Создание решения для типовых задач, которые значительно ускоряют вычисления при анализе астрономических данных - Дипломная работа

Радиотелескоп БСА ФИАН - это антенная решетка (Рисунок 1), состоящая из 16384 вибраторов, расположенных на площади 384?187 м (геометрическая площадь более 70 тыс. кв. м, эффективная - около 45 тыс.). - ежесуточно наблюдалось около 2 стерадианов в полосах склонений общей шириной 25 градусов (48 лучей антенны), а с апреля 2013 г. ежесуточно покрывается уже 5.08 стерадиана или 0.40 поверхности всей сферы в полосе склонений 50 градусов (96 лучей антенны). С июня 2014 г. ведутся наблюдения одновременно уже в 2-х модах: стандартной (постоянная времени ? = 100 мс, в 6 полосах по 415 КГЦ одна общая 2,5 МГЦ) и быстрой (? = 12,5 мс, 32 полосы по 78 КГЦ одна общая 2,5 МГЦ). Научные задачи, решаемые при помощи анализа этих данных: ? Мониторинг любых объектов на небе - на масштабах от миллисекунд до лет и на удалении от сотен километров (мониторинг состояния ионосферы и фиксация пролетов наиболее крупных спутников Земли) до миллиардов световых лет (квазары и радиогалактики) Даже краткий список научных задач, решаемых при помощи анализа этих данных включает и мониторинг состояния ионосферы Земли, и мониторинг вспышечных явлений на Солнце, поведения околосолнечной плазмы, мониторинг транзиентных (вспышечных) явлений в Солнечной системе, исследования галактических и внегалактических транзиентных явлений, поиск возможных радиоисточников, сопровождающих гравитационно-волновые события обнаруженные в экспериментах LIGO и Virgo, поиск и мониторинг пульсаров, исследование слабых полей радио рекомбинационных линий, порождаемых холодными молекулярными облаками нашей Галактики и т.д.Непрерывные наблюдения во всех спектральных диапазонах всего неба с высоким временным разрешением все время и последующая массовая обработка поступающих данных является генеральной целью наблюдательной астрофизики, к достижению которой она идет уже много десятилетий. Astronet.ru и Рисунок 1.1): оптическом - в диапазоне длин волн ? от 0,3 мкм (3000 ?) до 1,5-2 мкм (область до 8 мкм в инфракрасном диапазоне состоит из ряда узких полос пропускания) и в радиодиапазоне - для волн длиной от 1 мм до 15-30 м. Данный проект разработан университетом ASTRON в Гронингене (Нидерланды), и служит для исследования низкочастотного радиоизлучения (от 10 до 250 МГЦ) в поисках первых звезд и галактик, потенциальных сигналов внеземного разума, а также изучения черных дыр и пульсаров, LOFAR представляет собой радиотелескоп с центром в Нидерландах и с удаленными станциями в Германии, Швеции, Франции и Великобритании, соединенных вместе при помощи оптоволоконных линий связи. Представляют из себя быстро вращающиеся (с периодом от нескольких мс до нескольких секунд) нейтронные звезды массой от 1.3 до 3 масс Солнца, испускающие мощное радио-, гамма-(реже) и оптическое (совсем редко) излучение вдоль конуса оси вращения-магнитная ось. Пульсары послужили первой очевидной целью при обработке данных БСА, и открытие десятков новых пульсаров при ежесуточном сканировании значительной части неба данной сверхвысокочувствительной антенной уже стало вполне посильной задачей (Тюльбашев и др., 2016; Родин и др, 2017; Samodurov et al, 2017; Тюльбашев и др., 2018).Радиотелескоп БСА ФИАН (большая синфазная антенна ФИАН) - это антенная решетка, состоящая из 16384 вибраторов, расположенных на площади 384x187 м (геометрическая площадь более 70 тыс. кв. м, эффективная - около 30 тыс.). Это позволяет снимать на нем, помимо дискретных радиоисточников, фоновое излучение нашей Галактики и протяженные, порядка градусов радиоисточники, на что обычно неспособны другие радиотелескопы. Радиотелескоп БСА является инструментом меридианного типа: его лучи неподвижно располагаются на небе вдоль меридиана по линии Юг-Север. Соответственно, ввиду суточного вращения Земли с периодом через сутки повторяется наблюдение любой точки неба внутри склонений от-8?<?< 42?, т.е. любая точка на этих склонениях наблюдается не реже, чем раз в сутки. Поскольку наблюдения любого участка неба внутри указанной полосы склонений ежедневно повторяются, данные служат прекрасной основой для повседневного отслеживания изменений потоков тысяч радиоисточников различной природы на небе, попадающих в указанную полосу склонений.Существует две стойки аппаратуры с цифровыми приемниками Каждый файл с данными имеет расширение «.pnt» (грубая мода) либо «.pnthr» (тонкая мода) и называется датой, в которую производилась запись, и дополнительным идентификатором, так как файлов в один день записывается много. ? source - название источника, заполняется наблюдателем (обычно пустое поле); ? alpha - координата источника по прямому восхождению, заполняется наблюдателем (обычно пустое поле); ? delta - координата источника по склонению, заполняется наблюдателем (обычно пустое поле); всего 27 параметров) пока только для стандартной моды наблюдений (постоянная времени 0.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА НАУЧНЫХ ЗАДАЧ, ТЕОРИЯ

ГЛАВА 2. ИСПОЛЬЗУЕМАЯ АППАРАТУРА, ФОРМАТ ДАННЫХ

§1 Радиотелескоп БСА ФИАН

§2 Формат данных, хранение, обработка, вывод

ГЛАВА 3. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ОСНОВНЫХ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ

§1 Постановка задачи

§2 Выбор технологии

§3 Особенности работы с графическими ускорителями

§4 Разработка архитектуры проекта

§5 Реализация алгоритмов Фурье

§6 Реализация алгоритмов агрегирующей статистики данных

§7 Анализ производительности

§8 Подведение итогов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение 1. Исходный код ядер (kernels.cl)

Приложение 2. Чтение данных из файла (open_science_data.h)

Приложение 3. Управление контекстом OPENCL (ocl_Astronomy.h