Το Σύστημα Συλλογής, Ελέγχου και Γρήγορης Επεξεργασίας Δεδομένων στην ξηρά

Transcript

1 8 Το Σύστημα Συλλογής, Ελέγχου και Γρήγορης Επεξεργασίας Δεδομένων στην ξηρά Εισαγωγή Στο εργαστήριο της ξηράς ένα σύστημα υπολογιστικών διατάξεων συγκροτεί το σύστημα συλλογής, ελέγχου, επεξεργασίας και αποθήκευσης των δεδομένων (DAQ) [130]. Στο Σχήμα 8.1 περιγράφεται σχηματικά η λειτουργία του. Αποτελείται από τέσσερα διαφορετικά υποσυστήματα: τον Διακομιστή (Server), το υποσύστημα ταχέως ελέγχου (Fast Monitor), το σύστημα αποθήκευσης των δεδομένων και το υποσύστημα ελέγχου της ποιότητας των δεδομένων. Σχήμα 8.1: Σχηματική αναπαράσταση του συστήματος συλλογής των δεδομένων στην ξηρά. Το κάθε μέλος του συστήματος των υπολογιστών που αποτελούν τη διάταξη συλλογής των δεδομένων συνδέεται σε ένα τοπικό δίκτυο (Local Area Network ή LAN) ταχύτητας 100Mbps. Όλοι οι υπολογιστές του συστήματος συγχρονίζονται ανά τακτά χρονικά διαστήματα, διαβάζοντας τον χρόνο από ένα Διακομιστή Χρόνου (Time Server) μέσω του τοπικού δικτύου. Η ακρίβεια συγχρονισμού μεταξύ των υπολογιστών του συστήματος είναι της τάξης των μερικών μs, ενώ ο Διακομιστής 135

2 Χρόνου με χρήση ενός GPS έχει ακρίβεια απόλυτου συγχρονισμού με τον Greenwich Mean Time (GMT) της τάξης του ενός μs. Τα υποσυστήματα που αναφέραμε προηγουμένως εκτελούν συμπληρωματικές εργασίες και στις επόμενες Παραγράφους περιγράφεται αναλυτικά η λειτουργία καθενός από αυτά. 8.1 Το σύστημα του διακομιστή Όπως αναφέρθηκε, το Shore Board 1 [126] (η μονάδα επικοινωνίας με τον ανιχνευτή), που παρίσταται σχηματικά στα Σχήματα 8.1 και 8.2, εδράζεται στον δίαυλο EISA (EISA bus) του κύριου διακομιστή του συστήματος υπολογιστών που χειρίζεται το σύστημα συλλογής των δεδομένων [130]. Το υποσύστημα του διακομιστή, μέσω του Shore Board, λαμβάνει τα πακέτα δεδομένων μέσω του ενός οπτικού δίαυλου (up-link) και στέλνει εντολές ελέγχου για τον καθορισμό των παραμέτρων λειτουργίας του ανιχνευτή μέσω του δεύτερου οπτικού δίαυλου (downlink). Σχήμα 8.2: Σχηματικό διάγραμμα της πλακέτας ξηράς, όπου φαίνονται τα κύρια χαρακτηριστικά της. Στο Σχήμα 8.2 παρουσιάζoνται σχηματικά τα λειτουργικά μέρη του Shore Board. Αποτελείται από μία λογική μονάδα PLD 2 (Programmable Logic Device), μια λογική μονάδα FPGA (Field Programmable Gate Array), μια μονάδα μνήμης FIFO (First In First Out) χωρητικότητας 26 πακέτων δεδομένων (26x5120 Bytes), καθώς και ένα ζεύγος δέκτη/πομπού. Ο πομπός (transmitter), μετά από μετατροπή του σήματος από παράλληλη σε σειριακή μορφοποίηση, τροφοδοτεί ένα Laser 3 το οποίο μετατρέπει το ηλεκτρικό σήμα σε οπτικό που στη συνέχεια μεταδίδεται κατά μήκος του ενός οπτικού διαύλου (down-link) στο άλλο άκρο του οποίου λαμβάνεται από το Floor 1 Το Shore Board σχεδιάστηκε στο LBNL (Lawrence Berkeley National Laboratory). 2 Η μονάδα αυτή λειτουργώντας ως ελεγκτής του διαύλου EISA του Shore Board, δημιουργεί τα απαραίτητα σήματα για την ρύθμιση της λειτουργίας της μονάδας FPGA. 3 Μοντέλο Hewlett Packard HDMP

3 Board. Αντίστοιχα, ο δέκτης (receiver) λαμβάνει το ηλεκτρικό σήμα από μια φωτοδίοδο 4, και στην συνέχεια μετατρέποντας το σήμα αυτό από σειριακή σε παράλληλη μορφοποίηση τροφοδοτεί την μονάδα μνήμης FIFO. Η μονάδα FPGA εκτελεί τις εξής λειτουργίες: 1. Στέλνει δεδομένα και σήματα ελέγχου στον πομπό, 2. Στέλνει σήματα ελέγχου στον δέκτη και στην μονάδα μνήμης FIFO, 3. Παρακολουθεί την κατάσταση της FIFO, 4. Διαβάζει την FIFO και στέλνει τα δεδομένα στην κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU) του διακομιστή. Η λειτουργία του υποσυστήματος του διακομιστή ελέγχεται από ένα πακέτο λογισμικού αναπτυγμένο σε C++ (Microsoft Visual Studio) το οποίο αρχικά αναπτύχθηκε από την τεχνική ομάδα του LBNL (Lawrence Berkeley National Laboratory), η οποία σχεδίασε και κατασκεύασε το Shore Board, και στην συνέχεια τροποποιήθηκε από τους μηχανικούς του Ινστιτούτου ΝΕΣΤΩΡ και από τα μέλη της Επιστημονικής Ομάδας του ΕΑΠ, έτσι ώστε να ικανοποιεί τις ανάγκες λειτουργίας του ανιχνευτή [130]. Στο Σχήμα 8.3 παρουσιάζεται ένα στιγμιότυπο από το πρόγραμμα λογισμικού που εκτελεί ο διακομιστής κατά την λειτουργία του ανιχνευτή. Σχήμα 8.3: Στιγμιότυπο από το πρόγραμμα λογισμικού το οποίο ελέγχει την λειτουργία του ανιχνευτή μέσω του Shore Board. 4 Μοντέλο Hewlett Packard HDMP

4 Το πρόγραμμα λογισμικού έχει την δυνατότητα πλήρους ελέγχου των λειτουργιών του ανιχνευτή, μέσω της επικοινωνίας του με την λογική μονάδα FPGA του Shore Board. Οι παράμετροι λειτουργίας του ανιχνευτή που ρυθμίζονται είναι [130]: 1. Η υψηλή τάση των φωτοπολλαπλασιαστών η οποία ρυθμίζεται μετά από επιλεκτική ενεργοποίηση τους. Η ρύθμιση της υψηλής τάσης επιτυγχάνεται μέσω του τροφοδοτικού ισχύος το οποίο είναι στεγασμένο μέσα στο Οπτικό Στοιχείο (βλέπε την περιγραφή του Οπτικού Στοιχείου και του House Keeping Board στις Παραγράφους 3.3 και 4.1, αντίστοιχα). Υπάρχει, επίσης, η δυνατότητα επιλεκτικής απενεργοποίησης κάποιων από τους φωτοπολλαπλασιαστές σε περίπτωση που υποστούν βλάβη ή όταν οι πειραματικές συνθήκες το απαιτούν. 2. Οι παράμετροι και κριτήρια της λογικής του σκανδαλισμού. 3. Ο Prescaler (βλέπε Παράγραφο 7.2.1). 4. Το εύρος του χρονικού παράθυρου σύμπτωσης. 5. Το κατώφλι τάσης για κάθε φωτοπολλαπλασιαστή. 6. Ενεργοποίηση και παράμετροι λειτουργίας της γεννήτριας ηλεκτρικών παλμών του Floor Board (βλέπε Παράγραφο 7.2.3). Οι παράμετροι λειτουργίας αφορούν το ύψος των ηλεκτρικών παλμών, την συχνότητα εκπομπής τους και την διάρκεια ηλεκτρονικής βαθμονόμησης. 7. Ενεργοποίηση και παράμετροι λειτουργίας του συστήματος βαθμονόμησης των μονάδων εκπομπής φωτεινών παλμών (βλέπε Παράγραφο 11.1 όπου περιγράφεται το LED σύστημα βαθμονόμησης). Υπάρχει η δυνατότητα ρύθμισης της έντασης των φωτεινών παλμών, της συχνότητας εκπομπής τους και της διάρκειας βαθμονόμησης. 8. Επιλογή της συχνότητας δειγματοληψίας των ATWD. Εκτός από τις προαναφερθείσες παραμέτρους λειτουργίας του ανιχνευτή, υπάρχει και η δυνατότητα εσωτερικής βαθμονόμησης του συστήματος συλλογής των δεδομένων της ξηράς. Κατά την εκτέλεση αυτής της λειτουργίας βαθμονόμησης, ο διακομιστής, μέσω του Shore Board, στέλνει προ-αποθηκευμένα πακέτα δεδομένων στον ένα οπτικό δίαυλο (down-link) και τα λαμβάνει από τον άλλο οπτικό δίαυλο (up-link). Με αυτό τον τρόπο είναι δυνατός ο έλεγχος της απόδοσης του συστήματος συλλογής των δεδομένων της ξηράς ανεξάρτητα από την λειτουργία του συστήματος συλλογής των δεδομένων στην θάλασσα. 138

5 Πίνακας 8.1: Μορφοποίηση των αρχείων των πακέτων δεδομένων τα οποία κατασκευάζει ο διακομιστής του συστήματος συλλογής δεδομένων. Χρόνος δημιουργίας του αρχείου (Server CPU Time) (seconds) Παράμετροι ελέγχου (mv) της υψηλής τάσης των φωτοπολλαπλασιαστών Πλειονότητα λογικής σκανδαλισμού Prescaler Εύρος χρονικού παράθυρου σύμπτωσης (nsec) Κατώφλι τάσης φωτοπολλαπλασιαστών (mv) Πακέτο Γεγονότος 1 Πακέτο Γεγονότος 1 από Floor Board Αύξων αριθμός γεγονότος που λήφθηκε από το διακομιστή, από την αρχή λειτουργίας του συστήματος συλλογής των δεδομένων 5 Πακέτο Γεγονότος 2... Πακέτο Γεγονότος 2613 Τρόπος λειτουργίας 6 Ύψος παλμού (V) τροφοδοσίας του συστήματος βαθμονόμησης εκπομπής φωτεινών παλμών Συχνότητα εκπομπής φωτεινών παλμών του συστήματος βαθμονόμησης Αριθμός φωτεινών παλμών που εκπέμφθηκαν από το σύστημα βαθμονόμησης 4 Bytes 12x2 Bytes 2 Bytes 2 Bytes 2 Bytes 12x2 Bytes 5120 Bytes 4 Bytes 2 Bytes 2 Bytes 4 Bytes 2 Bytes Το σύστημα του διακομιστή μετά από ένα γρήγορο έλεγχο της δομής των πακέτων δεδομένων που λαμβάνει από το Floor Board (βλέπε Παράρτημα A στο 5 Είναι ο αύξων αριθμός (software event counter) του γεγονότος που λήφθηκε από το σύστημα συλλογής των δεδομένων στην ξηρά, με την καταμέτρηση να αρχίζει την στιγμή που ο ανιχνευτής τέθηκε σε λειτουργία. Ένας παρόμοιος μετρητής (hardware event counter) υπάρχει και στο σύστημα συλλογής των δεδομένων στην θάλασσα (βλέπε Παράγραφο ) η τιμή του οποίου κωδικοποιείται σε κάθε πακέτο δεδομένων που στέλνεται από το Floor Board. Με σύγκριση των δύο μετρητών μπορούμε ανά πάσα στιγμή να γνωρίζουμε τον αριθμό των γεγονότων που χάθηκαν κατά την μετάδοση τους από το σύστημα συλλογής των δεδομένων της θάλασσας στην ξηρά (βλέπε Παράγραφο 10.1 στην επεξεργασία σήματος). 6 Είναι δείκτης ο οποίος παίρνει τέσσερις διαφορετικές τιμές ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας του ανιχνευτή κατά τη διάρκεια συλλογής του πακέτου δεδομένων. Οι διαφορετικοί τρόποι λειτουργίας είναι: λειτουργία με ενεργοποίηση του πρώτου συστήματος βαθμονόμησης εκπομπής φωτεινών παλμών, λειτουργία με ενεργοποίηση του δεύτερου συστήματος, λειτουργία με ενεργοποίηση της γεννήτριας ηλεκτρονικών παλμών του Floor Board και κανονική λειτουργία του ανιχνευτή. 139

6 οποίο περιγράφεται το πρωτόκολλο κωδικοποίησης των δεδομένων), κατασκευάζει αρχεία γεγονότων [130]. Στα αρχεία αυτά συμπεριλαμβάνεται ένας μεγάλος αριθμός (2613) από πακέτα γεγονότων, όπως αυτά έρχονται από το Floor Board, καθώς επίσης και ορισμένες κρίσιμες λειτουργικές παράμετροι του ανιχνευτή και του συστήματος συλλογής των δεδομένων. Στον Πίνακα 8.1 παρουσιάζεται η μορφοποίηση των αρχείων αυτών. Με την καταγραφή πληροφοριών σχετικές με την ρύθμιση των λειτουργικών παραμέτρων του ανιχνευτή στα αρχεία των δεδομένων που κατασκευάζει το σύστημα του διακομιστή, μας δίνεται η δυνατότητα κατά την ανάλυση των δεδομένων να γνωρίζουμε τις συνθήκες λειτουργίας του ανιχνευτή κατά τη διάρκεια συλλογής τους. Επιπλέον το υποσύστημα του διακομιστή κατασκευάζει και ενημερώνει μια βάση δεδομένων (ηλεκτρονικό ημερολόγιο), η οποία περιλαμβάνει λεπτομερή πληροφορία για την κατάσταση του DAQ, καθώς επίσης και μια σύνοψη των πειραματικών παραμέτρων που αντιστοιχεί σε κάθε αρχείο δεδομένων. Τα αρχεία των δεδομένων αποθηκεύονται τοπικά στον σκληρό δίσκου του διακομιστή με ονομασία η οποία χαρακτηρίζεται από δύο ακέραιους αριθμούς. Ο πρώτος αριθμός είναι ένας αύξων αριθμός (Run Number) ο οποίος αλλάζει όταν κάποια από τις παραμέτρους λειτουργίας του ανιχνευτή μεταβληθεί και χαρακτηρίζει μια περίοδο λειτουργίας του ανιχνευτή υπό σταθερές πειραματικές συνθήκες, ενώ ο δεύτερος αριθμός είναι ο αύξων αριθμός του αρχείου δεδομένων που δημιουργείται κατά την διάρκεια της συγκεκριμένης περιόδου λειτουργίας. Παράλληλα, το σύστημα του διακομιστή παρέχει μικρότερα αρχεία με δείγματα γεγονότων στο υποσύστημα ταχέως ελέγχου του οποίου η λειτουργία περιγράφεται λεπτομερώς σε επόμενη Παράγραφο. Αυτά τα αρχεία είναι ομάδες από δεκατρία διαδοχικά γεγονότα διαλεγμένα χρονικώς ομοιόμορφα από τη ροή των δεδομένων. Η περίοδος αυτής της επιλογής δειγμάτων γεγονότων μπορεί να ρυθμιστεί σύμφωνα με τις ανάγκες λειτουργίας του ανιχνευτή. Μια τυπική περίοδο επιλογής δειγμάτων, όταν το πείραμα λειτουργεί με συχνότητα σκανδαλισμού περίπου 4Hz, είναι της τάξης των 10sec. 8.2 Το υποσύστημα καταγραφής των δεδομένων Το υποσύστημα καταγραφής των δεδομένων αποτελείται από έναν υπολογιστή με μεγάλο αποθηκευτικό χώρο (σκληροί δίσκοι σε δίαυλο SCSI) και δυνατότητα εγγραφής σε CD-ROMs, ο οποίος διευθύνει την καταγραφή των αρχείων των 140

7 πειραματικών δεδομένων που κατασκευάζει το υποσύστημα του διακομιστή [130]. Το υποσύστημα καταγραφής των δεδομένων αντιγράφει, μέσω του τοπικού δικτύου, τα αρχεία των πειραματικών δεδομένων από το υποσύστημα του διακομιστή στους σκληρούς του δίσκους. Στην συνέχεια τα αρχεία αυτά εγγράφονται σε CD-ROMs μετά από εντολή του χρήστη ή όταν ο ελεύθερος αποθηκευτικός χώρος μειώνεται κάτω από συγκεκριμένο όριο ανοχής. Μαζί με τα αρχεία των πειραματικών δεδομένων, εγγράφεται στο ίδιο CD-ROM και το αντίστοιχο αρχείο από το ηλεκτρονικό ημερολόγιο που κατασκεύασε το υποσύστημα του διακομιστή κατά την διάρκεια συλλογής των δεδομένων. Μετά από έλεγχο της αρτιότητας και σωστής αντιγραφής των αρχείων των δεδομένων από το σύστημα του διακομιστή, το υποσύστημα καταγραφής των δεδομένων διαγράφει τα αρχεία αυτά από τον σκληρό δίσκο του διακομιστή. 8.3 Το σύστημα ταχέως ελέγχου και παρακολούθησης της λειτουργίας του ανιχνευτή Το σύστημα ταχέως ελέγχου και παρακολούθησης της λειτουργίας του ανιχνευτή (Fast Monitor) αποτελείται από τρεις υπολογιστές οι οποίοι επικοινωνούν με το σύστημα του διακομιστή, μέσω του τοπικού δικτύου, και λαμβάνουν αρχεία με δείγματα γεγονότων [131]. Όπως αναφέρθηκε, αυτά τα αρχεία είναι ομάδες από δεκατρία διαδοχικά γεγονότα διαλεγμένα χρονικώς ομοιόμορφα από τη ροή των δεδομένων. Το υποσύστημα ταχέως ελέγχου εκτελεί ένα αλληλεπιδρόν πακέτο λογισμικού, αναπτυγμένο σε περιβάλλον LabView και C++. Το λογισμικό εισόδου, γραμμένο σε C++, εκτελώντας γρήγορη επεξεργασία, αποκωδικοποιεί τα πακέτα των γεγονότων και παρέχει τις τιμές των περιβαλλοντικών και πειραματικών παραμέτρων σε ένα δεύτερο πρόγραμμα αναπτυγμένο σε LabView το οποίο παρέχει το γραφικό περιβάλλον για την παρουσίαση τους. Η παρουσίαση των παραμέτρων γίνεται είτε μέσω απλών δεικτών, είτε μέσω γραφικής τους αναπαράστασης σε πραγματικό χρόνο ή και μέσω ιστογραμμάτων, ενώ ο ρυθμός ανανέωσης των ενδείξεων των ελεγχόμενων παραμέτρων μπορεί να μεταβληθεί σύμφωνα με την επιλογή του χρήστη. Το υποσύστημα ταχέως ελέγχου καταγράφει το ιστορικό των πειραματικών και περιβαλλοντικών παραμέτρων σε ηλεκτρονικό ημερολόγιο και εκτυπώνει μετά από ζήτηση συνοπτικές αναφορές της κατάστασης του ανιχνευτή. Ένα δίκτυο από 141

8 συναγερμούς ειδοποίησης, το οποίο ελέγχεται από το σύστημα ταχέως ελέγχου, ενεργοποιείται όταν η τιμή κάποιας από τις κρίσιμες περιβαλλοντικές ή λειτουργικές παραμέτρους βρίσκεται εκτός προκαθορισμένων ορίων ανοχής. Με τη χρήση του συστήματος ταχέως ελέγχου οι περιβαλλοντικές συνθήκες του ανιχνευτή, που παρακολουθούνται και καταγράφονται συνεχώς από όργανα μέτρησης περιβαλλοντικών παραμέτρων που είναι τοποθετημένα εντός της σφαίρας τιτανίου, πάνω στα μπράτσα του αστεριού, καθώς επίσης και από όργανα τα οποία είναι προσαρμοσμένα πάνω στο σταθμό βυθού (πυραμίδα) συγκρίνονται με όρια ανοχής και μπορεί να ελέγχονται ανά πάσα στιγμή. Οι περιβαλλοντικές παράμετροι που ελέγχονται είναι [131]: Ο προσανατολισμός του αστεριού (μια πυξίδα και δύο κλισιόμετρα εντός της σφαίρας τιτανίου). Τιμές της θερμοκρασίας, υγρασίας και υδρομέτρησης οι οποίες μας παρέχονται από έξι θερμόμετρα (το ένα πάνω στο Floorboard και πέντε σε διάφορα σημεία εντός της σφαίρας τιτανίου), τρία υγρόμετρα και ένα υδρόμετρο το οποίο είναι τοποθετημένο στη βάση της σφαίρας τιτανίου. Τιμές της επιτάχυνσης της σφαίρας τιτανίου (τρία επιταχυνσιόμετρα που μετράνε την επιτάχυνση στη διεύθυνση τριών κάθετων αξόνων x-y-z). Η εξωτερική θερμοκρασία και πίεση (ένα θερμόμετρο και ένα πιεσόμετρο εκτός της σφαίρας τιτανίου τοποθετημένα πάνω στα μπράτσα του αστεριού). Από την ένδειξη της πίεσης υπολογίζεται το βάθος στο οποίο βρίσκεται ο ανιχνευτής σε μονάδες ισοδύναμων μέτρων νερού (meter water equivalent ή m.w.e). Η ταχύτητα των υποθαλάσσιων ρευμάτων η οποία μετράται από ρευματογράφο 7 προσαρμοσμένο πάνω στο σταθμό βυθού (πυραμίδα). Η εξωτερική πίεση η οποία μετράται από τον ρευματογράφο. Τιμές θερμοκρασίας, υγρασίας και υδρομέτρησης εντός του κιβωτίου σύνδεσης (Junction Box) του ηλεκτρο-οπτικού καλωδίου. 7 Ο ρευματογράφος που χρησιμοποιήθηκε δεν χρησιμοποιεί κινούμενα μέρη για την μέτρηση της ταχύτητας των υποθαλάσσιων ρευμάτων. Η μέτρηση της ταχύτητας του ρεύματος βασίζεται σε ένα ακριβή προσδιορισμό της διαφοράς στον χρόνο μετάβασης ενός υψίσυχνου ηχητικού σήματος που διαδίδεται κατά μήκος καθορισμένης διαδρομής στο νερό και ενός ηχητικού σήματος ίδιας συχνότητας το οποίο εκπέμπεται ταυτόχρονα στην αντίθετη κατεύθυνση κατά μήκος της ίδιας διαδρομής. Ο χρόνος μετάβασης ενός ηχητικού παλμού κατά μήκος μιας διαδρομής εξαρτάται από την συνιστώσα της ταχύτητας του θαλάσσιου ρεύματος παράλληλα στην διαδρομή αυτή. Με αυτόν τον τρόπο είναι δυνατή η μέτρηση των τριών συνιστωσών του υποθαλάσσιου ρεύματος κατά μήκος τριών κάθετων αξόνων. 142

9 Σχήμα 8.4: Ένα από τα παράθυρα του προγράμματος λογισμικού του συστήματος ταχέως ελέγχου, στο οποίο φαίνονται ορισμένες από τις περιβαλλοντικές παραμέτρους. Στο Σχήμα 8.4 βλέπουμε ένα στιγμιότυπο του προγράμματος λογισμικού του συστήματος παρακολούθησης των παραμέτρων του ανιχνευτή, στο οποίο παρουσιάζονται σε πραγματικό χρόνο οι ενδείξεις πέντε θερμομέτρων, τριών υγρόμετρων, ενός υδρόμετρου και της πυξίδας της σφαίρας τιτανίου. Υπάρχει επίσης ένας διακόπτης που εμφανίζει σε διαφορετικό παράθυρο της ενδείξεις των επιταχυνσιόμετρων. Δίπλα από τις ενδείξεις των υγρόμετρων και του υδρόμετρου υπάρχουν δείκτες συναγερμού ειδοποίησης που ενεργοποιούνται σε περίπτωση που αυξηθεί η υγρασία (ένδειξη εισροής ποσότητας νερού) ή και σε περίπτωση που το υδρόμετρο ανιχνεύσει νερό στην βάση του εσωτερικού της σφαίρας τιτανίου. Το σύστημα ταχέως ελέγχου έχει επίσης την δυνατότητα να παρουσιάζει γραφικώς τις περιβαλλοντικές και πειραματικές παραμέτρους είτε ως συνάρτηση του χρόνου, είτε ως ιστογράμματα. Κατά την διάρκεια της πόντισης και μέχρι να φτάσει ο ανιχνευτής στον βυθό, τα ηλεκτρονικά ήταν πλήρως λειτουργικά, οι φωτοπολλαπλασιαστές, όμως, ήταν απενεργοποιημένοι και τα περιβαλλοντικά δεδομένα συλλέχθηκαν μέσω της λειτουργίας του εξαναγκασμένου (ηλεκτρονικού) σκανδαλισμού (βλέπε προηγούμενη Παράγραφο). Στο Σχήμα 8.5 παρουσιάζονται μερικές από τις γραφικές απεικονίσεις κατά τη διάρκεια της διαδικασίας πόντισης του ανιχνευτή τον Απρίλιο του Σε αυτό το Σχήμα οι ενδείξεις των κλισιόμετρων (a), του πιεσόμετρου του αστεριού, 143

10 μετά από μετατροπή σε μονάδες ισοδύναμων μέτρων ύδατος (meters of water equivalent ή m.w.e.) (b), και τις πυξίδας (c) παρουσιάζονται σαν συνάρτηση του πραγματικού χρόνου. Παρομοίως στο Σχήμα 8.5d παρουσιάζεται η ένδειξη της θερμοκρασίας του Floor Board σαν συνάρτηση του πραγματικού χρόνου κατά τη διάρκεια της πόντισης. Σχήμα 8.5: Διαγράμματα από το υποσύστημα ταχέως ελέγχου που παρουσιάζουν τις ενδείξεις: των: a) κλισιόμετρων, b) του πιεσόμετρου, c) της πυξίδας και d) της θερμοκρασίας του Floor Board σα συνάρτηση του πραγματικού χρόνου κατά τη διάρκεια της πόντισης του Ταυτόχρονα με την παρακολούθηση των περιβαλλοντικών παραμέτρων, το σύστημα ταχέως ελέγχου έχει την δυνατότητα να παρακολουθεί και να καταγράφει μετρήσεις από περιβαλλοντικά όργανα τα οποία βρίσκονται πάνω στον σταθμό βυθού (πυραμίδα). Στο Σχήμα 8.6 παρουσιάζονται οι μετρήσεις των υποθαλάσσιων ρευμάτων σα συνάρτηση του χρόνου μετά από την πόντιση του ανιχνευτή όταν η πυραμίδα είχε φτάσει στον βυθό. Στο Σχήμα 8.6 παρατηρούμε μια μεταβολή των υποθαλάσσιων ρευμάτων λόγω παλιρροϊκών φαινομένων. 144

11 Σχήμα 8.6: Δεδομένα τα οποία μεταδόθηκαν από τον ρευματογράφο σε πραγματικό χρόνο μετά από την επιτυχή πόντιση του Απριλίου του Το πάνω διάγραμμα παριστάνει την κατακόρυφη συνιστώσα της ταχύτητας των υποβρύχιων ρευμάτων συναρτήσει του χρόνου, ενώ στο κάτω διάγραμμα φαίνεται το μέτρο της οριζόντιας συνιστώσας των υποβρύχιων ρευμάτων. Ο έλεγχος των περιβαλλοντικών παραμέτρων του ανιχνευτή υπήρξε καθοριστικός στην καθοδήγηση του πλοίου κατά την διαδικασία της πόντισης. Χρησιμοποιώντας την ένδειξη του πιεσόμετρου του ανιχνευτή ήταν δυνατός ο υπολογισμός του βάθους (Σχήμα 8.5b) στο οποίο βρισκόταν κάθε στιγμή της πόντισης και με αυτόν το τρόπο προβλέφθηκε με ακρίβεια η χρονική στιγμή που η πυραμίδα θα ακουμπούσε στον βυθό. Έτσι αποφεύχθηκε τυχόν βίαιη σύγκρουση του ανιχνευτή με τον βυθό. Επίσης με ανάγνωση των ενδείξεων της πυξίδας και των κλισιόμετρων του αστεριού 145

12 ελεγχόταν συνεχώς ο προσανατολισμός του αστεριού σε περίπτωση που έπρεπε να γίνουν διορθωτικές κινήσεις από την πλευρά του πλοίου πόντισης για αποφυγή πιθανών ατυχημάτων. Εκτός από τις περιβαλλοντικές παραμέτρους το σύστημα ταχέους ελέγχου παρακολουθεί και καταγράφει συνεχώς την κατάσταση του δικτύου κατανομής της ηλεκτρικής ισχύος, η οποία περιλαμβάνει: Την υψηλή τάση (300V) με την οποία τροφοδοτείται ο ανιχνευτής, μέσω του ηλεκτρο-οπτικού καλωδίου. Η υψηλή τάση ελέγχεται στην σφαίρα τιτανίου και στο κιβώτιο σύνδεσης του ηλεκτρο-οπτικού καλωδίου, Την συνεχής τάση τροφοδοσίας του Floor Board και του Housekeeping Board εντός της σφαίρας τιτανίου, Τις υψηλές τάσεις τροφοδοσίας των φωτοπολλαπλασιαστών. Επίσης, ελέγχονται και καταγράφονται διάφορες πειραματικές παράμετροι που αφορούν την απόδοση του ανιχνευτή και του συστήματος συλλογής και μετάδοσης των δεδομένων. Μερικές από τις παραμέτρους αυτές, οι οποίες μπορούν παρασταθούν είτε ως συνάρτηση του χρόνου είτε ως ιστογράμματα, είναι: Η συχνότητα απαρίθμησης των φωτοπολλαπλασιαστών και ο ρυθμός σκανδαλισμού των γεγονότων, Ο χρόνος που μεσολαβεί μεταξύ δύο διαδοχικών σκανδαλισμών, Οι συχνότητες καταμέτρησης λογικής πλειονότητας (majority logic) 8, Ο νεκρός χρόνος και ο αριθμός των αλλοιωμένων γεγονότων σε κάθε δείγμα γεγονότων. Το υποσύστημα ταχέως ελέγχου έχει επίσης την δυνατότητα να παρουσιάζει γραφικώς τα γεγονότα, δίνοντας έτσι την ευκαιρία για ένα γρήγορο έλεγχο των ψηφιοποιημένων κυματομορφών των φωτοπολλαπλασιαστών, κατά τη διάρκεια λειτουργίας του ανιχνευτή. Στο Σχήμα 8.7 παρουσιάζεται γραφικώς η απόκριση των δώδεκα φωτοπολλαπλασιαστών σε ένα καταιονισμό στην γειτονιά του ανιχνευτή, κατά τη διάρκεια λειτουργίας του στο εργαστήριο. 8 Μαζί με τις τιμές των λειτουργικών και περιβαλλοντικών παραμέτρων που αναφέραμε προηγουμένως, μέσα στο πακέτο δεδομένων το οποίο αντιστοιχεί σε ένα γεγονός, στέλνεται επίσης και ο αριθμός των διπλών, τριπλών και τετραπλών συμπτώσεων που έχουν συμβεί στον χρόνο που μεσολαβεί μεταξύ αυτού του γεγονότος και του προηγούμενου. Από τον αριθμό αυτόν μπορούμε να βρούμε τις συχνότητες απαρίθμησης για κάθε πλειονότητα, χρησιμοποιώντας τους χαρακτηριστικούς χρόνους (timestamps) των δύο γεγονότων. 146

13 Σχήμα 8.7: Απεικόνιση από το υποσύστημα ταχέως ελέγχου των ψηφιοποιημένων κυματομορφών των δώδεκα φωτοπολλαπλασιαστών ενός γεγονότος. 8.4 Το υποσύστημα ελέγχου της ποιότητας των δεδομένων Συμπληρώνοντας το υποσύστημα ταχέως ελέγχου, το υποσύστημα ελέγχου της ποιότητας των δεδομένων επιτελεί μια γρήγορη ανάλυση και ανακατασκευή του σήματος των φωτοπολλαπλασιαστών, για τα γεγονότα που περιέχονται σε κάθε αρχείο γεγονότων που έχει δημιουργηθεί από το υποσύστημα του διακομιστή κατά την διάρκεια συλλογής των δεδομένων. Με το σύστημα αυτό ελέγχεται η ποιότητα των πειραματικών δεδομένων και οι λειτουργίες που έχουν σχέση με τον σκανδαλισμό και επιλογή των δεδομένων [132]. 147

14 Το υποσύστημα ελέγχου της ποιότητας των δεδομένων αποτελείται από ένα υπολογιστή σε λειτουργικό περιβάλλον Linux, ο οποίος λαμβάνει αρχεία πειραματικών δεδομένων από το υποσύστημα αποθήκευσης των δεδομένων, μέσω του τοπικού δικτύου. Στο υποσύστημα αυτό εκτελείται ένα πλήθος προγραμμάτων αναπτυγμένο σε Fortran, Shell Scripting Language καθώς και PAW kumacs. Το υποσύστημα είναι πλήρως αυτοματοποιημένο. Ανά τακτά χρονικά διαστήματα συνδέεται με το υποσύστημα καταγραφής των δεδομένων, αντιγράφει τα πρόσφατα αρχεία και εκτελώντας λεπτομερή επεξεργασία του σήματος (όπως περιγράφεται στο Κεφάλαιο 10) των φωτοπολλαπλασιαστών, κατασκευάζει μια βάση δεδομένων ποιότητας και λειτουργικού ελέγχου. Η βάση δεδομένων αυτή (σε μορφή Ntuples) περιέχει όλες τις περιβαλλοντικές, λειτουργικές και πειραματικές παραμέτρους του ανιχνευτή κατά την διάρκεια λήψης των δεδομένων (οι οποίες έχουν ήδη αναφερθεί σε προηγούμενη Παράγραφο), καθώς και τα αποτελέσματα της ανάλυσης του σήματος των φωτοπολλαπλασιαστών. Η ανάλυση αυτή παρέχει σε πραγματικό χρόνο χρήσιμες πληροφορίες που αφορούν [132]: 1. Στην απόδοση των φωτοπολλαπλασιαστών και στη σταθερότητα της κατανομής ύψους παλμών (Σχήμα 8.13) κατά την διάρκεια λειτουργίας του ανιχνευτή υπό σταθερά κριτήρια επιλογής των γεγονότων. Στον ρυθμό καταμέτρησης των φωτοπολλαπλασιαστών (Σχήματα 8.9,8.10) καθώς επίσης και στην κατανομή του συνολικού αριθμού φωτοηλεκτρονίων που συλλέχθηκαν μέσα στο χρονικό παράθυρο σύμπτωσης του σκανδαλισμού. 2. Στην απόδοση της διαδικασίας σκανδαλισμού. Στον έλεγχο της διαμόρφωσης και του χρονισμού του σήματος 9 σκανδαλισμού. Στην χρονική σχέση του σήματος σκανδαλισμού με τους ψηφιοποιημένους παλμούς των φωτοπολλαπλασιαστών (βλέπε Κεφάλαιο 10). Στη σταθερότητα του ρυθμού σκανδαλισμού (βλέπε Σχήμα 8.11), καθώς επίσης και στον έλεγχο των ρυθμών καταμέτρησης διπλών και τριπλών συμπτώσεων (βλέπε Σχήμα 8.12, Παράγραφο και υποσημείωση 8). Στον έλεγχο της εξάρτησης του συνολικού αριθμού των συλλεγμένων φωτοηλεκτρονίων μέσα στο παράθυρο 9 Το σήμα σκανδαλισμού το οποίο διαμορφώνεται στο κύκλωμα σκανδαλισμού του Floor Board, ψηφιοποιείται και μεταδίδεται στην ξηρά στο ίδιο πακέτο γεγονότος μαζί με τις κυματομορφές των φωτοπολλαπλασιαστών (βλέπε Floor Board) 148

15 σκανδαλισμού 10 από το επίπεδο σύμπτωσης (βλέπε Σχήμα 12.5) και στην σταθερότητα των κατωφλίων τάσης των καναλιών των ATWD που λαμβάνουν το σήμα των φωτοπολλαπλασιαστών Στην απόδοση των ηλεκτρονικών λήψης και μετάδοσης των δεδομένων, με έλεγχο της δομής των πακέτων των δεδομένων, αναγνώριση των αλλοιωμένων 12 γεγονότων και υπολογισμού του αριθμού των χαμένων γεγονότων και του νεκρού χρόνου του ανιχνευτή (βλέπε Παράγραφο 10.1 και Σχήμα 8.8). Ο αριθμός των χαμένων πακέτων δεδομένων κατά την μετάδοση τους στην ξηρά εκτιμάται από την σύγκριση του αύξοντα αριθμού του γεγονότος που λήφθηκε στην ξηρά και του αύξοντα αριθμού του γεγονότος που μεταδόθηκε από την θάλασσα (βλέπε Παράγραφο 7.2.4). Παράλληλα ελέγχονται και οι χαρακτηριστικοί χρόνοι (timestamps) των γεγονότων με σκοπό την αναγνώριση τυχόν ασυνεχειών στην μετάδοση των δεδομένων, ένδειξη δυσλειτουργίας των ηλεκτρονικών της θάλασσας. 4. Στην απόδοση του συστήματος ψηφιοποίησης, η οποία ελέγχεται μέσω της σταθερότητας της απολαβής των καναλιών των ATWD και της περιόδου δειγματοληψίας των κυματομορφών. Η σταθερότητα της απολαβής των καναλιών των ATWD ελέγχεται με την χρήση του ηλεκτρονικού σκανδαλισμού όπως περιγράφεται στην Παράγραφο 7.2.3, ενώ η περίοδος δειγματοληψίας υπολογίζεται συνεχώς για κάθε γεγονός ενός πακέτου δεδομένων, όπως περιγράφεται στην διαδικασία επεξεργασίας το σήματος (Παράγραφο 10.3). Επίσης ελέγχεται και η σταθερότητα των pedestals για κάθε δείγμα των καναλιών των ATWD (βλέπε Κεφάλαιο 10). Η σταθερότητα πολλών από τις προαναφερθέντες παραμέτρους (π.χ. η συχνότητα καταμέτρησης των φωτοπολλαπλασιαστών και του σκανδαλισμού) προϋποθέτει ότι στην περιοχή του ανιχνευτή δεν συμβαίνουν φαινόμενα χρονικά εκτεταμένα (διάρκειας μεγαλύτερης από μερικά ms) στην διάρκεια των οποίων εκπέμπεται μεγάλος αριθμός φωτονίων ενεργοποιώντας τους φωτοπολλαπλασιαστές. Ένα τέτοιο φαινόμενο είναι η δράση της βιοφωταύγειας (βλέπε Παράγραφο 6.4.2), κατά την 10 Είναι το άθροισμα των υψών των παλμών των φωτοπολλαπλασιαστών (σε μονάδες της μέσης τιμής της κατανομής ύψους των παλμών που αντιστοιχούν στην εκπομπή ενός φωτοηλεκτρονίου από τη φωτοκάθοδο) που βρίσκονται εντός του παράθυρου σύμπτωσης. 11 Η σταθερότητα των κατωφλίων τάσης ελέγχεται έμμεσα με επιβεβαίωση της σταθερότητας των ρυθμών καταμέτρησης και των κατανομών ύψους παλμών των φωτοπολλαπλασιαστών. 12 Είναι γεγονότα που είτε δεν έχουν τα bit ελέγχου σωστά, είτε οι ψηφιοποιημένες κυματομορφές του περιοδικού σήματος (ρολόι) ή των φωτοπολλαπλασιαστών είναι παραμορφωμένες. 149

16 οποία έχουμε αύξηση του ρυθμού καταμέτρησης των φωτοπολλαπλασιαστών. Το υποσύστημα ελέγχου της ποιότητας των δεδομένων ανιχνεύει τις χρονικές περιόδους δράσης της βιοφωταύγειας χρησιμοποιώντας τον ρυθμό καταμέτρησης παλμών των φωτοπολλαπλασιαστών (βλέπε Παραγράφους και 10.1). Οι χρονικές περίοδοι απουσίας βιοφωταύγειας χρησιμοποιούνται στον έλεγχο της σταθερότητας των προαναφερθέντων λειτουργικών παραμέτρων του ανιχνευτή, ενώ οι χρονικές περίοδοι δράσης της βιοφωταύγειας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την μελέτη αυτού του φαινομένου (βλέπε Παράγραφο 6.4.2). Σχήμα 8.8: Το ποσοστό του πειραματικού χρόνου κατά τον οποίο υπήρχε δράση βιοφωταύγειας (a), το ποσοστό των αλλοιωμένων γεγονότων κατά την διάρκεια απουσίας βιοφωταύγειας (b), και το ποσοστό του νεκρού χρόνου λόγω κυρίως της δράσης βιοφωταύγειας (c) κατά την διάρκεια περίπου μιάμισης μέρας λειτουργίας του ανιχνευτή. Στο Σχήμα 8.8a παρουσιάζεται για μια περίοδο λειτουργίας του ανιχνευτή περίπου μιάμισης ημέρας το ποσοστό του χρόνου όπου υπήρχε δράση βιοφωταύγειας, ενώ στο Σχήμα 8.8b παρουσιάζεται το ποσοστό των αλλοιωμένων γεγονότων σε περιόδους απουσίας βιοφωταύγειας, τα οποία είτε έχουν λάθος τα bit ελέγχου είτε οι 150

17 κυματομορφές των περιοδικών σημάτων συγχρονισμού (ρολόι) και των φωτοπολλαπλασιαστών είναι παραμορφωμένες (βλέπε Παράγραφο 10.2). Ο συνολικός νεκρός χρόνος παίρνοντας υπόψη και τους δύο αυτούς παράγοντες παρουσιάζεται στο Σχήμα 8.8c και κυμαίνεται γύρω στο 1.3%. Σχήμα 8.9: Ο στιγμιαίος ρυθμός καταμέτρησης ενός φωτοπολλαπλασιαστή σαν συνάρτηση του πειραματικού χρόνου για μια περίοδο λειτουργίας περίπου δυο ημερών. Οι στιγμιαίοι ρυθμοί καταμέτρησης των φωτοπολλαπλασιαστών πρέπει να παραμένουν σταθεροί σε περιόδους απουσίας δράσης βιοφωταύγειας, κατά τη διάρκεια λειτουργίας του ανιχνευτή υπό σταθερές πειραματικές συνθήκες, προερχόμενοι κυρίως από το θόρυβο υποβάθρου του Κ 40. Το υποσύστημα ελέγχου της ποιότητας των δεδομένων ελέγχει την σταθερότητα των ρυθμών καταμέτρησης ως συνάρτηση του χρόνου, αλλά και συναρτήσει του επιπέδου σύμπτωσης, ελέγχοντας την ανεξαρτησία της διαδικασίας του σκανδαλισμού από συστηματικά προβλήματα. Στο Σχήμα 8.9 επιδεικνύεται η σταθερότητα του στιγμιαίου ρυθμού καταμέτρησης ενός φωτοπολλαπλασιαστή σαν συνάρτηση του χρόνου για μια περίοδο λειτουργίας περίπου δύο ημερών στην βαθιά θάλασσα. Στο Σχήμα 8.10 παρίστανται οι ρυθμοί καταμέτρησης έξι λυχνιών συναρτήσει του επιπέδου σύμπτωσης για δεδομένα τα οποία λήφθηκαν κατά την λειτουργία του ανιχνευτή στην βαθιά θάλασσα. 151

18 Σχήμα 8.10: Ο στιγμιαίος ρυθμός καταμέτρησης συναρτήσει του επιπέδου σύμπτωσης για τους φωτοπολλαπλασιαστές που κοιτάνε προς τα πάνω. Την ίδια συμπεριφορά παρουσιάζουν και οι φωτοπολλαπλασιαστές που κοιτούν προς τα κάτω. Στα Σχήματα 8.11 και 8.12 παρίστανται ο ρυθμός σκανδαλισμού του ανιχνευτή συναρτήσει του πειραματικού χρόνου για μια χρονική περίοδο περίπου δύο ημερών, καθώς και οι ρυθμοί καταμέτρησης διπλών (8.12α) και τριπλών (8.12β) συμπτώσεων μεταξύ των παλμών των φωτοπολλαπλασιαστών. 152

19 Σχήμα 8.11: Ο ρυθμός σκανδαλισμού σαν συνάρτηση του πειραματικού χρόνου για μια περίοδο λειτουργίας περίπου δυο ημερών. Σχήμα 8.12: Οι ρυθμοί πλειονότητας διπλών (α) και τριπλών (β) συμπτώσεων. 153

20 Ο θόρυβος υποβάθρου από το Κ 40 χρησιμοποιείται σαν ένα πρότυπο μέτρο σύγκρισης με σκοπό τον έλεγχο της σταθερότητας της απόδοσης του ανιχνευτή. Οι κατανομές ύψους παλμών των φωτοπολλαπλασιαστών υπολογίζονται σε πραγματικό χρόνο (για κάθε αρχείο δεδομένων) και συγκρίνονται με μια πρότυπη κατανομή καθορισμένη στην αρχή κάθε περιόδου λειτουργίας του ανιχνευτή. Καθ όλη την περίοδο λειτουργίας του ανιχνευτή βρέθηκαν εξαιρετικά σταθερές. Το Σχήμα 8.13 αποτελεί παράδειγμα τυπικής σύγκρισης και ελέγχου της σταθερότητας της κατανομής ύψους παλμών για ένα φωτοπολλαπλασιαστή κατά την διάρκεια συλλογής των δεδομένων. Είναι προφανής η συμφωνία των πειραματικών δεδομένων (σταυροί) με την κατανομή αναφοράς (ιστόγραμμα). Για κάθε αρχείο δεδομένων, η βάση δεδομένων που δημιουργείται, επιπλέον των ιστογραμμάτων (όπως αυτό του Σχήματος 8.13) περιέχει και την χ 2 πιθανότητα όπως προκύπτει από την σύγκριση των δεδομένων με το ιστόγραμμα αναφοράς. Σχήμα 8.13: Σύγκριση της κατανομή ύψους παλμών μιας λυχνίας σε ένα πακέτο γεγονότων (σταυροί) με την πρότυπη κατανομή που καθορίστηκε στην αρχή της περιόδου λειτουργίας του ανιχνευτή. Σε κάθε αρχείο δεδομένων ελέγχεται η κατανομή των χρονικών διαστημάτων που μεσολαβούν μεταξύ δύο διαδοχικών σκανδαλισμών. Εάν οι χρονισμοί των γεγονότων είναι τυχαίοι με συχνότητα εμφάνισης f, η κατανομή αυτή θα πρέπει να συμπίπτει με μια εκθετική κατανομή σταθεράς κλίσης -f [118]. Στα Σχήματα 8.14b και 8.14c φαίνεται μια τυπική κατανομή χρονικών διαστημάτων και η προσαρμογή της με μια 154

21 εκθετική συνάρτηση σε γραμμική και λογαριθμική κλίμακα αντίστοιχα. Η παράμετρος κλίσης της εκθετικής κατανομής είναι ίση με -3.55±0.08 η οποία συμφωνεί με την μέση τιμή της συχνότητας σκανδαλισμού για την ίδια χρονική περίοδο συλλογής των δεδομένων η οποία είναι ίση με 3.50± 0.07 (Σχήμα 8.14a). Σχήμα 8.14: Παρουσίαση της σταθερότητας της συχνότητας σκανδαλισμού κατά τη διάρκεια λειτουργίας του ανιχνευτή υπό σταθερές συνθήκες (a). Στα σχήματα (b,c) παρουσιάζεται η κατανομή των χρονικών διαφορών μεταξύ διαδοχικών γεγονότων σε γραμμική και λογαριθμική κλίμακα αντίστοιχα, καθώς και η προσαρμογή της με εκθετική συνάρτηση. Το υποσύστημα ελέγχου της ποιότητας των δεδομένων παρέχει, επίσης, και τη δυνατότητα γραφικής παρουσίασης των κυματομορφών των φωτοπολλαπλασιαστών, καθώς και μιας γρήγορης ανακατασκευής των τροχιών, υπό τη προϋπόθεση ότι τα δεδομένα αντιστοιχούν σε μιόνια που περνούν δια μέσου του ενεργού όγκου του ανιχνευτή. 155

22 156