引力波数据分析

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1、第34卷　第1期天文学进展Vol.34,No.12016年2月PROGRESSINASTRONOMYFeb.,2016doi:10.3969/j.issn.1000-8349.2016.01.01引引引力力力波波波数数数据据据分分分析析析王小鸽1，ERICLebigot1，都志辉1，曹军威1，王运永2，张帆2，蔡永志2，李木子2，朱宗宏2，钱进3，殷聪3，王建波3，赵文4，张扬4，DAVIDBlair5，JULi5，ZHAOChun-Nong5，WENLin-Qing5(1.清华大学，北京100084；2.北京师范大

2、学天文系，北京100875；3.中国计量科学研究院，北京100013；4.中国科学技术大学，合肥230026；5.UniversityofWesternAustralia,WA6009,Australia)摘要：以引力波探测为基础的引力波天文学是一门正在崛起的新兴交叉学科，它是继以电磁辐射为探测手段的传统天文学之后，人类观测宇宙的一个新窗口，对研究宇宙的起源和演化，拓展天文学的研究领域都有极其重要的意义。激光干涉引力波探测器的出现，更开辟了引力波探测的新纪元。引力波数据处理与分析已在世界各地迅速发展起来，为引力波天文

3、学的研究提供了锐利的武器。文中系统地介绍了引力波数据分析中常用的工具软件，详细讨论了时间－频率分析、复2合分析法、脉冲星计时分析法、匹配过滤器、模板、Â检验、蒙特卡罗模拟等引力波数据分析中使用的基本方法。关键词：引力波；激光；干涉仪；数据分析中中中图图图分分分类类类号号号：：：P159.3文文文献献献标标标识识识码码码：：：A1引言[1,2]引力波是广义相对论最重要的预言，引力波探测是当代物理学重要的前沿领域之一。[3,4]以引力波探测为基础的引力波天文学是一门新兴的交叉学科，由于引力辐射独特的物理机制和特性，使得引

4、力波天文学研究范围更广、更全面。它以全新的手段和理念探寻宇宙中未知的质量体系，提供其他天文观测方法不可能获得的信息，加深人们对宇宙中天体结构的认识。继以电磁辐射(如可见光、红外线、紫外线、X射线、伽玛射线和射电)为探测手段的收稿日期：2015-08-25；修回日期：2015-10-08资助项目：北京师范大学科学研究基金；中央高校基础研究基金；国家自然科学基金(11373014，11073005)；中国科学院战略先导项目(XDB09000000)；973项目(2012CB821804，2014CB845806)通讯作者

5、：王运永，wangyunyong@bnu.edu.cn2天文学进展34卷传统天文学之后，引力波探测成为人类观测宇宙的一个新窗口。它对研究宇宙的起源和演化，拓展天文学的研究领域都有极其重要的意义。由于引力波信号非常弱，引力波天文学研究不但需要高灵敏度、宽频带的探测器，以及高超的探测技术，也需要科学的数据处理和分析方法。当前，引力波探测器的主流设备

6、

7、激光干涉仪引力波探测器已在世界各地蓬勃发展起来，以AdvancedLIGO,AdvancedVirgo,KAGRA和GEO-HF为代表的第二代激光干涉仪引力波探测器正处于紧

8、张的安装调试阶段，不久即可投入运转，获取数据。与此同时，引力波数据处理、分析方法及相应的通用软件的研发也与第二代干涉仪的建造同步进行，并取得了巨大进展。不同特色、不同研究方向、不同研究课题的专用和通用软硬件也在世界各大实验室迅速建立起来，为引力波探测和引力波天文学的研究打下了坚实的基础。2数据分析通用工具为了更好地进行数据分析，物理学家需要建立大量通用的软件系统。如工具软件﹑模拟计算软件﹑存放刻度常数修正参数和探测器参数的数据库﹑管理和控制作业进度的软件系统﹑事例筛选和重建系统﹑针对专门研究领域的分析流水线等。在做数

9、据分析之前，必须对它们的功能﹑格式﹑内容﹑操作方法等进行深入透彻的学习和理解，才能得心应手，达到事半功倍的效果。一般来说，每个实验室都有自己的一整套完善的软件体系，其中每个程序包都含有百万行以上的源程序。这些程序需要专门的人员认真编写﹑维护﹑改进和升级。以LIGO为例，它有三个专门小组，负责所有软件工作，它们是：(1)LIGO数据分析系统LDAS(LIGODataAnalysisSystem)组；(2)模型化和模拟计算(ModelingandSimulation)组；(3)通用计算(GeneralComputing)

10、组。各大实验室的软件系统都是数十年来几代人辛勤劳动的结晶，在国际上有很大的通用性，可以互相借鉴和移植。2.1数据获取硬件系统激光干涉仪是引力波探测器的主要部分，是光学仪器。数据获取首先要把光信号抽取出来，转换成电信号并进行数字化。这个获取数字信号的过程包括的硬件设备有：光路、光电转换器件、读出电子学(readoutelectronics)和在线