Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Регистрация гравитационных волн является одной из важнейших проблем современности, представляющее несомненный интерес, как с фундаментальной точки зрения, так и для дальнейших многочисленных приложений [1–7]. Космологические теории предсказывают существование реликтовых гравитационных волн, которые могут быть обнаружены гравиволновыми детекторами в диапазоне частот 105...1010 Гц [6–10]. Подтверждением обнаружения гравитационно-волновых возмущений является их одновременная регистрация несколькими независимыми детекторами, синхронизированные с большой точностью между собой.
В настоящей работе рассматриваются вопросы создания макета системы сбора данных с двух лазерных интерференционных гравитационных антенн [11] (на основе резонатора Фабри — Перо) наземного и космического базирования, работающих в широком диапазоне частот регистрации гравитационных волн от 100 Гц до не менее 5 МГц [3].
Распределенная система сбора данных должна в реальном времени вести синхронную оцифровку сигналов двух антенн (частота дискретизации не более 20 МГц, разрядность аналого-цифрового преобразователя (АЦП) не менее 12 бит) с передачей данных на удаленный компьютер для кросс-корреляционной обработки сигналов двух антенн с целью выявления синхронных событий в сигналах двух детекторов гравитационных волн. Рассматривается вариант реализации разрабатываемой системы с использования плат сбора данных ADlink PCIе-9834Р. Плата имеет 4 независимых канала АЦП 16 бит. В ней реализована аппаратная синхронизации отсчетов внутреннего кварцевого генератора 80 МГц по сигналу референтной эталонной частоты 10 МГц, например, с сервера времени типа Метроном-microSync или стандарта частоты типа FS740.
Объем математической обработки данных с двух гравитационных антенн напрямую зависит от погрешности синхронизации взятия отсчетов. Чем погрешность синхронизации больше, тем большее число значений кросс-корреляционной функции требуется рассчитать. В идеале при оцифровке сигналов антенн от одного источника тактовой частоты погрешность синхронизации равна нулю и достаточно рассчитать одно значение кросс-корреляции – коэффициент корреляции Пирсона.
В случае удаленного расположения антенн погрешность синхронизации взятия отсчетов отлична от нуля и зависит от точности синхронизации и временной стабильности сигналов тактовой частоты 80 МГц плат PCIе-9834Р, которая в свою очередь зависит от точности синхронизации сигналов 1 PPS (1 Гц) и 10 МГц с мировым временем UTC, их временной стабильности. Расчеты показывают, что на интервалах времени до 21 минуты Метроном-microSync HR 1хx и стандарт частоты FS740 обеспечивают идентичную погрешность синхронизации взятия отсчетов с использованием плат сбора данных PCIе-9834Р.
Функциональная схема системы сбора данных двух гравитационных антенн с использованием плат PCIе-9834Р и стандарта частоты FS740 представлен на рис. 1. Система сбора данных работает следующим образом. Компьютер обработки данных (PC обработки данных) по сети Ethernet заблаговременно передает компьютерам сбора данных PC1 и PC2 информацию, содержащую:
Системное время компьютеров PC1 и PC2 должно быть предварительно синхронизировано с мировым временем UTC по сигналу ГЛОНАСС/GPS через спутники с использованием, например стандарта частоты FS740. На аналоговые входы СH0 и CH1 платы PCIе-9834Р подается аналоговый сигнал гравитационной антенны и сигнал 1 PPS (1 Гц) соответственно.
В назначенное время специализированное программное обеспечение PC1 и PC2 подает сигнал 1 PPS (1 Гц) стандарта частоты FS740 на вход TRIG_IN плат PCIе-9834Р. По фронту сигнала 1 PPS (1 Гц) запускается АЦП сигналов, поступающих на входы СН1 и CH2, с частотой дискретизации 80 МГц. Оцифровка сигнала 1 PPS ведется для контроля числа оцифрованных значений сигнала CH1 на интервалах времени 1 с и формирования посекундных меток данных (рис. 2).
В режиме непрерывной потоковой передачи данных оцифрованные значения сигналов антенн предаются в ОЗУ компьютеров PC1 и PC2, где осуществляется формирование секундных меток данных и их последующая передача по каналу Ethernet в оперативную память компьютера обработки данных PC. В оперативной памяти компьютера PC работает программа, осуществляющая непрерывный прием и математическую обработку данных с компьютеров сбора данных PC1 и PC2 в реальном масштабе времени. При максимальной частоте дискретизации сигналов 80 МГц ежесекундно c двух компьютеров сбора данных PC1 и PC2 по сети Ethernet в компьютер РС должны поступать (2 антенны × 2 байта × 80 106) = 320 Мбайт оцифрованных данных. То есть нагрузка на сеть Ethernet составит 2,56 Гбит/c. Следовательно, сеть должна поддерживать скорость приема-передачи данных не менее 10 Гбит/c. При этом вычислительная мощность компьютера PC должна быть достаточной не только для приема, но и одновременного расчета не менее 8 значений функции кросс-корреляции в реальном масштабе времени. В случае недостаточной вычислительной мощности PC проблема решается распараллеливанием числа компьютеров обработки данных.
Современные WAN сети поддерживают до 1 Гбит/c. С внедрением технология 5G пропускную способность достигнет 10 Гбит/c и станет возможным практическая реализация разрабатываемой системы сбора данных с удаленным размещением гравитационных антенн.
В настоящее время система сбора данных может быть протестирована в локальной сети. Функциональная схема реализации такой системы представлена на рис. 3. Здесь для организации локальной сети с пропускной способностью 10 Гбит/c на каждом из компьютеров PС, PC1 и PC2 должен быть Ethernet порт 10 Гбит/c, например, сетевая плата TP-Link TX401 (интерфейс PCI-E x4, скорость 10 Гбит/с, 1 разъем RJ-45). Связь компьютеров в локальной сети может осуществляться как по витой паре cat.6, так и по оптоволоконному кабелю через коммутатор, например QNAP QSW-1208-8C.
Программно-аппаратная реализация локальной системы сбора данных (см. рис. 3) позволит отработать технологию регистрации и обработки данных двух гравитационных антенн в лабораторных условиях.
