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| 1 | SKA低频成像系统在中国SKA区域中心的部署显示文摘平方公里阵列(Square Kilometre Array, SKA)将成为世界上最大的综合孔径射电望远镜.凭借其高分辨率、超高灵敏度和超快巡天速度, SKA能以前所未有的细节探索宇宙.连续谱巡天是SKA的几个主要观测模式之一,为理解和认识射电天空奠定基础. SKA探路者设备已经运行了几年,积累了丰富的巡天观测数据.中国天文学家正在为中国SKA区域中心(China SKA Regional Centre, CSRC)的建设进行积极的准备,已经完成了原型机.本文详细介绍了在CSRC原型机中部署SKA低频数据处理系统的进展.默奇森宽场阵列(Murchison Wide-field Array, MWA)是SKA低频阵列的先导项目.我们使用MWA的观测数据来验证成像管线系统的部署并测试其正确性. CSRC原型机的数据处理结果与已发表的结果一致,表明在CSRC原型机上部署开发的并行数据处理系统取得了巨大成功.而且,该原型机的灵活适配性和可扩展性使其可以轻松扩展,支持未来SKA第一阶段试运行期间的大规模连续谱成像实验.这些经验将有助于改善成像管线系统,并有助于完善CSRC. | 劳保强 安涛 | 2020 | 中国科学:物理学、力学、天文学2020，50，5： | 3 |
| 2 | 射电频率干扰的消减显示文摘一直以来,射电天文装备不断得到升级和发展,以使其具有更好的观测性能,包括提高数据记录的时间和频率分辨率以及获得更高的接收和记录带宽等.然而与之形成矛盾的是:国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU)仅为射电天文分配了非常有限的频谱资源,导致的后果是射电观测设备不可避免地受到日益增强的非天文信号的影响,后者的来源主要是人类的通信活动和日常生活,这就构成了通常射电天文中所说的射频干扰(Radio Frequency Interference,RFI).射频干扰会降低数据质量甚至导致数据无效,对科学结果的影响越来越严重.对RFI消减的需求进行分析,总结了RFI的特性、抑制和消减的技术和方案,并介绍了一些有代表性的射电望远镜(或阵列)中采用的RFI消减方法;还分析比较了4种常用方案,即预防、预检测、预相关和后相关的优势和不足.对RFI进行准确的识别和标记是减少数据损失从而有效提高数据质量的关键,也是发展RFI消减技术的最终目的.通过研究不难发现,上述4种方案的组合运用将具有更高的实用价值.近几年来,随着高速数字信号处理和高性能计算的迅速发展,依赖大量计算的实时模式下的预检测以及离线模式下从大型望远镜阵列所产生的大规模干涉相关数据中检测RFI已经成为可能. | 安涛 陈骁 MOHAN Prashanth 劳保强 | 2017 | 天文学报2017，58，5： | 9 |
| 3 | uv-faceting成像并行算法研究显示文摘uv-faceting成像是目前广泛使用的大视场成像技术之一,将被考虑应用于平方公里阵列(Square Kilometre Array, SKA)第1阶段(简称SKA1)低频阵列的数据处理当中.由于SKA1产生的原始数据规模空前巨大,直接使用uv-faceting成像进行数据处理效率将会非常低.为此,提出了基于MPI (Message Passing Interface)+OpenMP (Open MultiProcessing)的uv-faceting成像算法和基于MPI+CUDA (Compute Uni?ed Device Architecture)的uv-facteing成像算法,对该算法中最耗时的数据读取和栅格化(gridding)这两个步骤进行并行优化.验证性结果显示提出的两种算法得到的结果与当前主流的数据处理软件(Common Astronomy Software Applications, CASA)得到的结果基本相同,表明提出的两种算法基本正确.对准确率和总运行时间的分析表明,无论在正确率还是运行速度上MPI+CUDA的方法比MPI+OpenMP的方法更优.性能测试结果表明提出的算法有效且具有一定的可拓展性. | 劳保强 安涛 于昂 郭绍光 | 2019 | 天文学报2019，60，2： | 2 |
| 4 | 混合w-facets成像并行算法研究显示文摘大视场成像是低频射电干涉阵列数据处理的核心技术,也是实现未来平方公里阵射电望远镜(square kilometre array, SKA)宏伟科学目标的基础手段。为了改善uv-faceting和w-projection这两种大视场成像算法,研究了它们之间的混合算法(称为w-facets);此外,为了加速该混合算法,提出基于多核CPU和GPU的并行算法。验证性实验表明,与uv-faceting算法相比,该混合算法每束光能降低4 mJy噪声水平,图像的动态范围最高提升2.34 dB;并且,在图像质量最好时,与目前在澳大利亚默奇森宽视场阵列(Murchison widefield array, MWA)项目数据处理中广泛使用的w-stacking算法的结果基本一致。性能测试结果表明,基于多核CPU的并行算法在一定线程数范围内,具有良好的可拓展性,当分面数与线程数相等时,加速效果最佳;基于GPU的并行算法加速比高达201.8倍,是多核CPU的并行方法最佳结果的8.9倍左右。这些研究成果能够为即将开展的大视场成像相关科学任务,提供有力的技术支撑和参考价值。 | 于昂 劳保强 王俊义 安涛 | 2020 | 天文学进展2020，38，4： | 2 |
| 5 | 基于图像的天体搜索研究与自动化集成软件开发显示文摘天体搜索是天文数据处理流程的一个重要环节,也是以平方公里阵列射电望远镜(Square Kilometre Array,SKA)为代表的下一代射电望远镜在面向海量数据处理中的挑战之一.现今天体自动搜索算法、软件已日趋成熟并投入应用,不过在自动化、兼容性等方面仍具有提升空间.以更自动化、更适应海量数据需求的天体搜索算法研究为宗旨,以现有算法为研究基础,天体自动搜索软件系统得到设计和开发.该系统包含友好的交互式用户操作界面,具备可视化输出数据显示、兼容不同数据输入和输出并包含为实际应用服务的文件管理功能.该系统对于大天区图以及图像集,均能够很好地进行自动化处理.测试结果显示,上述方法对于天体搜索的改进有一定成效.后续将在此基础上对该集成系统做进一步的改进开发,以适应更多的需求. | 陆扬 安涛 郭绍光 劳保强 | 2019 | 天文学报2019，60，6： | 2 |
| 6 | 基于分布式执行框架的低频射电干涉阵列成像管线优化显示文摘平方公里阵列(Square Kilometre Array,SKA)项目是建设全球最大射电望远镜的国际合作项目,其灵敏度和测量速度将比当前所有的射电望远镜都要高出一个数量级.连续谱巡天是SKA的主要观测模式之一,基于连续谱成像建立巡天区域的标准星图,将能为后续天文科学研究奠定重要基础.银河系与河外星系全天默奇森宽场阵列拓展巡天(GaLactic and Extragalactic All-sky Murchison Widefield Array survey eXtended,GLEAM-X)是2018--2020年利用SKA先导望远镜默奇森宽场阵列(Murchison Wide-field Array,MWA)二期拓展阵列开展的新的射电连续谱巡天项目,观测期间积累了大量的低频巡天观测数据.海量观测数据的自动化、大批量处理是SKA望远镜项目所面临的的最大挑战和难题之一,基于分布式执行框架的成像管线优化经验将有助于解决海量数据处理问题.详细介绍了GLEAM-X成像管线并对其进行整合和改进,在中国SKA区域中心原型机(China SKA Regional Centre Prototype,CSRC-P)上实现了多条管线并行处理,使用GLEAM-X观测数据验证成像管线系统的部署和测试其正确性.随后为了优化管线提高处理效率,使用数据激活流图形引擎(Data Activated Liu Graph Engine,DALiuGE),将成像管线集成入DALiuGE执行框架中实现了管线的自动化分布式并行处理.通过性能测试与结果分析表明,基于DALiuGE执行框架进行优化的成像管线相较于传统的并行方式具有更好的性能优势、更灵活的适配性和可扩展性,可支持未来SKA第一阶段试运行期间的大规模连续谱成像实验. | 韦耀杰 符杰林 劳保强 | 2023 | 天文学报2023，64，6： | 0 |
| 7 | 改进的射电干涉成像凸优化算法显示文摘针对射电干涉成像中产生的凸优化任务,提出了一种改进的射电干涉成像凸优化算法。基于ADMM算法高度可并行化的结构,依靠前后向迭代解的相关性,在每次迭代算法正向(梯度)步骤中提出一种新的有效加权方案以提高每次重构的精确性。该设计对后向步骤复原结果引入二次加权更新。更新方程取决于前两个复原结果估计,而非是当前值。改进后的算法不仅可以保持与ADMM相同的并行实现结构和相同的计算负担,而且可以实现更好的噪声图像重建。实验仿真表明,改进的方法在信噪比和视觉质量均优于先进的成像方法。 | 温珊 王俊义 劳保强 | 2019 | 桂林电子科技大学学报2019，39，1： | 0 |
| 8 | SKA低频成像管线并行优化显示文摘平方公里阵列(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. | 韦建文 张晨飞 劳保强 林新华 安涛 | 2023 | 中国科学:物理学、力学、天文学2023，53，2： | 5 |
| 9 | 基于卷积核网格化二维近程微波全息显示文摘引入一种二维近程微波全息成像算法,该方法采集的散射数据不仅包括后向散还包括前向散射,对目标的入射场不做任何假设,完全由测量或仿真获得,具有较强抗噪声性能,成像分辨率较高,较适于近程成像。为了探讨算法在实际应用中的影响因素,利用FEKO软件模拟目标散射场和入射场,验证了该算法能够获得高质量目标图像,比较和分析了不同扫描频率、扫描间隔以及天线位置的成像效果,为实际应用提供参考依据。针对该算法中外部干扰源等引起的混叠效应,提出利用卷积核网格化方法处理采集的散射数据来纠正网格。给出几种典型的卷积核函数,比较分析了它们的抗混叠性能,得出球谐函数是一种较优的卷积核函数,抗混叠较强。 | 劳保强 王俊义 王锦清 符杰林 仇洪冰 | 2014 | 微波学报2014，30，5： | 4 |
| 10 | 低频射电望远镜阵列宽视场成像技术研究显示文摘低频射电望远镜阵列宽视场成像正面临着一系列难点问题,其中最关键的问题是非共面基线效应.它的存在使得忽略w项将导致最终图像出现畸变,且随着视场的增大而加重.综述并剖析了几种w项改正算法及其技术原理,并分析了它们的计算成本和计算复杂度,进而分析比较了它们的优缺点.以平方公里阵(Square Kilometre Array,SKA)射电望远镜第1阶段低频阵列为研究对象,选取faceting和w-projection成像算法进行了仿真实验.与传统的二维傅立叶变换成像算法进行对比,分析了它们的成像质量和正确性,结果表明这两种算法在宽视场成像方面均明显优于二维傅立叶变换方法.还具体分析了分面(facet)的数目对faceting成像质量和运行时间的影响,以及w步数对w-projection成像质量和运行时间的影响,表明facet数目和w步数的选择必须合理.最后,分析了数据量大小对这两种成像算法运行时间的影响,表明这两种算法在进行海量数据处理前,需要作算法优化改进.研究结果为后续进一步综合分析宽视场成像技术以及这些技术的实用性研究提供了有价值的参考. | 劳保强 安涛 陈骁 伍筱聪 陆扬 | 2017 | 天文学报2017，58，5： | 4 |
| 11 | 一个面向原始数据搜寻的快速射电暴数据集显示文摘快速射电暴是目前国际天文学新兴前沿热点,随着海量观测数据带来的处理和分析的挑战,亟需开展快速射电暴信号智能搜寻和甄别的研究.为了加速快速射电暴搜寻研究,开发了一套基于机器学习的快速射电暴数据集,它可以训练机器学习算法以搜寻原始数据中的快速射电暴.目前数据集有8020个快速射电暴、4010个背景噪声和4010个射频干扰仿真图像,这些图像是根据开放的快速射电暴观测结果构建的,并可根据需要扩展数量.本研究旨在为最先进的人工智能算法提供开源数据集,以测试和比较快速射电暴识别算法.该数据集为卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)和经典机器学习算法提供图像和numpy格式的文件.数据集可以实现快速射电暴和非快速射电暴分类,或快速射电暴、射频干扰和背景噪声分类.在本例中,使用有预训练模型的31种经典CNN算法.在快速射电暴/非快速射电暴分类中,第一个历元训练中达到90%以上的准确率,在真实数据测试中达到99.8%的最大准确率. | 徐志骏 安涛 郭绍光 劳保强 吕唯佳 伍筱聪 | 2023 | 中国科学:物理学、力学、天文学2023，53，2： | 3 |
| 12 | 基于深层残差网络的脉冲星候选体分类方法研究显示文摘随着下一代射电天文望远镜的不断改进和发展,脉冲星巡天观测将发现数百万个脉冲星候选体,这给脉冲星的识别和新脉冲星的发现带来了巨大挑战,迅速发展的人工智能技术可用于脉冲星识别.使用Parkes望远镜的脉冲星数据集(The High Time Resolution Universe Survey,HTRUS),设计了一个14层深的残差网络(Residual Network,ResNet)进行脉冲星候选体分类.在HTRUS数据样本中,存在非脉冲星候选体(负样本)的数目远远大于脉冲星候选体(正样本)数目的样本非均衡问题,容易产生模型误判.通过使用过采样技术对训练集中的正样本进行数据增强,并调整正负样本的比例,解决了正负样本非均衡问题.训练过程中,使用5折交叉验证来调节超参数,最终构建出模型.测试结果表明,该模型能够取得较高的精确度(Precision)和召回率(Recall),分别为98%和100%,F1分数(F1-score)能够达到99%,每个样本检测完成只需要7 ms,为未来脉冲星大数据分析提供了一个可行的办法. | 刘晓飞 劳保强 安涛 徐志骏 张仲莉 | 2021 | 天文学报2021，62，2： | 3 |
| 13 | lbb-用于射电天文VLBI基带数据读写的库显示文摘Library for Baseband (lbb)是一个自研的用于读取解析甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)基带数据的工具库,主要用于VLBI观测中对终端基带数据的读取、解析及输出结果分析.该软件库通过对基带数据的自动判断,自动实现读取不同数据格式的功能,并提供了各种各样的API (Application Programming Interface)功能供用户调用.目前lbb软件库已经成功应用在了探月工程VLBI测轨任务中的硬件相关处理机配置项和测地VLBI观测数据的预处理.文章详细介绍了lbb软件库的设计、功能及用法. | 郭绍光 李纪云 朱人杰 劳保强 陆扬 杨颖 | 2020 | 天文学报2020，61，3： | 3 |
| 14 | 二维近程微波全息成像算法显示文摘二维近程微波全息成像技术已被考虑应用于人体安检、医疗成像、隐匿武器检测等,该技术采集前、后向散射数据,入射场完全由测量或模拟直接获得,成像质量和分辨率相比近程毫米波全息成像技术有一定提高。但该技术现阶段还没有成像系统,仍处于起步阶段。对于该技术的算法实现,给出了一套利用任意复杂电磁计算(feldberechnung bei korpern mit beliebiger oberflache,FEKO)软件模拟目标散射波和入射场,并对获取数据进行网格化方法处理,最终将处理后数据重构目标图像的实现方案。在此基础上,证明了真实的入射场和前向散射数据对成像效果影响显著,同时分析了不同扫描孔径、天线位置、复杂物体的成像效果,并给出相应结论,为实际应用提供参考数据。 | 王俊义 劳保强 王锦清 符杰林 仇洪冰 | 2014 | 系统工程与电子技术2014，36，12： | 3 |
| 15 | SKA数据中心云平台方案的概念性研究显示文摘针对平方公里阵列(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。 | 王玲玲 劳保强 陆扬 伍筱聪 郭绍光 | 2016 | 大数据2016，2，6： | 0 |
| 16 | 基于SKA1-low的数字波束形成技术显示文摘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。 | 劳保强 安涛 郭绍光 魏延恒 陆扬 伍筱聪 | 2016 | 电讯技术2016，56，9： | 0 |
| 17 | SKA大数据的科学应用和挑战显示文摘即将开建的平方公里阵列(SKA)射电望远镜是最大的天文观测装置,有望在宇宙起源、生命起源、宇宙磁场起源、引力本质、地外文明等自然科学重大前沿问题上取得革命性的突破。SKA的超级灵敏度、超大视场、超快巡天速度和超高时间、空间、频率分辨率等技术特点确保了SKA在观测能力上的领先地位,由此也产生了海量观测数据。SKA的数据运输、存储、读写、运算、管理、归档、发布对信息和计算机领域的前沿技术均提出了严峻的考验。中国SKA科学团队将协同信息产业界一道应对SKA大数据的挑战,不仅推动产生重大原创性科学发现,其技术成果也将应用于国民经济建设。 | 安涛 武向平 洪晓瑜 叶叔华 毛羽丰 郭绍光 劳保强 | 2018 | 中国科学院院刊2018，33，8： | 8 |
| 18 | 中国SKA区域中心原型系统——软件平台显示文摘平方公里阵列(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. | 劳保强 张迎康 安涛 徐志骏 郭绍光 伍筱聪 吕唯佳 | 2023 | 中国科学:物理学、力学、天文学2023，53，2： | 5 |
| 19 | 中国SKA区域中心跨洲际高速数据传输进展及展望显示文摘平方公里阵列(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. | 郭绍光 安涛 徐志骏 劳保强 陈肖 陆扬 吕唯佳 伍筱聪 | 2023 | 中国科学:物理学、力学、天文学2023，53，2： | 4 |
| 20 | 天文光变周期提取算法综述显示文摘随着大量巡天项目的开展和完成,天文领域积累了大量的光变数据。这些数据中蕴含了许多有重要价值的物理参数,如光变周期,它对研究光变的物理机制、爆发预测和天体质量估算等有很大的帮助。但受到天体自身动力学过程、观测条件和仪器状态等客观因素的影响,光变数据往往是非均匀采样的,并且都不同程度地受到噪声的影响。因此,非常有必要研究基于非均匀采样信号的光变周期提取算法。综述了基于频域、时域和时-频域分析的三大类光变周期提取算法,主要包括Lomb-Scargle周期图法、Jurkevich算法和加权小波Z变换算法等,着重分析和比较了这些算法的性能,同时分析了它们的优缺点,最后总结与展望了光变周期算法。 | 安涛 王俊义 陆相龙 劳保强 魏延恒 董典桥 陆扬 伍筱聪 | 2016 | 天文学进展2016，34，1： | 4 |
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