PWE/HFAによるプラズマ圏電子密度観測

第5回ERGサイエンス会議
2014/3/25
PWE/HFAによるプラズマ圏電子密度観測
熊本篤志（東北大）
- Determination of electron
number density by UHR for
identification of plasmapause
and providing fp to S-WPIA
(Minimum)
Frequency [kHz]
Purpose of
ERG/PWE/HFA
UHR
Example of Akebono Wave Data
- Observation of B component
of chorus in a frequency range
up to 100kHz (Minimum)
UHR
- Observation of radio and
plasma waves excited via
wave-particle interactions and
mode conversion processes
in the storm-time
magnetosphere (Extra)
Example of Van Allen Probes Wave Data
Block Diagram of ERG/PWE/HFA
RAM
128kx32bit
WPT-S
Dipole
Antenna
WPT-Pre
30nV/Hz0.5
Ey
WPT-S
Dipole
Antenna
WPT-Pre
30nV/Hz0.5
Bz
SC-S
Search
Coil
Sc-Pre
10mV/Hz0.5
Ex
EWO
Buffer
Amp.
RF
Trans.
50Ω
EWO
Buffer
Amp.
RF
Trans.
50Ω
Diff.
Amp.
10kΩ
ATT
0/10dB
RF
Signal
SW
ATT
0/10dB
HPF
LPF
Active/4th Passive/8th
>10kHz,6dB
<10MHz
Buffer
Amp.
0dB
A/D
2Vpp,14bit
25MSPS
HPF
LPF
Active/4th Passive/8th
>10kHz,6dB
<10MHz
Buffer
Amp.
0dB
A/D
2Vpp,14bit
25MSPS
HFA-Analog
FPGA
FIR
FFT
<10/1 4096pts
MHz 25MSPS
CAL-gen
Buffer
Amp.
0dB
HFA-Analog
Ex, Ey, Bzの電磁場３成分から，２成分を選択
→10kHz<f<10MHzに帯域制限（※周波数変換はしてない）
→25MSPSで波形データをサンプル
HFA-Digital
(a) 10MHzモードと(b) 1MHzモードを交互に切り替えて行われる。
10MHzモード：25MSPSの波形データを2048点FFT
→周波数分解能12kHzのスペクトル
1MHzモード：25MSPの波形データをFIR Filter・デシメーションを経て
2.5MSPSの波形データに変換して2048点FFT
→周波数分解能1.2kHzのスペクトル
Average
0.0625/1/8
spectra/sec
SpW
I/F
2/32/256
kbyte/s
HFA-Digital
ERG
PWE
CPU
I/F試験@RISH,ISAS
2013.6.17-18
2013.7.8-9
2013.9.11-12
2013.10.15
2013.10.17
2013.12.5
2313.12.24
WPT-EWO1-HFA(BBM2)
WPT-EWO1-HFA(BBM2)再
WPT-EWO2-HFA(BBM2)
MSC-HFA
HFA電気IF試験（ミッション部-CPU-HFA(BBM2)
WPT-EWO1-HFA(EM)-CPU
PWE(all)-HFA(EM)
→環境試験
HFA(BBM2)
EWO1
HFA(BBM2)
2013.6.17試験時の様子
2013.10.17試験時の様子
Telemetry Production Plan
HFA
FPGA
Raw data from Hardware
CPU
#8
MDP
Table: Summary of raw data production from PWE
Receiver
EWOEFD
Data
DPB
[Sweep]
SPB
EWO-OFA/WFC(E)
Nominal
[for SWPIA]
EWO-OFA/WFC(B)
Nominal
HFA
total (bps)
512Hz x 16bit x 2ch
(sync)
[1024Hz x 16bit x 2ch x 0.5/4sec] (sync)
128Hz x 16bit x 4ch
(non-sync)
65.536kHz x 14(16)bit x 2ch
16.4k
8.2k
2097.1k
[262.144kHz x 14(16)bit x 2ch x 0.25]
65.536Hz x 14(16)bit x 3ch
[LF mode]
[16.384Hz x 14(16)bit x 3ch]
3145.7k
or
[786.4k]
Spectrum
2Hz x 32bit x 4ch x 1024pts
262k
Waveform
2Hz x 16bit x 2ch x 4096pts
262k
5
Telemetry Production Plan
HFA
FPGA
Minimum (123MB/day)
CPU
#8
MDP
Table: Telemetry production plan (Minimum case)
Receiver
Data
EWO-EFD
total (bps)
DPB
spectrum(30Hz-80Hz) 1Hz x
waveform
64Hz x
SPB
waveform
8Hz x
8bit x 50point x 2ch
16bit x
2ch
8bit x
4ch
800
2048
256
EWO-OFA/WFC(E)
spectrum(10Hz-20k) 2Hz x
8bit x 66point x 1ch
waveform (ELF)
1024Hz x 14(16)bit x 2ch / ~128
waveform (VLF)
65536Hz x 14(16)bit x 2ch / ~3600
1056
256
583
EWO-OFA/WFC(B)
spectrum(10Hz-20k)
waveform (ELF)
waveform (VLF)
2Hz x
8bit x 66point x 1ch
1024Hz x 14(16)bit x 3ch / ~128
65536Hz x 14(16)bit x 3ch / ~3600
1056
384
874
S-Matrix (E & B)
S-Matrix
0.5Hz x 8bit x 66point x14component
3696
Ex2
0.125Hz x 8bit x 480point (10k-10M) x 2ch (<E1E1*>,<E2E2*>)
(fc<10kHz)
960
(Ex2, Ex4 or
Ex
0.0625Hz x 8bit x 480point (10k-10M) x 4ch
E/B)
(fc<10kHz)
(<E1E1*>,<E2E2*>, Re<E1E2*>, Im<E1E2*>)
960
E/B
0.125Hz x 8bit x 480point (10k-10M) x 1ch (<EE*>)
(fc>10kHz) 0.125Hz x 8bit x 160point (10k-100k) x 3ch
(<BB*>,Re<EB*>,Im<EB*>)
480
480
HFA
定常 (1回/1pin)
Telemetry Production Plan
HFA
FPGA
Maximum (419MB/day)
CPU
#8
MDP
Table: Telemetry production plan (Maximum case)
Receiver
Data
EWO-EFD
Total (bps)
DPB
spectrum(30Hz-80Hz) 1Hz x
waveform
64Hz x
SPB
waveform
8Hz x
8bit x 50point x 2ch
16bit x
2ch
8bit x
4ch
EWO-OFA/WFC(E)
spectrum(10Hz-20k) 2Hz x
8bit x 66point x 1ch
waveform (ELF)
1024Hz x 14(16)bit x 2ch / ~64
waveform (VLF)
65536Hz x 14(16)bit x 2ch / ~230
EWO-OFA/WFC(B)
spectrum(10Hz-20k)
waveform (ELF)
waveform (VLF)
S-Matrix (E & B)
S-Matrix
800
2048
256
1056
512
9118
2Hz x
8bit x 66point x 1ch
1024Hz x 14(16)bit x 3ch / ~64
65536Hz x 14(16)bit x 3ch / ~230
1056
768
13677
0.5Hz x 8bit x 66point x14component
3696
HFA
Ex2
1.0Hz x 8bit x 480point (10k-10M) x 2ch (<E1E1*>,<E2E2*>)
(fc<10kHz)
7680
(Ex2, Ex4
or E/B)
Ex4
0.5Hz x 8bit x 480point (10k-10M) x 4ch
(fc<10kHz)
(<E1E1*>,<E2E2*>, Re<E1E2*>, Im<E1E2*>)
7680
E/B
1.0Hz x 8bit x 480point (10k-10M) x 1ch (<EE*>)
(fc>10kHz) 1.0Hz x 8bit x 160point (10k-100k) x 3ch
(<BB*>,Re<EB*>,Im<EB*>)
3840
3840
Plasmapause (L~4) 前後
Frequency Table / Frequency Resolution
<1MHz-Mode (BW=1.221kHz)
80
10kHz
<10MHz-Mode (BW=12.21kHz)
50 100 200 400
1MHz
100kHz
100kHz
1
Band-0
2
100kHz
3
4
5
6
7
1MHz
10MHz
1MHz
※複数ステップの電力を加算
但し既知のノイズ周波数を予め
設定できるようにしておき，加算
から除外する．
50 50 50 50 50 50 50 50
80
10kHz
50 100 200 400
8
10MHz
Band (CPU)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Step (CPU)
80
50
50
50
50
50
50
50
50
Band (HFA)
<1M
<1M
<1M
<1M
<1M
<10M
<10M
<10M
<10M
Step (HFA)
2
-81
82
-131
132
-231
232
-431
432
-831
82
-131
132
-231
232
-431
432
-831
Freq. [MHz]
0.00240.1001
0.10010.1611
0.1611
-0.2832
0.2832
-0.5273
0.5273
-1.0156
1.001
-1.611
1.611
-2.832
2.832
-5.276
5.276
-10.217
BW[kHz]
1.221
1.221
2.441
4.883
9.766
12.21
24.41
48.83
97.66
dN/N[%]
24-2.4
2.4-1.5
3.0-1.7
3.4-1.9
3.7-1.9
2.4-1.5
3.0-1.7
3.4-1.9
3.7-1.9
周波数分解能：
Band-0 (<1MHz): 2.5MHz/2048=1.221kHz
Band-1 (<10MHz mode: 25MHz/2048=12.21kHz
dfUHR df p 1 dN


密度分解能：
fUHR
fp 2 N
CPUにおけるデータ処理
電子数密度機上決定
CPUで行う処理
・Shared Dataからの磁場データの取込・サイクロトロン周波数の導出
（UHR周波数の探索範囲限定，UHR周波数→電子密度の演算に利用）
・UHR周波数・電子密度の機上決定．Shared Dataに出力．
電子数密度決定アルゴリズム
・入力：スペクトルデータ(FPGAより・1024step/1sec)，磁場強度(磁力計より・1Hz）
・出力：電子密度（WPIAに提供・1Hz）
・パラメータ：観測運用をしながら調整．（）内は初期値
P_min: 強度閾値（Noise+10dB），BW_min: 帯域幅下限(4kHz)，BW_max: 帯域幅上限(32kHz)
BW_diff: 許容帯域幅(32kHz)，T_min: 継続時間下限 (20sec)，T_allow: 不連続許容時間上限(8sec)
・決定手順：
１．f>fcの範囲内でP>P_minとなる点を選択
２．帯域幅がBW_min<BW<BW_maxの範囲に収まること．
３．-T_min<T<0の範囲で連続してF_min-BW_diff<F<F_max+BW_diffの範囲に収まること．
ただしT_allow以内での逸脱は無視する．
CPUにおけるデータ処理
電子数密度機上決定
あけぼのPWSデータに対して検討中の電子密度アルゴリズムを適用→60%程度は良好に決定．
白太線：自動決定されたUHR周波数，白細線：電子サイクロトロン周波数
Summary
1. HFAが生成するデータは，CPU#8で，Min時には960bps,
Max時には7680bpsになるように編集されて，データレ
コーダに書き込まれる．
2. 周波数分解能（1.2kHz@<100kHz, 12kHz@1MHz,
98kHz@10MHz）は，電子密度の計測分解能（dN/N）が
5%以下になるように設定している．
3. SWPIAに電子密度情報を提供するため，UHR放射周波
数の機上決定を行う．決定アルゴリズムは，あけぼの
PWSの地上データ処理（手動読み取り前に，手間の低減
のために行っている予備自動決定）で実績のあるものを検
討中．

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