CN111666142B - 一种快速分组光子强度关联方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种快速分组光子强度关联方法，内容如下：记录同一观测源辐射出的光子分别到达空间中两个探测器的时间，组成一组数据然后按时间顺序排序；将排序后的数据分割成2U个相对应的数据单元；确定光程差搜索起点与步长；在未到达搜索终点时进行如下处理：对第二通道数据进行时差补偿，对应的数据单元进行并行强度关联计算；单元交界处数据交叉对应进行并行强度关联计算；到达搜索终点候输出强度关联曲线。本发明通过对数据集进行分组并行计算，能够缩短程序的计算时间并提高计算准确度，且该方法可操作性强，易推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及光子强度关联干涉测量领域，特别是涉及一种快速分组光子强度关联方法。
背景技术
利用干涉的方法来对宇宙中的星体进行观测历史悠久。1868年法国天文学家Fizeau首次提出可以利用干涉测量来确定扩展源的角直径。1956年，Hanbury Brown和Twiss研制出第一台强度干涉仪，他们利用相干光线的光强度干涉来测定行星的直径。到了20世纪70年代，甚长基线干涉测量(VLBI)技术实现用多个天文望远镜同时观测一个天体来模拟一个大小相当于望远镜之间最大间隔距离的巨型望远镜的观测方法。随着技术的不断发展，干涉测量技术也从地面发展到了空间，大力推动了深空导航探测等领域的发展。传统的串行强度关联计算方法在实际中存在计算速度慢、消耗时间长的问题，本发明提出一种快速分组光子强度关联方法，通过对数据进行分组后并行计算来缩短计算时间，以满足空间观测以及地面仿真验证试验的需求。
上海星秒光电科技有限公司的郭强、张帅等人提出一种方法，该方法根据符合计数指示指令得到多个计数组合及各计数组合的通道数据；根据得到各计数组合的通道数据判断各计数组合之间是否存在组合包含关系，并将存在组合包含关系的多个计数组合划分到同一计数策略下之后对该计数策略对应的各光通道进行符合计数。该方法能够节省系统计算资源，提高不同光通道组合之间的符合计数效率，解除设备对光通道数目的限制，提高了光子相关实验的方案设计灵活性。
中国科学技术大学的有关科研人员发明了一种装置，该装置采用多相时钟TDC和数字窗口比较器并行地对各个通道的脉冲进行时间标记和事件符合，并对符合结果进行实时的筛选，以减轻后继数据传输、存储和分析的压力，同时也设计了通道扫描和对部分符合结果进行实时统计分析的功能。同时，相关方法通过时间测量工具对脉冲边沿进行时间标记，然后为各通道上定义想要的时间窗，通过窗口比较器判断脉冲是否在定义的时间窗里出现，记录所有窗口比较器的结果便得到通道和时间两个维度上的符合。
美国学者提出一种分布式搜索体系结构，利用多个处理内核来搜索包含时间相关和逻辑相互依赖的顺序数据的多个文件。监督处理核心可以提供搜索的协调，其中多个从处理核心每个搜索包含时间相关和逻辑相互依赖的顺序数据的一个或多个数据文件。由从处理核执行的搜索的结果可以被提供给监督处理核以用于合并，进一步分析和呈现。
上述这些光子符合计数方法虽然也有并行计算的思想，但均未提到对于数据分割处光子补偿的问题，目前现有的利用强度关联干涉测量进行脉冲星角位置计算及地面仿真试验系统，均未考虑对光子强度关联计算进行加速计算，在实际应用中存在光子强度关联计算耗时较长的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速分组光子强度关联方法，以解决上述现有技术存在的问题，对数据集进行分组并行计算来缩短程序的计算时间。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种快速分组光子强度关联方法，内容如下：
步骤a：记录同一观测源辐射出的光子序列分别到达空间中两个探测器的时间，得到两组光子到达时间序列信息；将得到的两组光子到达时间序列组成一组数据，然后按照时间顺序排序；
步骤b：将排序后的数据[a11,a12，…，a1U,a21,a22，…，a2U]分割成2U个相对应的数据单元，其中a1i与a2i(i＝1,2...U)互相对应；将时间序列数据[a11,a12，…，a1U]标记为第一通道数据单元，时间序列数据[a21,a22，…，a2U]标记为第二通道数据单元；
步骤c：确定光程差τg的搜索范围[ta,tb]及搜索步长tmin，设定初始搜索值tj的大小为ta，令j＝1，进行迭代操作；
步骤d：将第二通道数据单元[a21,a22，…，a2U]中的每个数据都加上tj，当达到迭代终止条件tj＝tb时跳转至步骤i，否则进入步骤e；
步骤e：将数据[a11,a21],[a12,a22]，…，[a1U,a2U]输入强度关联方法队列进行并行计算，得到计算结果Ge；
步骤f：在第一通道数据单元和第二通道数据单元交界处交叉对应提取部分数据，组成新数据单元A；
步骤g：将得到的新数据单元A输入强度关联方法队列进行并行计算，得到计算结果Gg；
步骤h：令Gi＝Ge+Gg，tj+1＝tj+tmin，j＝j+1,跳转至步骤d；
步骤i：输出强度关联曲线，纵坐标为Gi，横坐标为ti，曲线峰值对应的横坐标即为光程差τg的最终迭代值。
优选地，步骤c中根据观测源距离第一个探测器和第二个探测器的距离差来对所述光程差τg的搜索范围[ta,tb]进行初始化。
优选地，步骤f中通过将每个通道中一段时间的累计探测到的光子数据分成U个数据块，每个数据块进行独立计算，再对相邻数据块中漏掉的关联光子进行补充，最后获得整体的关联光子数；补充计算考虑交叉的情况时a1,i的尾部数据与a2,i+1的头部数据关联，并且a1,i+1的头部数据与a2,i的尾部数据关联,补充计算选取头部和尾部数据块的大小为最后2倍光子符合门限时长的数据。
优选地，当n个探测器进行两两强度关联时，则每两个通道之间进行独立关联，获得
个关联数据值，从而通过分布式并行计算快速获得多通道的光子关联数据。
优选地，步骤e和步骤g中强度关联方法的内容为：
1)创建两个数组a[chal]和b[chbl]，数组a表示第一个探测器探测到的chal个光子的到达时间序列，数组b表示第二个探测器探测到的chbl个光子的到达时间序列；
2)令变量ia初始值为0,jb初始值为0，la初始值为chal，lb初始值为chbl，ans初始值为0；
3)如果a[ia]大于b[jb]，令jb＝jb+1，如果a[ia]小于b[jb]，令ia＝ia+1；两种情况都不满足时令ia＝ia+1，jb＝jb+1且ans值加1；
4)判断是否ia＜la且jb＜lb，如果结果为是，则进入步骤3)，如果结果为否则输出ans值，结束运算。
本发明公开了以下技术效果：
(1)本发明通过对数据集进行分组并行计算来缩短程序的计算时间，传统算法采用串行的方式来对数据进行强度关联计算，算法耗时长且不能充分利用现有计算机的计算能力。而本发明中将数据分割成许多对应的单元，利用了计算机CPU核心数多的优点，在多个计算节点中同时的对多组数据执行强度关联计算，大大缩短计算时间。
(2)本发明对相邻数据集进行补偿运算，提高准确度
强度关联计算在将数据进行分组并行计算时会在分割出漏掉部分同时到达的光子，所以本发明在分组数据的交界处根据数据分布特性前后各提取部分数据执行强度关联计算，从而弥补因数据分割而产生的结果偏差，在缩短计算时间的同时保证计算结果的准确性。
(3)本发明提出的方法可操作性强，易推广使用，在强度关联计算、时间相关光子计数器系统TCSPC、关联成像等方法均可以应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为光子强度关联干涉测量示意图；
图2为数据交界处处理示意图；
图3为本发明快速分组光子强度关联方法的流程图；
图4为本发明中关联计算方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-4,本发明提供一种快速分组光子强度关联方法。图1为光子强度关联干涉测量方式的示意图，技术要点是空间中两个探测器接受同一观测源辐射出的光子，并分别记录光子到达探测器的时间，通过对光测数据进行强度关联计算可以绘出二阶相干曲线，曲线峰值处所对应的横坐标就是光程差τg，从而获取观测源的角度信息，具体内容如下：
本发明方法的整体流程图如图3所示，具体内容如下：
步骤a：记录同一观测源辐射出的光子序列分别到达空间中两个探测器的时间，得到两组光子到达时间序列信息；将得到的两组光子到达时间序列组成一组数据，然后按照时间顺序排序；
步骤b：将排序后的数据[a11,a12，…，a1U,a21,a22，…，a2U]分割成2U个相对应的数据单元，其中a1i与a2i(i＝1,2...U)互相对应；将时间序列数据[a11,a12，…，a1U]标记为第一通道数据单元，时间序列数据[a21,a22，…，a2U]标记为第二通道数据单元；
步骤c：确定光程差τg的搜索范围[ta,tb]及搜索步长tmin，设定初始搜索值tj的大小为ta，令j＝1，进行迭代操作；
步骤d：将第二通道数据单元[a21,a22，…，a2U]中的每个数据都加上tj，当达到迭代终止条件tj＝tb时跳转至步骤i，否则进入步骤e；
步骤e：将数据[a11,a21],[a12,a22]，…，[a1U,a2U]输入强度关联方法队列进行并行计算，得到计算结果Ge；
步骤f：在第一通道数据单元和第二通道数据单元交界处交叉对应提取部分数据，组成新数据单元A；
步骤g：将得到的新数据单元A输入强度关联方法队列进行并行计算，得到计算结果Gg；
步骤h：令Gi＝Ge+Gg，tj+1＝tj+tmin，j＝j+1,跳转至步骤d；
步骤i：输出强度关联曲线，纵坐标为Gi，横坐标为ti，曲线峰值对应的横坐标即为光程差τg的最终迭代值。
其中，步骤c中根据观测源距离第一个探测器和第二个探测器的距离差来对所述光程差τg的搜索范围[ta,tb]进行初始化。
如图4所示，步骤e和步骤g中强度关联方法的内容为：
1)创建两个数组a[chal]和b[chbl]，数组a表示第一个探测器探测到的chal个光子的到达时间序列，数组b表示第二个探测器探测到的chbl个光子的到达时间序列；
2)令变量ia初始值为0,jb初始值为0，la初始值为chal，lb初始值为chbl，ans初始值为0；
3)如果a[ia]大于b[jb]，令jb＝jb+1，如果a[ia]小于b[jb]，令ia＝ia+1；两种情况都不满足时令ia＝ia+1，jb＝jb+1且ans值自增1；
4)判断是否ia＜la且jb＜lb，如果结果为是，则进入步骤3)，如果结果为否则输出ans值，结束运算。
如图2所示，本发明方法步骤f中通过将每个通道中一段时间的累计探测到的光子数据分成U个数据块，每个数据块进行独立计算，再对相邻数据块中漏掉的关联光子进行补充，最后获得整体的关联光子数；补充计算考虑交叉的情况时a1,i的尾部数据与a2,i+1的头部数据关联，并且a1,i+1的头部数据与a2,i的尾部数据关联,补充计算选取头部和尾部数据块的大小为最后2倍光子符合门限时长的数据。
当n个探测器进行两两强度关联时，则每两个通道之间进行独立关联，获得
个关联数据值，从而通过分布式并行计算快速获得多通道的光子关联数据。
本发明对两探测器测得的两通道光子到达时间序列进行强度关联计算时，先将数据进行排序，再分割成多组长度相同且对应的数据单元，将对应的数据单元进行并行的强度关联计算，从而大大缩短计算时间。并且对数据单元的交接处各提取部分数据进行交叉的强度关联计算，从而可弥补因数据分组降低的关联光子数。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明保护范围。
Claims (5)
1.一种快速分组光子强度关联方法，其特征在于，包括如下步骤:
步骤a：记录同一观测源辐射出的光子序列分别到达空间中两个探测器的时间，得到两组光子到达时间序列信息；将得到的两组光子到达时间序列组成一组数据，然后按照时间顺序排序；
步骤b：将排序后的数据[a11,a12，…，a1U,a21,a22，…，a2U]分割成2U个相对应的数据单元，其中a1i与a2i(i＝1,2...U)互相对应；将时间序列数据[a11,a12，…，a1U]标记为第一通道数据单元，时间序列数据[a21,a22，…，a2U]标记为第二通道数据单元；
步骤c：确定光程差τg的搜索范围[ta,tb]及搜索步长tmin，设定初始搜索值tj的大小为ta，令j＝1，进行迭代操作；
步骤d：将第二通道数据单元[a21,a22，…，a2U]中的每个数据都加上tj，当达到迭代终止条件tj＝tb时跳转至步骤i，否则进入步骤e；
步骤e：将数据[a11,a21],[a12,a22]，…，[a1U,a2U]输入强度关联方法队列进行并行计算，得到计算结果Ge；
步骤f：在第一通道数据单元和第二通道数据单元交界处交叉对应提取部分数据，组成新数据单元A；
步骤g：将得到的新数据单元A输入强度关联方法队列进行并行计算，得到计算结果Gg；
步骤h：令Gi＝Ge+Gg，tj+1＝tj+tmin，j＝j+1,跳转至步骤d；
步骤i：输出强度关联曲线，纵坐标为Gi，横坐标为ti，曲线峰值对应的横坐标即为光程差τg的最终迭代值。
2.根据权利要求1所述的快速分组光子强度关联方法，其特征在于，步骤c中根据观测源距离第一个探测器和第二个探测器的距离差来对所述光程差τg的搜索范围[ta,tb]进行初始化。
3.根据权利要求1所述的快速分组光子强度关联方法，其特征在于，步骤f中通过将每个通道中一段时间的累计探测到的光子数据分成U个数据块，每个数据块进行独立计算，再对相邻数据块中漏掉的关联光子进行补充，最后获得整体的关联光子数；补充计算考虑交叉的情况时a1,i的尾部数据与a2,i+1的头部数据关联，并且a1,i+1的头部数据与a2,i的尾部数据关联,补充计算选取头部和尾部数据块的大小为最后2倍光子符合门限时长的数据。
4.根据权利要求3所述的快速分组光子强度关联方法，其特征在于，当n个探测器进行两两强度关联时，则每两个通道之间进行独立关联，获得
个关联数据值，从而通过分布式并行计算获得多通道的光子关联数据。
5.根据权利要求1所述的快速分组光子强度关联方法，其特征在于，步骤e和步骤g中强度关联方法的内容为：
1)创建两个数组a[chal]和b[chbl]，数组a表示第一个探测器探测到的chal个光子的到达时间序列，数组b表示第二个探测器探测到的chbl个光子的到达时间序列；
2)令变量ia初始值为0,jb初始值为0，la初始值为chal，lb初始值为chbl，ans初始值为0；
3)如果a[ia]大于b[jb]，令jb＝jb+1，如果a[ia]小于b[jb]，令ia＝ia+1；两种情况都不满足时令ia＝ia+1，jb＝jb+1且ans值自增1；
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