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个人工作经历回顾(一):硬X射线调制望远镜

已有 890 次阅读 2020-6-3 13:44 |个人分类:科研心得|系统分类:科研笔记| 大科学工程

建设国家大科学工程——硬X射线调制望远镜(HXMT,又名“慧眼”)

【参加一个国家大科学工程,就是个人科研生涯的长征。不忘初心,方得始终。】

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     HXMT最早起源于20世纪90年代李惕碚和吴枚提出的直接解调方法(Direct Demodulation Method,简称DDM)【1】。当时,受制于技术原因,硬X射线波段的全天观测还属于空白。借助DDM方法,使用相对简单的硬件设备就可以实现当时世界最高灵敏度和最高分辨率的硬X射线巡天工作,这是力推HXMT的基本出发点,也符合当时的国情。HXMT项目经历了气球验证、973项目、背景型号、工程研制、在轨运行五个阶段。2001年9月,笔者到清华大学天体物理中心做博士后时,即开始参与当时处于973阶段的HXMT项目。

      为什么要加入HXMT?一方面当时国内天文系统的人力资源相当有限,我们需要发挥集中力量办大事的优良传统,才能把这个大设备做起来;另一方面,笔者相信全局最优肯定好于局部最优。因此,纵使面临从射电天文到X射线天文,从科学到工程技术的大跨度专业领域转换,也毫不犹豫的下定决心,参加HXMT项目。

      以前看过一个BBC纪录片,讲哈勃空间望远镜(HST)的建设历程。里面有个镜头,当发现号(Discovery)航天飞机载着HST冉冉升空时,首席科学家(1979-1998)埃德·韦勒当场热泪盈眶,感慨的说:“再也没有什么势力可以阻挡HST进入太空了!”。我后来专门查了查,从1962年向美国国家科学基金会(NSF)提交立项报告开始,到1990年4月24日发射升空,HST研发前后历时约28年,中间历经各种磨难【2】。在科技发达财力雄厚的美国尚且如此,可以想象在中国发展第一颗空间天文卫星将面临的困难。

      大科学工程HXMT所面临的挑战,既有技术方面的,如:关键性成像技术的实用化完善,有效载荷与国家现有空间技术的匹配,航天设备研制的高标准、严要求等等;也有非技术方面的,如:来自竞争项目的质疑,国家各个部门关于获得空间科学发展主导权的博弈,研制队伍的长期发展与稳定,持续的经费支持等等。综合起来,使得HXMT项目的发展坎坷而漫长。

      从2000年的973项目开始算起,到2017年6月15日发射升空,HXMT项目前后历时约17年。如果再往前追溯到1994年发表的关于直接解调方法的原始论文,则时间更久,长达23年。

      当大科学工程的发展遇到障碍,立项一拖再拖时,各种压力便会自上而下,传导到每个项目组成员的身上。校内一些与硬件相关的课题组,由于投入大(航天级器件的价格往往是普通商业器件的上百倍乃至上千倍),一旦长时间失去经费来源,而学校又不进行相关的支持与救助的话,只能退出。这是比较遗憾的事情!

      笔者带领的课题组,因为主要涉及算法和软件开发,经费投入相对较小。困难来临时,先是靠着其它基金结余的经费维持。到后来,完全无米下锅时,就四处化缘,靠着上海天文台、国家授时中心几位老同学的帮助,承担一些小的横向课题,最终熬过难关。

      在HXMT项目中,笔者牵头承担的任务分为工程和技术两大块。工程任务的主要内容是与中科院高能物理所等单位的同事一起,建设为科学研究服务的地面应用系统。项目立项之后,具体负责直接解调成像(DDM)子系统以及巡天成像子系统的建设。而技术任务则发挥笔者在成像与图像重建技术方面的积累与优势,解决一些关键性的技术问题。

      回望参加项目十几年的历程,大部分时间都是按照航天软件工程化标准(GJB5000A)的要求不断的写文档,修改文档,写代码,修改、调试代码。参加各种会议,与其它分系统、子系统讨论协调接口问题。看起来就很枯燥,做起来就不仅仅是枯燥,简直是痛苦。因为你发现,你做的系统似乎永远是不完美的。这种工作思维方式跟科研有很大的区别。然而,正是需要这看似枯燥的努力,许许多多人的工作才能有机的整合在一起,组成可以为科学研究服务的地面应用系统。

      在关键技术方面,我们做了两件有意义的工作。

      一、解决了DDM方法的计算复杂度问题。笔者先是提出用傅里叶变换改写DDM中关键的Lucy迭代公式,大大加快了算法的速度,同时显著降低了内存的占用【3】。后来,课题组博士生霍卓玺又提出基于向量外插的加速迭代算法【4】。综合使用这两种算法,处理一幅1024x1024大小(一百万像素)图像的速度可以加快30万~90万倍,使得原来需要超级计算机才能完成的图像重建任务,现在用普通的工作站就可以完成。

      二、解决了DDM重建图像中弱源真假的识别问题。基于背景约束的直接解调方法可以从低分辨率带强噪声的观测结果重建出高分辨图像,但是在看似“干净”的图像中总是出现一些“毛刺”状伪结构。这些伪结构的存在会影响对弱源的探测能力。笔者发现这个问题的来源是背景估计值是近似满足某一高斯分布的统计量,不能简单当作一个定值。用蒙卡方法从分布中抽取不同的背景值,每个背景值做一次图像重建。从一系列重建结果出发,可以获得每个像素值的分布,从而获得重建结果的区间估计。这样做之后,我们就能在统计意义上准确识别真假源。【5】

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      2017年6月15日,中午11时00分,HXMT建设者们终于迎来了激动人心的时刻。在酒泉卫星发射基地,长征四号乙运载火箭托举着卫星,承载着李惕碚老师所带领团队两代人的不懈努力,在震耳欲聋的轰鸣声中,挣脱大地母亲的怀抱,拔地而起,冲向太空。那一刻,大家欢呼着,跳跃着,而泪水不由自主的充满了眼眶,百感交集;那一刻,挥手欢送HXMT踏上征程,也向自己逝去的青春作别;那一刻,所有的努力与付出都得到了回报。

      时至今日,“慧眼”望远镜已经在太空中遨游将近三年。期间,作出了许多很重要的科学发现,例如最近确认了银河系中一个快速射电爆(FRB)与磁星SGR J1935+2154的X射线爆发相关联。相信类似这样的重量级科学发现会越来越多。再次证明了当初集中力量发展我们自己的空间天文设备的重要性。

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参考文献

  1. Li, Ti-Pei, and Mei Wu. "Reconstruction of objects by direct demodulation." Astrophysics and Space Science 215.2 (1994): 213-227.

  2. https://en.wikipedia.org/wiki/Hubble_Space_Telescope

  3. Shen Zong-Jun; Zhou Jian-Feng,  Accelerated Direct Demodulation Imaging Method, HIGH ENERGY PHYSICS AND NUCLEAR PHYSICS-CHINESE EDITION, 31(11), pp 1016-1021, 2007-11

  4. An accelerated direct demodulation method for image reconstruction using spherical data from the hard X-ray modulation telescope, Zhou-Xi Huo; Jian-Feng Zhou, Research in Astronomy and Astrophysics, 13(8), pp 991-1012, 2013

  5. Interval estimate with probabilistic background constraints in deconvolution, Huo, Zhuo-xi; *Zhou, Jian-feng, JOURNAL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICA A-OPTICS IMAGE SCIENCE AND VISION, 29(12), pp 2688-2695, 2012-12




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1 郑永军

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