SKA宽视场高动态成像数据处理关键技术研究

The upcoming Square Kilometre Array radio telescope (SKA) is the biggest scientific experimental device ever built by astronomers, which is expected to bring revolutionary discovery for exploring and understanding the universe. The work package of science data processor (SDP) is one of the six work packages that China would participate in SKA. Tthe core algorithms and key techniques involved are the fundamental research for the later scientific research. In this study, we make full use of the advantages of the team in the interdisciplinary of astronomy and computer, aiming at breaking through the SKA SDP wide field, high dynamic range imaging and high performance data processing key techniques. The research will focus on basic research works such as key processing methods of wide field high dynamic range imaging algorithm, sky model based on Bayesian statistics, interferometric imaging methods based on compression perception. The imaging methods optimized and their power consumption should be further verified by using experimental approaches. An imaging framework and pipeline prototype should be finally implemented. Achievements of this study will further promote China's work in the SDP work packages. The realization of the key techniques will lay a solid foundation for China's follow-up scientific research and further promote the progress of the radio interferometric data processing software and techniques in China.

即将启动建设的平方公里阵列射电望远镜（SKA）是天文学家迄今建造的最大科学实验装置，有望为人类探索和认识宇宙带来革命性的发现。科学数据处理器（SDP）工作包是我国参与SKA的6个工作包之一，所涉及的核心算法与关键技术是开展后期科学研究的基础。本项目充分利用团队在天文与计算机交叉学科上的优势，以突破SKA-SDP宽视场高动态成像及高性能处理关键技术为目标，重点开展宽视场高动态成像关键算法、基于贝叶斯统计的天空模型建模方法、基于压缩感知的干涉阵成像技术等基础研究工作，进而通过实验给出各成像算法的计算能耗，最终实现执行框架和管线原型。成果将进一步推动中国在SDP工作包中的工作，关键技术的实现将为中方开展后续科学研究打下坚实基础，提升我国射电干涉阵数据处理水平和软件研发能力。

平方公里阵列射电望远镜（SKA）有望成为人类有史以来最大的综合孔径射电望远镜，SKA集传统射电天文干涉技术和现代相控雷达技术为一体，将颠覆射电天文学的传统研究手段，其对于天空的监测将显示前所未有的细节，提供前所未有的观测能力，为天文学家开辟激动人心的新科学机遇。.本研究以SKA科学数据处理方法为研究主线，经过四年的努力已经全面完成了原预定目标。项目组全面地掌握主流宽视场成像算法原理，解决宽视场高动态成像数据处理的关键技术，为不同科学需求的数据处理给出可用的算法，实现高质量宽视场成像；实现基于Dask、DALiuGe和GPU等并行或硬件加速环境下的算法并行化，评估了各算法的性能与计算能耗开销，重点解决了Faceting，WStacking，AProjection算法的并行化问题；在并行环境下，研究并实现不同场景的射电干涉阵宽视场成像算法，并在ARM环境中分析了能耗开销。项目围绕更为精确的校准处理方法开展了系列研究工作，通过自校准、RFI去除、主波束改正等相关研究，提高成图动态范围，满足EoR、等科学研究的需要，实现了更为精确的天空模型构建方法，在20平方度视场内动态范围高于10^5。在基线依赖平均和方向依赖等研究方面取得良好进展。基于完成的基础工作，项目组与国际团队完成的RASCIL软件已经成为SKA-SDP建设的核心底层库。基于RASCIL开发的MSMFT、QA等一系列算法和应用能够满足SKA科学级的数据产品的生成需要。项目组研发的数据处理管线原型已经被应用于SRC和其它射电干涉阵。.项目与英国、澳大利亚和南非团队开展了深入的合作。本项目显著提升了项目组在射电干涉数据处理方面的能力。王锋团队于2021年成功中标国际SKA-SDP建设项目，成为我国唯一进入SDP建设的团队。.项目培养出一批在天文技术方法、射电天文学、海量数据处理与分析等领域的专业人才，项目执行期间，博士3人，硕士12人毕业并获得学位。在四年内发表期刊论文42篇，其中SCI论文26篇，会议论文1篇，国内核心期刊论文15篇，申请发明专利6项，其中已授权3项，授权软件著作权11项。