Albert-Jan Boonstra is hoofd R&D bij Astron en wetenschappelijk projectleider van het Dome-project. André Gunst werkt bij hetzelfde instituut in de digitale- en embedded-processing-groep. Hij was verantwoordelijk voor de ontwikkeling van Lofar en is nu projectleider van de aperture arrays voor de middenfrequentie (400 tot 1400 MHz).

1 March 2013

Komend decennium moet er in Australië en Zuid-Afrika in totaal een vierkante kilometer aan antenneoppervlak worden gebouwd voor radioastronomie. De radiotelescopen die Astron in Noord-Nederland bouwt, moeten de nieuwe technologie verkennen die hiervoor nodig is – zowel de sensoren als het verwerken van de gigantische datastromen die hieruit voortkomen.

Voor de radioastronomie betekent oppervlakte gevoeligheid: een grote radiotelescoop kan simpelweg meer radiosignalen opvangen dan een kleine. In de beginjaren van de radioastronomie werden de telescopen dan ook steeds groter. Het gewicht stelt echter een limiet aan de afmetingen. Vandaar dat de radiotelescoop in Westerbork in 1970 is opgebouwd uit veertien afzonderlijke telescopen die aan elkaar kunnen worden gekoppeld tot één grote sensor.

In de jaren negentig werden er bij Astron echter al ideeën ontwikkeld voor een nog veel grotere radiotelescoop met een oppervlakte van een vierkante kilometer: de Square Kilometre Array (SKA). Het was duidelijk dat een dergelijke extreem grote telescoop niet met conventionele technieken kon worden gebouwd. Omdat elektronische signaalverwerking steeds goedkoper werd, ontstond toen het idee om de telescoop uit vele kleine antennes te bouwen en die op een slimme manier elektronisch te combineren.

Een bijkomend voordeel van deze aanpak is dat het richten van de telescoop elektronisch gebeurt en dat mechanisch bewegende delen dus niet langer nodig zijn. Dit maakt het instrument niet alleen een stuk voordeliger. Door het gebruik van meer, parallelle, elektronische dataverwerking kan het blikveld van de telescoop ook worden vergroot, iets wat niet mogelijk is met traditionele telescoopschotels.

Het hart van Lofar ligt nabij Exloo in Drenthe. Er zijn meerdere stations te zien. De hogebandantennes zijn de zwarte vlakjes en de lagebandantennes zijn te zien in de inzet.

Astron startte daarom aan het eind van de jaren negentig een R&D-programma voor het ontwikkelen van phased arrays of aperture arrays. Astron is onderdeel van NWO; genoemde projecten zijn mede ondersteund door BSik, Efro, SNN, EZ/Kompas, ELI en de provincie Drenthe. De ’platte antenne‘-technologie heeft in 2010 geleid tot de eerste grote stap naar de SKA: de Lofar-telescoop in Noord-Nederland.

Per glasvezel

Lofar (Low Frequency Array) bestaat uit zo‘n vijftigduizend sensoren verspreid over 48 stations. Veertig hiervan liggen in Nederland, de overige acht zijn verdeeld over Duitsland, Engeland, Frankrijk en Zweden. Daarmee is het momenteel de grootste radiotelescoop op aarde in het lagefrequentiegebied (10 tot 240 MHz). Het geheel is gefinancierd door het BSik-programma voor interdisciplinair onderzoek om de kennisinfrastructuur te verbeteren, met additionele gelden van het European Regional Development Fund (Efro), het Samenwerkingsverband Noord-Nederland en EZ/Kompas.

Lofar gebruikt twee typen sensoren: een voor radiogolven met een frequentie van 10 tot 90 MHz en een voor het frequentiegebied tussen 120 en 240 MHz. Tevens zijn veel Nederlandse stations uitgerust met sensoren uit andere wetenschappelijke disciplines voor geofysica en infrageluid.

De crux van een phased-array-sensorsysteem is om de radiosignalen op een goede, gesynchroniseerde, manier aan elkaar te knopen. Dat wordt gedaan op een centrale plek in het sensorveld. Via coaxiale kabels zijn alle antennesensoren van het station elektronisch met elkaar verbonden. Deze centrale elektronica telt de lokale sensordata gewogen bij elkaar op. Dat resulteert in de vorming van een bundel aan de hemel. Meer bundels kunnen worden gemaakt door simpelweg meerdere optellers te gebruiken.

Lofar heeft nu al een van de beste hemelkaarten ooit gemaakt van gigantische bubbels geproduceerd door een supermassief zwart gat.

Deze aanpak reduceert de datastroom die een station verlaat aanzienlijk. Van de 230 Gb/s die de sensoren op een station gezamenlijk produceren, blijft na optelling slechts zo‘n 3 Gb/s over. Die data gaan per glasvezel naar een supercomputer in Groningen om de bundels van de stations met elkaar te combineren. De totale datastroom naar de centrale supercomputer ligt daarmee tussen de 150 en 223 Gb/s, afhankelijk van de geselecteerde waarneemmodus. De supercomputer correleert de gegevens met elkaar en past vervolgens nog een kalibratieprocedure toe om allerlei instrumentele verstoringen te compenseren.

Deze aanpak zal gedeeltelijk terugkomen in de SKA. Deze zal begin volgend decennium verrijzen op afgelegen gebieden in Zuid-Afrika en Australië. Omdat Nederland te klein is voor het maken en huisvesten van een telescoop met de omvang van de SKA, is het een internationaal project geworden waaraan op dit moment tien landen deelnemen.

De SKA moet een veel bredere band in beeld gaan brengen dan Lofar: van 70 MHz tot aan 10 GHz. Om dit te realiseren, worden er verschillende sensortechnologieën ingezet. Voor de lage band van circa 70 tot 450 MHz speelt de Lofar-technologie een sleutelrol. Voor de hoogste frequenties zijn aperture arrays minder geschikt. Kleinere golflengtes betekenen namelijk ook kleinere antennes, dus je hebt er veel meer van nodig om een groot ontvangend oppervlak te maken. Voor de hoge frequenties tot 10 GHz worden daarom traditionele radiotelescopen geplaatst met diameters tussen de twaalf en vijftien meter.

In de buitenlucht

Voor de frequenties daartussenin, van circa 400 tot 1400 MHz, is het nog de vraag wat de beste aanpak is. Er zijn drie opties. De eerste is om ook dit frequentiegebied volledig af te handelen met aperture arrays. De tweede optie is een hybride aanpak: een aperture array als ontvanger in het brandpunt van een traditionele radiotelescoop. De laatste optie is om een extra of breedbandigere ontvanger in te bouwen in een traditionele radiotelescoop. Bij Astron doen we onderzoek naar de eerste twee benaderingen. Op dit moment is het niet duidelijk welk systeem het meest competitief zal kunnen zijn.

Het Embrace-project gebruikt vele kleine antennes voor de middenfrequenties. Het grijze gebouw is gebaseerd op polystyreen en is transparant voor radiogolven.

Bij de Lofar-aanpak voor deze frequentieband zijn er zo‘n dertig miljoen antennes nodig om de vereiste gevoeligheid te halen. Net zoals bij de Noord-Nederlandse telescoop moeten deze sensoren op een slimme manier met elkaar worden verbonden zodat de prijs per vierkante meter zo laag mogelijk is. Dit is zowel een elektronische als een mechanische uitdaging omdat de sensoren uiteraard in de buitenlucht moeten staan.

Te midden van de Westerbork-telescopen is daarvoor het Embrace-demonstratiesysteem (Electronic Multi-Beam Radio Astronomy Concept) gebouwd, met een meetbereik tussen de 500 en 1500 MHz. Hiermee onderzoeken we de volgende stappen op dit gebied wat betreft productiekosten, elektrisch vermogen en systeemruis. Ook dit systeem is gedeeltelijk gefinancierd door het Samenwerkingsverband Noord-Nederland. Momenteel is er een oppervlak van 110 vierkante meter gerealiseerd via veertienduizend antenne-elementen, waarmee we al een pulserende ster (pulsar) en de Melkweg hebben gemeten. Dit gebeurde simultaan met twee onafhankelijke bundels. In het Franse Nançay staat een vergelijkbaar maar kleiner demonstratiesysteem.

Een andere aanpak voor middenfrequenties is om een phased array te plaatsen in een traditionele telescoop. Binnen het Apertif-project zullen er twaalf Westerbork-telescopen worden omgebouwd met deze technologie.

De techniek waarbij een phased array in het brandpunt staat van een radiotelescoopspiegel heet ook wel focal plane array of phased array feed. Het voordeel is dat de telescoop de beschikking krijgt over een veel groter blikveld dan een telescoop met een traditionele ontvanger. Bovendien biedt deze techniek de mogelijkheid om beeldfouten van de spiegel te corrigeren. Dit principe is als eerste gedemonstreerd bij de telescoop van Westerbork: een wereldprimeur. In 2014 en 2015 zullen twaalf van de veertien telescopen worden uitgerust met deze systemen binnen het Apertif-project (Aperture Tile in Focus).

Exaschaal

Radioastronomie is vrij uniek in de zin dat het om extreem veel data gaat die realtime moeten worden verwerkt. Op de sensorsignalen moet de bundelvorming worden uitgevoerd en om de uiteindelijke gekalibreerde hemelkaart te krijgen, zijn er vele online en offline signaalbewerkingsstappen nodig. Systemen hiervoor zijn niet in de markt verkrijgbaar. Daarom ontwikkelt de radioastronomie ze doorgaans zelf.

Een voorbeeld is Uniboard, een Europees FP7-project geleid door Jive in Dwingeloo waarin Astron het signaalbewerkingsplatform heeft ontwikkeld en gebouwd. Dit systeem vormt de basis voor de bundelvormer en de centrale computer (correlator) voor Apertif, en is onderdeel van de technologieroadmap voor de SKA. Het bord verwerkt grote hoeveelheden data (160 Gb/s) en kan rond de twee biljoen multiply-and-accumulate-bewerkingen per seconde uitvoeren. In totaal worden er honderdtwintig van dit soort borden ingezet om alle signaalverwerking van Apertif uit te voeren.

Het Uniboard is ontwikkeld om signaalverwerking zoals filterbanken, bundelvormers en correlatoren te implementeren voor enorme hoeveelheden data. Dit bord is in staat om 160 Gb/s aan data te verwerken. De totale hoeveelheid processing op het bord is 2 GMac/s. Dit aantal kan worden verhoogd door meerdere Uniboards via een backplane te combineren.

De uitdagingen voor de SKA-telescoop liggen voor wat betreft de signaalbewerking op de exaschaal: 1018 bewerkingen per seconde. Om dit mogelijk te maken, is vorig jaar het Dome-project gestart, een samenwerking tussen Astron, het IBM-onderzoekslab in Zürich en IBL-NL, gesteund door de provincie Drenthe en het ministerie van ELI. Het mkb wordt erbij betrokken middels een gebruikersplatform. Dit project onderzoekt allerhande nieuwe technieken, variërend van 3D-chips, fotonische signaalwerwerking en slimme algoritmes tot microservers, accelerators en nieuwe dataopslagtechnieken.

Edited by Pieter Edelman