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。