中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室 申请人：黄锡汝 博士后 时 间：2016年5月8日 赵忠尧研究奖金申请答辩 中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室 申请人：黄锡汝 博士后 时 间：2016年5月8日

答辩内容 一、个人简历 二、工作成绩介绍 三、未来工作计划 基于以太网的高速数据读出方法研究 核信号的压缩采样方法研究 深入研究基于压缩采样的波形数字化方法 继续研究基于网络的高性能数据读出方法

1、个人简历 一、教育和科研工作经历 二、研究领域及学术方向 2006年~2010年：中国科学技术大学，物理学院，应用物理学，学士 导师：杨俊峰 2010年~2015年：中国科学技术大学，近代物理系，物理电子学，博士 导师：安琪 教授 2015年~至今：中国科学技术大学，核探测与核电子学国家重点实验室，博士后 合作导师：彭海平 教授 二、研究领域及学术方向 研究领域：物理实验的信号读出研究 学术方向： 基于网络的高性能数据读出方法研究 基于信号压缩采样的新型波形数字化方法研究 2006年~2010年，就读中国科学技术大学物理学院，专业为应用物理学，于2010年获得学士学位；

答辩内容 一、个人简历 二、工作成绩介绍 三、未来工作计划 基于以太网的高速数据读出方法研究 核信号的压缩采样方法研究 深入研究基于压缩采样的波形数字化方法 继续研究基于网络的高性能数据读出方法

2.1、基于以太网的高速数据读出方法研究 传统读出系统架构 读出机箱（如VME、CPCI） 机箱背板（数据汇总） 机箱控制器（支持以太网通讯） 读出模块（前端数据收集） 其他电子学模块 随着加速器、对撞机能量的不断提高，物理事例率和电子学通道数也相应增加，由于机箱背板带宽的限制，传统读出方案的读出速度提高面临着挑战。 基于机箱背板、控制器的读出方案 随着加速器、对撞机能量的不断提高，物理事例率和电子学通道数也相应增加，由于机箱背板带宽的限制，传统读出方案的读出速度提高面临着挑战。这是一种数据汇总的读出方案。 基于单插件的读出方案

成果：基于网络的并行读出系统架构 大型物理实验中高密度、高精度海量数据的读出，适应未来发展方向 基于成熟技术，研究新型电子学插件高性能并行数据读出方法 解决数据读出瓶颈：配置与读出分离、数据高速并发读出 对网络数据流的高效重定向算法（TCP/IP协议优化）、网络物理层数据实时传输、虚拟化技术 高性能FPGA、CPU数据交换方法 关键技术方法： 基于SRAM接口的数据传输方法 基于网络底层结构优化的数据通信技术 发表论文： HUANG Xi-Ru, CAO Ping, ZHENG Jia-Jun. A data transmission method for particle physics experiments based on Ethernet physical layer, Chinese Physics C, 2015, 39(11): 116102-1-116102-5 (SCI期刊论文) HUANG Xi-Ru, CAO Ping, GAO Li-Wei, ZHENG Jia-Jun. A data readout approach for physics experiments, Chinese Physics C, 2015, 39(07): 076102-1- 076102-6 (SCI期刊论文) 每个读出模块具有将数据传输到DAQ系统的能力。高能物理实验的发展趋势是大型化和复杂化。 数据交换率达350Mbps 基于SRAM接口的数据传输方法 基于网络底层结构优化的数据通信技术

2.2、核信号的压缩采样方法研究 目前能够重构核脉冲信号的测量方法是波形数字化技术 理论基础是Shannon采样定理 直接对脉冲信号波形进行高速采样并数字化 理论基础是Shannon采样定理 采样频率必须至少为信号频率最大值的两倍 为了无失真地重构出核脉冲信号，需要高速、高精度的ADC 缺点： 受限于ADC技术发展 功耗、成本以及高速率数据传输等问题增加了系统设计的难度 直接对脉冲信号波形进行高速采样并数字化。为了无失真地重构出核脉冲信号，需要很高的采样率。

压缩感知 压缩感知(Compressive Sensing)或压缩采样(Compressive Sampling) 一种基于信号稀疏性的采样理论 指出：在满足一定条件下，可以用比传统的Shannon采样方法更少的样本，稳定且精确地重构出原始信号 应用于核与粒子物理实验中的信号采集 目的：以更小的代价获取物理信息 低采样率、低数据量 能够重构核脉冲信号 意义：为核与粒子物理实验中的信号采集提供一种新思路 是近10年发展起来的一种基于信号稀疏性的采样理论；已在…等领域获得了广泛研究。

成果：核信号的压缩采样方法 随机解调器（Random Demodulator） NESTA算法 Gabor框架 基于CS的硬件采集架构，实现对连续时间信号的压缩采样 NESTA算法 求解凸优化问题的稀疏恢复算法 Gabor框架 能够稀疏表示核信号 研究成果提出了一种适用于核信号的压缩采样方法。 随机解调器的基本结构

仿真验证 关键问题： 核信号处理的先验知识 利用压缩感知方法的可行性 合适的恢复算法 实现核信号压缩采样的硬件采集架构 国家发明专利：   关键问题： 核信号处理的先验知识 利用压缩感知方法的可行性 合适的恢复算法 实现核信号压缩采样的硬件采集架构 国家发明专利： 基于压缩采样的核信号重构方法（申请中） 发表论文： a nuclear pulse reconstruction method based on compressive sampling（发表中） RMSE：均方根误差    

答辩内容 一、个人简历 二、工作成绩介绍 三、未来工作计划 基于以太网的高速数据读出方法研究 核信号的压缩采样方法研究 深入研究基于压缩采样的波形数字化方法 继续研究基于网络的高性能数据读出方法

3.1、基于CS的新型波形数字化成果的深入研究及应用 在硬件电路上实现基于随机解调器的压缩采样方案 在硬件电路上实现高速、高精度的传统采样方案 测试并比较压缩采样方案和传统采样方案 尝试对CSNS白光中子源BaF2探测器信号进行重构研究 计划发表1~2篇文章 获得两项基金项目的资助： 中央高校基本科研业务费专项基金项目 物理实验中高速窄脉冲的压缩采样（2016.1~2017.12） 核探测与核电子学国家重点实验室自主研究课题 基于压缩感知的新型波形数字化方法研究（2016.3~2017.3） CSNS-WNS BaF2 探测阵列 （ n, ）反应截面测量读出电子学系统设计方法 92个BaF2组成的伽马全吸收型探测器阵列 基于ADC的全波形数字化数据获取系统（1GSps，12bit） 时间分辨好于5ns；能量分辨好于20%@661keV

3.2、基于网络的高性能数据读出成果的应用和深入研究 基于网络的高性能数据读出方法 研究基于SOC的高性能千兆并行读出方法 万兆数据传输技术的研究（以太网、串行通信） 研究成果应用到FAIR-CBM物理实验 10万量级数据读出通道 单超级模块数据率：~10Gbps 计划发表2~3篇文章 参加科技部重点基础研究计划（973）课题研究： 课题6（2015CB856906）FAIR-CBM实验高速、高密度、高精度读出系统研制 FAIR（反质子和离子研究设施）是位于德国达姆施塔特（Darmstadt）的加速器设施。CBM是高压缩重子物质实验。利用高能金核子对撞固定靶的方式来探索在超高重子密度环境下的QCD相图及潜在理论。能量强度为14 AGeV的核子速流。

总结 研究方向：物理实验的信号读出研究 基于网络的高性能数据读出方法研究 基于信号压缩采样的新型波形数字化方法研究 科研成果： 成果一：基于网络的并行读出系统架构 成果二：核信号的压缩采样方法 在研项目： （主持）中央高校基本科研业务费专项资金资助：物理实验中高速窄脉冲的压缩采样 （主持）核探测与核电子学国家重点实验室自主研究课题资助：基于压缩感知的新型波形数字化方法研究 （参加）国家自然科学基金NSAF联合基金：用于大规模中子散射探测技术的读出电子学方法研究 （参加）国家973课题资助：FAIR-CBM实验高速、高密度、高精度读出系统研究 论文及专利： 2篇SCI期刊论文 1项国家发明专利（申请中）

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