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

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1 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

2 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、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；

4 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

5 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

6 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): (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): (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

7 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。

8 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。

9 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

10 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

11 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

12 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~ ） 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）

13 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。

14 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）

15 Thanks