用Simulink库开发射电天文仪器万博1manbetx

射电天文学是通过分析无线电波来研究天体的学科。这一领域允许科学家观察在电磁波谱的其他部分通常无法探测到的天文现象。在其短暂的70年历史中，射电天文学已经揭示了新的天体类型，包括脉冲星和类星体，特别是宇宙微波背景辐射，它是形成我们的宇宙的大爆炸事件的冷却残留物。

实时处理来自天线的数字化信号是射电天文学面临的关键挑战。单个天线单元每秒可以产生几百200千兆比特的数据，而来自多个单元的数据通常被组合起来以提高分辨率和灵敏度。处理如此大量的数据是很复杂的，因为射电天文学家通常对非常短的时间尺度感兴趣——脉冲星的爆发通常只持续几毫秒。当观测到一个意想不到的有趣事件时，天文学家依靠快速的数据分析，使他们能够迅速引导其他望远镜观测到这个现象。

传统上，用于处理无线电数据的实时仪器的开发需要雇佣经验丰富的电气工程师，使用定制的电子设备设计和实现系统。事实证明，这种方法既昂贵又耗时，项目通常需要10年以上才能完成。在许多情况下，当仪器投入使用时，由于电子工业的快速发展，仪器技术似乎已经过时了。

在加州大学伯克利分校，天文信号处理和电子研究中心(CASPER)开发了一种Simulink万博1manbetx^®简化并加速射电天文仪器的发展。独立于平台的CASPER库使天文学家能够通过将参数化功能模块组装到可重构模块化硬件上的设计中来快速部署新的仪器。这种方法结合了特定应用硬件的实时性能和简单的Simulink设计工作流。万博1manbetx因此，工程师和科学家可以建造和部署复杂的射电天文仪器，而成本只是早期定制硬件仪器的一小部分——通常在几个月之内。

使用Casper库

大多数射频天文仪器包括常用的组件。例如，光谱仪通常包括多相滤波器组（PFB），快速傅里叶变换（FFT）块，集成器，转置器和缓冲器。Casper库是这些公共组件的一组Simulink实现，使天文万博1manbetx学家能够快速组装和模拟仪器设计。由于库是开源的，因此广泛的用户社区可以为开发和调试库组件做出贡献。

为了开始使用CASPER库，研究人员通常会完成在线教程，教授基本的功能，最终逐步建立一个数字光谱仪。如果他们计划组合来自多个望远镜的信号，他们可能还会完成构建宽带干涉仪或相关器的教程，如图1所示的32元fx风格相关器。

在学习Casper Library元素以及如何链接时，研究人员可以在Simulink中设计自己的完整仪器系统（图2）。万博1manbetx通过使用波发生器可以在Simulink中运行仪器系统的模拟，以产生样本输入和范围或频谱分析仪以可视化输万博1manbetx出。

一旦设计通过仿真验证，研究人员使用Xilinx生成HDL码^®用于DSP的系统生成器。然后将代码合成并部署到构成系统硬件平台的BEE2、IBOB或ROACH或ROACH II板上(参见边栏)。天文学家可以直接瞄准Xilinx fpga，因为每个CASPER库组件都是使用Xilinx System Generator开发的。

在将完成的硬件实现连接到无线电望远镜之前，天文学家通常将其连接到实际信号输入和噪声源，以验证它按预期运行。

苍蝇的眼睛和其他CASPER应用

在使用CASPER库和硬件建造的许多仪器中，有蝇眼(Fly’s Eye)，这是一种用于搜索高能量无线电脉冲的数字光谱仪。最近，澳大利亚帕克斯射电望远镜的档案数据中发现了一个神秘的明亮射电脉冲，这使人们对这一领域的兴趣达到了顶峰。

“蝇眼”用于在艾伦望远镜阵列(ATA)上搜索明亮的无线电脉冲，该阵列位于加州北部，由42个6米长的碟形天线组成(图3)。

这个200兆赫、128通道的仪器由44个独立的光谱仪组成，使用Simulink、CASPER库和11个ibob构建。万博1manbetx在传统的干涉模式下，所有的盘子都指向天空中相同的位置，以提高分辨率和灵敏度。“蝇眼”处理来自42个独立的望远镜天线的信号。这种方法提供了广阔的天空视野和对罕见明亮事件的极佳灵敏度。

传统实施飞行的眼睛可能会消耗五年的经验丰富的数字工程师的努力。然而，使用与Casper模块化计算板和万博1manbetx库配对的Simulink设计环境，三个本科生团队和一位研究生在大约一个月内完成了发展。另一个Casper仪器，旨在检测从与月球地壳互动的高能中微子源的无线电脉冲，由Iowa大学博士建设。学生在大约一周。

蝇眼只是使用CASPER库建造的许多成功的仪器之一。位于西弗吉尼亚州格林班克的国家射电天文台的科学家们最近发现了迄今为止用CASPER库建造的脉冲星光谱仪测量到的最大的中子星。在另一项努力中，麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的干草堆天文台(Haystack Observatory)和哈佛-史密森天体物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)领导了一项努力，利用基于casper的技术，实现了对银河系中心超大质量黑洞的最高分辨率观测。目前正在南非开发的卡鲁阵列望远镜(MeerKAT)最终将成为世界上最大和最强大的射电望远镜之一，它将依赖于基于casper的数字处理系统。

CASPER的美好未来

虽然天文学家通常不熟悉HDL或硬件设计原则，但他们通常有一些使用脚本语言或c语言编程的经验。此外，我们用户社区中的许多科学家都熟悉MATLAB^®或仿真万博1manbetx软件。例如，他们可能已经使用MATLAB来后处理数据或模拟观测结果和天线性能。CASPER方法的真正优势在于，世界各地的天文学家和物理学家可以通过Simulink来设计他们自己的数字硬件。万博1manbetx直观的图形设计环境可以很容易地利用模块化组件构建复杂的系统，并在可重构硬件上进行综合之前进行模拟。其结果是大大加快了创建新的射电天文仪器的设计工作流程，只有有限的工程经验的科学家可以访问。

历史表明，每次我们以新的方式检查宇宙 - 通过不同的波段或时间尺度 - 我们创造了新的，经常出乎意料，发现。新颖的天文仪器是宇宙中这些新瞥见后的驱动力，为建立它们的天文学家和工程师提供了光明的未来。