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ソフトウェア分光計PolariSの開発
V121b
亀野 誠二, 水野 いづみ, 黒尾 信, 加納 周 (鹿児島大学)
中村 文隆, 川口 則幸, 萩原 喜昭, 廣田 朋也, 久慈 清助, 柴田 克典, 久野 成夫, 川邊 良平, 高野 秀路, 伊王野 大介 (国立天文台)
鹿児島大学で開発したソフトウェア分光計VESPA (VEra SPectrum Analyzer) は16 MHz帯域/262144点のリアルタイム分光に成功した。VESPAの技術を基盤に、国立天文台共同開発研究経費によって、
受信電波の偏波成分（ストークスパラメータ）毎にスペクトルを計測するソフトウェア偏波分光計PolariSの開発に着手した。PolariSの主目的は、CCS分子輝線のゼーマン効果を用いて分子雲コアの
要約
磁場を100 µGの精度で計測する (中村文隆, P143a) ことである。予想されるゼーマンシフトは60 Hz程度で、VESPAで達成した高分散分光性能が要求され、これに偏波検出機能を拡張して実現する。
PolariSは、A/D変換器 (K5/VSSP32), 分光サーバ (汎用ワークステーション), 及び分光エンジン (Tesla C2075 GPU) で構成される。最大32 MHz帯域幅, 最大4 IF入力, 最大8bit量子化の入力 (最大ビット
レートは256 Mbps以下) に対応する。A/D変換器でデジタル化した直線偏波受信信号h(t), v(t)をUSB 2.0で分光サーバに取り入れ、GPU分光エンジンでリアルタイムにFFT (高速フーリエ変換) してスペ
クトル H(ν), V(ν)に変換し、クロスパワースペクトル<HH*>, <HV*>, <VH*>, <VV*>を得る。これらのクロスパワースペクトルからストークスパラメーターを算出する。PolariSは、(1)汎用計算機を使用
し安価で代替も容易、(2)ソフトウェア分光エンジンは柔軟な周波数分解能設定に対応、(3)直線/円偏波変換が可能、(4)VLBI用のA/D変換器は原子時計を参照し周波数安定度が高い、という特長を持
つ。PolariSはNRO 45m鏡向けに開発中の45 GHz帯両偏波受信機 (徳田一起, V108b) と組んで偏波を観測する。また既設VESPAをPolariSにアップグレードすれば、VERAの偏波較正/観測に役立つ。
目的
CCS分子輝線 JN=43-32でZeeman効果を検出し磁場強度を計る
CCS分子輝線プロファイルのシミュレーション
• 100-μG 程度の磁場強度を検出（分子雲コアで予想される磁場強度）
• Zeemanシフト ~ 60 Hz
Stokes I (total power)
•非常に高い周波数分解能（ ≦ 60 Hz)
成分
Stokes V (Zeeman shift)
Nakamura Profile
1.5
0.004
0.002
Ta [K]
• シンクロトロン放射 (AGN ジェット)
−5e+04
0e+00
5e+04
1e+05
−1e+05
−5e+04
0e+00
赤!
: Polaris (61-Hz resolution)
•高感度
•高精度
Stokes V ~ 5 mK
pl
at
e
PANDA
日通機7641D
O/E
id
e
OMT
OMT
sl
既存
解析系へ
SAM45
日通機
500 - 1000
MHz
→ 64 - 96 MHz
1beamのみ
absorber or ND
or SG+transducer
32 Msps
4-bit量子化
BNC
偏波分光計
•振幅較正
•給電部
•A/D変換器
• 直線両偏波受信 (H, V)
•LNA : 40 - 46 GHz帯
•LO+mixer
•ビット分布によるパワー計測
•相関対 <HH*>, <VV*>, <HV*>, <VH*>
•直線→円偏波変換機能
•原子時計に準拠
•IF : 4 - 12 GHz帯
•回転台
• 信号入力
偏波較正方法
t3
n = (fs seg len 1)/seg int + 2
leap len = seg len + n · seg int fs
overlap factor = seg len/seg int
S1
leap_len
…
tn-1
look-up table
float weight[q]
Stream 0
Memory on GPU
W2
…
Wn-1
FFT
F0
F1
F2
…
Fn-1
Stream 0
Stream 0
CPU (Xeon)
• S部 (CPU + システムメモリ)
10 GbE
(ADS3000+…10GbE VDIF)
OCTAVIA
FFT
h(t)
H(⌫)
v(t)
V (⌫)
出力（スペクトル）
0
⇤
1
HH
B HV ⇤ C
B ⇤ C
@ H V A
VV⇤
ψm : parallactic angle + feed position angle
seg_len
t2
• OS
(Tesla C2075)
K5/VSSP32
Sn-1
Stream 1
GPU
(ADS1000…VSI I/F)
•VLBI広帯域システムに対等
Sn-2
W1
-5.0
64 - 96 MHz
…
W0
5.2
出力とStokes parametersとの関係
S2
seg_int
weighting
PolariS
(61 Hz)
tfs-1
…
seg_len
S0
t1
-4.9
•現VERA systemに対応
入力（時系列）
Memory on CPU
fs samples per sec
fs
t2
USB
256 Mbps
10 GbE
VDIF
PolariS S- and F-part data stream
t0
4.8
鹿児島大学でセットアップ中のPolariSシステム
S部 - F部のインターフェイス
• Tesla C2075 GPU
• CUDA4.0 CuFFT
SAM45
(3.8 kHz)
K5/VSSP32
A/D変換器
•PolariS
• FFTエンジン
V max [mK] V min [mK]
PolariS本体
• 4 IF入力 (64 - 96 MHz)
• 原子時計準拠のサンプリングクロック
segmentation
-0.21
解析系へ
H-maser
受信機 (大阪府立大担当）
t1
0.5
USB
較正系
t0
4
日通機 7638
新規
PolariS
ref 10 MHz
buffer
-0.14
ADS3000+
K5VSSP3
2
7638
H24は
• Linux (Ubuntu 12.04)
PolariS
未定
page
1.2
500 - 1000 MHz
10GbE
• USB for K5/VSSP32 (16-MHz帯域/高分散)
• 10 GbE for Octavia (4 Gbps広帯域)
• PCI-X for ADS-1000 (VERA)
3
PolariS on the VLBI backend
System block diagram
PolariS内部構成
1e+05
偏波計測が必要
E/O
•偏波角
5e+04
Frequency [Hz]
: SAM45 (3.8-kHz resolution)
IF 5-7 GHz
•無偏波信号 (MMC)
•直線偏波信号 (SG)
0.0
分光計
Frequency [Hz]
黒!
システム構成と主要諸元
•較正信号
1.5
仮定：各成分のFWHM = 0.12 km/s
−0.004
−1e+05
VLBI用に直線→円偏波変換
•MMC (absorber or ND)
2
−0.002
0.5
•整列ダストからの選択放射
0.14
0.0
• I, Q, U, V full Stokes
• 広帯域 (~ 4 Gbps) に対応
0.8
0.000
1.0
Ta [K]
直線偏波観測
•メーザー輝線
1
Nakamura Profile
• 偏波成分 (Stokes V) の計測
その他の目的
中心速度 [km/s]
Peak Ta
[K]
0
1
0
I
1
B Q C 1 B cos 2
B
C= B
@ U A 2 @ sin 2
V
0
m
m
0
sin 2 m
cos 2 m
i
0
sin 2 m
cos 2 m
i
1
cos 2
sin 2
0
m
m
10
⇤
1
HH
C B HV ⇤ C
CB ⇤ C
A@ H V A
VV⇤
パワースペクトルとクロススペクトルからStokes parametersを算出
• セグメント化 / ストリーム分離
•4bitデータ
• F部 (GPU + グラフィックメモリ)
• 4 byte浮動小数点 (Look-Up Table)
• FFT + 相関対
VSI I/F
Stokes Vの計測には直線偏波受信が有利 (HH*, VV*が入らない)
USB
スケジュール
コスト
ソフトウェアリポジトリ
• システム設計… 済 (2012/5月)
• PolariS ハードウェア
• サーバー本体 ~ 70万円
• サーバー : 納品済 (2012/7月)
• A/D変換器 ~ 53万円
• A/D : 納品済 (2012/8月)
• マンパワー ~ 3名 x 3ヶ月
http://milkyway.sci.kagoshima-u.ac.jp/groups/vcon_lib/
• ソフトウェア開発 : 2012/9月
• 試験
• 単体試験: 2012/10月
• 分光/偏波試験 : 2012/11月@VERA入来
• 総合試験：2012/12 - 2013 1月@NRO
謝辞
PolariSは、国立天文台共同開発研究経費に基づき、国立天文台水沢VLBI観測所および
野辺山宇宙電波観測所との共同研究のもとに開発しています。