED事例波形宽度范围约为240 ns, 频率为 3 Hz；激光事例波形的宽度约为 160 ns~1680 ns，频率为 1 Hz；宇宙线事例的波形宽度约160 ns~ 320ns, 频率小于 500 Hz（根据触发阈值设定而变化）。基于此，我们提出了一个通用精简的FPGA构架，该构架采用延迟相减、平滑滤波的方法扣除背景光的影响，同时也兼顾了FPGA编程效率。在信号处理后端，可对LED事例、激光事例和宇宙线事例分类处理，最后通过指令选通的方式上传数据。本项目研究结果可作为WFCTA 数字信号实时处理升级和荧光模式下信号处理的依据，也可以为下一代WFCTA信号实时处理和数据处理提供参考。