[論文レビュー] Current and Nascent SETI Instruments

Andrew Siemion, Jeff Cobb+14 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2011

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、無線SETI用の次世代機器であるSERENDIP V.v、HRSS、および光学SETI用のOSFPの設計および開発を提示する。これらは、オープンソースのCASPERツールを用いた低コストでモジュラーなFPGAベースのデジタルバックエンドを特徴としており、高度な信号処理とスケーラブルで学生がプログラミング可能なアーキテクチャにより、狭帯域無線信号およびナノ秒スケールの光学パルスの高感度でリアルタイム検出を可能にする。

ABSTRACT

Here we describe our ongoing efforts to develop high-performance and sensitive instrumentation for use in the search for extra-terrestrial intelligence (SETI). These efforts include our recently deployed Search for Extraterrestrial Emissions from Nearby Developed Intelligent Populations Spectrometer (SERENDIP V.v) and two instruments currently under development; the Heterogeneous Radio SETI Spectrometer (HRSS) for SETI observations in the radio spectrum and the Optical SETI Fast Photometer (OSFP) for SETI observations in the optical band. We will discuss the basic SERENDIP V.v instrument design and initial analysis methodology, along with instrument architectures and observation strategies for OSFP and HRSS. In addition, we will demonstrate how these instruments may be built using low-cost, modular components and programmed and operated by students using common languages, e.g. ANSI C.

研究の動機と目的

• 無線および光学波長域における地球外知的生命体の検出を目的とした高感度でコスト効率の良い機器の開発。
• 既存のSETI機器の限界を克服し、リアルタイムでマルチチャネル信号処理が可能になり、誤報の抑制が向上するようにすること。
• 学生や研究者にとって利用可能なモジュラーでオープンソースのハードウェアおよびソフトウェアコンponentsを用いることで、SETI機器の民主化を図ること。
• 高度なデジタル信号処理により、狭帯域無線信号およびナノ秒スケールの光学パルスの検出を向上させること。
• 将来のADCおよびFPGA技術の進歩に対応できるスケーラブルでアップグレード可能な機器設計を可能にすること。

提案手法

• Arecibo望遠鏡に搭載された高性能FPGAベースのスペクトルアナライザーであるSERENDIP V.vを導入し、1420 MHzを中心とする300 MHz帯域にわたる7つのALFAビームから得られる20億チャンネルを分析。
• モジュラーで低コストな部品とオープンソースのCASPERツールを用いたHeterogeneous Radio SETI Spectrometer（HRSS）の設計により、柔軟でスケーラブルな無線SETI観測を実現。
• 3つのPMTと光学ビームスプリッターを用いて、一致検出により同時に発生するナノ秒スケールの光学パルスを検出する光学SETI高速フォトメーター（OSFP）を実装。
• 高速ADC（1.5 Gsps）を用いてPMT出力を直接デジタル化し、4 GB DRAMバッファを備えたROACH FPGAボードで波形をキャプチャするリアルタイム処理を実行。
• ROACHボード上でリアルタイム検出アルゴリズムをプログラミングし、振幅の類似性および相互相関のしきい値に基づくマルチステージトリガーを実装。
• 1 PPSのGPS時刻タグを用いてマイクロ秒レベルの精度でイベント同期を実現し、信号検出時に自動的に望遠鏡を再指向可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低コストでモジュラーかつスケーラブルな装置をどのように開発すれば、SETI実験における感度とアクセス性を向上させられるか？
• RQ2 誤報を最小限に抑えるために、ナノ秒スケールの光学パルスを検出するのに最も効果的なリアルタイムデジタル信号処理技術は何か？
• RQ3 オープンソースのツールチェーン（例：CASPER）を用いたFPGAベースのバックエンドは、無線および光学帯域にわたり高スルーレートかつ高ダイナミックレンジのSETI観測をサポートできるか？
• RQ4 マルチPMTの一致検出と相互相関アルゴリズムは、光学SETIにおける感度向上と誤報の低減にどのように寄与するか？
• RQ5 実際のシステムシミュレーションにおいて、しきい値ベースと相関ベースの光学パルス検出の性能的トレードオフは何か？

主な発見

• SERENDIP V.vは、1420 MHzを中心とする300 MHz帯域にわたる20億チャンネルをカバーする高感度の天体スキャンを実施し、7つのALFAビームからの信号を多重化して分析した。
• OSFP機器は、1.5 Gspsの高帯域幅デジタル化を実現し、PMT帯域幅を完全にサンプリングし、GPSを用いた正確なタイムタグ付けを可能にした。
• 予備的なシミュレーション結果から、PMT波形ペアの相互相関をしきい値処理する手法が、単一チャネルのしきい値処理よりも優れた感度を示した。
• ROACHボードに搭載された4 GB DRAMリングバッファにより、トリガー発生時の完全な波形キャプチャが可能となり、トリガー後の解析や重心位置特定が可能になった。
• 本機器アーキテクチャは、100 Mbpsイーサネットを用いた高しきい値・低イベントレート探索と、10 GbEを用いた高スルーレートデータストリーミングの両方をサポートしており、詳細な特徴抽出が可能である。
• OSFPシステム全体は、市販部品（Hamamatsu PMT、Edmunds光学部品）で構成されており、オープンソースのCASPER FPGA設計フローと完全に互換性があるため、将来的なアップグレードが保証されている。