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。
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