借助于Virtex FPGA的帮助,BICEP2发现宇宙大爆炸的证据—重力波

作者:Steve Leibson, 赛灵思战略营销与业务规划总监
3月17日,一个多学科小组的科学家们宣布在南极的BICEP2实验致力于宇宙大爆炸的印证,并已经在150GHz宇宙微波本底辐射的B型偏振中收集到了重力波的第一个证据。氦实验中用到的氦冷却超导焦平面微波传感器是一个由512个天线耦合的过渡边缘传感器(TES)测辐射热计组成的阵列,这些传感器是由JPL(喷气推进实验室)的微型器件实验室制造的。槽状的微波天线通过超导带状线和测辐射热计耦合在一起,每一个微型测辐射热计把耦合微波的能量转换为热能,并最终体现为电阻值的变化。BICEP2实验中的TES测辐射热计被配置为具有256个偏振敏感点。

 阿蒙森-史考特南极站的BICEP2望远镜<br />
图片来源:Keith Vanderlinde,美国国家科学基金会

阿蒙森-史考特南极站的BICEP2望远镜
图片来源:Keith Vanderlinde,美国国家科学基金会

超导BICEP2 TES测辐射热计。图片来源:美国宇航局/喷气推进实验室-加州理工学院

超导BICEP2 TES测辐射热计。图片来源:美国宇航局/喷气推进实验室-加州理工学院

每个TES测辐射热计的电阻值变化会导致电流的调整,然后会被连接着的SQUIDs(超导量子干涉器件)进行放大。要把超导焦平面微波传感器和SQUID阵列在超冷环境下得到的512个测量结果转化到相对温暖的南极环境中,就需要用到一个创新的数字频率复用(DFMUX)方案,该方案是采用Xilinx Virtex-4 FPGA来实现的。这个方案是在加拿大蒙特利尔的麦吉尔大学开发的,目的是使得进入低温恒温器对焦平面微波传感器阵列进行冷却的线要最少,同时不能降低每个测辐射热计的噪声性能。

这个16:1的多路复用系统合成了一组载波频率梳,通过一根信号线进入低温恒温器,每一个测辐射热计都使用一个模拟滤波器来调整到一个独特的窄频带,并且由一个载波信号做偏置。每一个测辐射热计都会响应时变入射微波辐射,产生一个变化的电阻值,导致电流的调整,并在每个载波频率周围产生调幅(AM)边带。测辐射热计的输出被合成到一起形成一个已调制的“sky signal”,然后该信号被送回到室温电子设备中,通过FPGA来进行解调,下面是一个框图:

测辐射热计的输出被合成到一起形成一个已调制的“sky signal”,然后该信号被送回到室温电子设备中,通过FPGA来进行解调

参考文献:“Biasing and Demodulation System for Kilopixel TES Bolometer Arrays, IEEE测试设备与测量期刊

这个DFMUX设计使用了Virtex-4 FPGA的片内逻辑、存储器以及DSP功能来实现解调、降频转换、抽取、滤波、时间戳以及缓冲。在FPGA中实现了一个MicroBlaze软处理器来管理系统中的数据流,该处理器上运行的是Linux操作系统。

可以阅读下面的参考文献,获取BICEP2、TES测辐射热计和FPGA DFMUX的更多技术信息。

Telescope captures view of gravitational waves”,作者Ron Cowen,《自然杂志》,2014年3月17日。

TES and Cosmic Microwave Background Detection”,美国加州理工学院,喷气推进实验室。

First Light on MDL-Made Antenna-Coupled Bolometers in BICEP 2 at the South Pole” ,美国加州理工学院,喷气推进实验室。

A Biasing and Demodulation System for Kilopixel TES Bolometer Arrays”,作者:Graeme Smecher,IEEE会员,Francois Aubin,Eric Bissonnette,Matt Dobbs,Peter Hyland, 和Kevin MacDermid

South Pole Telescope Software Systems: Control, Monitoring, and Data Acquisition”,作者:K. Story等人

Antenna-coupled TES Bolometer Arrays for BICEP2/Keck and SPIDER”,作者:A.Orlando等人

Digital Frequency Domain Multiplexer for mm-Wavelength Telescopes”,作者:Matt Dobbs, Eric Bissonnette和Helmuth Spieler

An Automatic Control Interface for Network-Accessible Embedded Instruments”,作者:Graeme Smecher等人

原文链接:
http://forums.xilinx.com/t5/Xcell-Daily-Blog/BICEP2-finds-evidence-of-gr...

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