Omicron：引力波探测器噪声分析工具

∼软件X 12（2020）100620原始软件出版物Omicron：描述引力波探测器中瞬态噪声的工具Florent Robineta，Nacional，Nicolas Arnauda，Nicolas Leroya，Andrew Lundgrenb，邓肯·麦克劳德c，杰西卡·麦基弗daUniversité Paris-Saclay，CNRS/IN2P3，IJCLab，91405 Orsay，Franceb宇宙学引力研究所，朴茨茅斯大学，朴茨茅斯PO1 3FX，英国cCardiff University，Cardiff CF24 3AA，UKd不列颠哥伦比亚大学，温哥华V6T 1Z4，加拿大ar t i cl e i nf o文章历史记录：接收15三月2020收到修订版2020年9月15日接受2020年关键词：引力波瞬态噪声谱图a b st ra ctOmicron软件是一种工具，用于对来自LIGO、Virgo和KAGRA等引力波探测器的数据进行多分辨率时频分析。Omicron从白化数据流生成频谱图，提供瞬态探测器噪声和引力波事件的视觉表示。此外，这些事件可以通过优化的分辨率进行参数化。它们可以写入磁盘进行离线噪声特性和引力波事件验证研究。Omicron经过优化，可以并行处理由引力波探测器记录的数千个数据流。Omicron软件在审查引力波探测候选者和表征瞬态噪声方面发挥着重要作用。Crown版权所有©2020由Elsevier B.V.发布这是CC BY-NC-ND下的开放获取文章许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。代码元数据当前代码版本2.4.1用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX_2020_128Code Ocean compute capsuleGNU通用公共许可证GNU General Public License3.0使用git和gitlab的代码版本控制系统使用C++的软件代码语言、工具和服务编译 要求， 操作 环境依赖性CMake、GSL、FFTW、ROOT、HDF5如果可用，链接到开发人员文档/手册https://tds.virgo-gw.eu/ql/? c=10651技术支持电子邮件florent. ijclab.in2p3.fr1. 动机和意义2016年，LIGO [1]和Virgo [2]合作宣布首次探测到引力波[3]。LIGO干涉仪探测到的信号，标记为GW 150914，来自两个黑洞螺旋下降并合并成一个单一的最终黑洞的系统该事件持续时间非常短，200 ms，并且必须从非常大的人口中提取瞬态噪声事件，也称为毛刺，污染数据干涉探测器的原理。理解毛刺对于自信地宣称引力波候选者的天体物理性质至关重要。该噪声*通讯作者。电子邮件地址：robinet@lal.in2p3.fr（F. Robinet）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2020.100620调查工作依赖于对仪器及其环境的监测。为此，记录了数万个辅助数据流。它们包括来自金属传感器（热、声、地震、磁.）的数据，光电二极管、致动器、电子器件或反馈控制回路。这些辅助通道中的许多对引力波不敏感，并用于见证来自噪声源的干扰。更具体地说，瞬态事件必须在数千个辅助通道中搜索，以确定与检测器的输出数据的相关性，并了解导致毛刺的在这种情况下，Omicron算法实现了快速Q变换[4]，用于检测和表征来自引力波探测器[5，6]的数据中的瞬态事件。在2011年之前，在第一代LIGO和Virgo探测器[72352-7110/Crown版权所有©2020由Elsevier B. V.发布。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxF. Robinet，N.Arnaud，N.Leroy等人软件X 12（2020）1006202搜索瞬态引力波信号[10-另一种基于小波分解[16]的方法要快得多，但参数重建的精度较差。在此背景下，Omicron算法于2012年首次开发，并在多年来得到了大量改进出于性能原因，代码是用C++编写的，并存在于LIGO-Virgo git库中算法及其实现的详细描述可以在技术说明[18]中找到。2. 软件描述Omicron软件（参见代码元数据。）基于GWOLLUM [19]构建，GWOLLUM是一组用于执行Omicron处理的每个分析步骤的库GWOLLUM包依赖于几个外部库。FrameL [20]库用于对数据帧文件执行IO操作。1GWOLLUM函数通常使用GNU科学图书馆[21]中开发的数学例程使用FFTW [22]算法执行离散傅立叶变换。最后，GWOL-LUM和Omicron代码深深依赖于在CERN ROOT[23]框架中开发的C++类。例如，ROOT类用于绘图、事件存储或数据访问。为了构建Omicron并管理依赖关系，选择了CMake[24，25]配置工具。Omicron [18]旨在使用Q变换[4]搜索数据时间序列中的功率过剩。Q变换是标准短傅立叶变换的修改，其中分析窗口持续时间σt与频率成反比，2.1. 软件构架Omicron代码采用模块化方法设计，因此可以轻松添加新功能。创建C++对象是为了实现特定的分析任务，并由Omicron类中的主对象编排。这些物体可分为三类，如图1所示。输入数据由一个所谓的ffl对象管理，该对象用于读取帧文件并提取离散时间序列。首先使用各种信号分析滤波器和窗口调节时间序列。此外，还创建了一个SpectrumQ变换由一个名为Otile的类执行。此类管理称为Q平面的时间-频率平面的集合Q平面表示通过Omap对象，其可以被看作具有被成形为描述上面介绍的时间-频率平铺的仓的二维直方图2 图图2显示了两个Q平面，说明了由Omicron进行的多分辨率分析。根据测不准原理，当Q值减小时，时间分辨率增大（而频率分辨率减小）Q平面仓填充有利用等式（1）估计的图块信噪比（2）生成特征谱图。最后，由Omicron测量的功率过剩可以保存到磁盘。随着时间的推移，收集并聚类信噪比高于给定阈值的图块所产生的事件被称为触发器，并且被给定参数，例如时间、频率、Q和信噪比，由集群中具有最高信噪比的区块给出。瓦片和触发器由多个GWOLLUM类操作。 Tiles由Triggers类中的一个对象表示，Triggers类继承自ROOT TTree [27]类，用于管理Ntuples。触发器φ，并由品质因子Q参数化：σt=Q/8πφ。对象是由MakeTriggers类监督的，数据被投影到复值正弦高斯函数的基础上，提供信号x的最佳X （ τ ， φ ， Q ） =∞+∞x （ t ） w （ t−τ ， φ ， Q ） e−2 iπφt dt.（一个）变换系数X测量以时间τ和频率φ为中心的时间-频率区域（称为瓦片）内的平均信号幅度和相位参数空间（τ，φ，Q）按照[10]中开发的策略进行平铺，其中使用失配度量将平铺分布在立方晶格上以保证高检测效率。这种平铺技术提供了一种多分辨率在应用Q变换之前，将输入时间序列x（t）归一化（或白化）为xwh（t），使得对于纯平稳噪声，功率谱密度的期望值与频率无关并且等于2。该白化步骤提供了对Q变换的统计解释：得到的变换系数Xwh用于导出信噪比估计器，{<$$>Xwh（τ，φ，Q）<$2−2，如果<$Xwh（τ，φ，Q）<$2≥2签名以将图块连同辅助数据（如处理元数据和分析的时间段）一起保存到磁盘。2.2. 软件功能Omicron类为用户提供了许多方法来进行自己的Q变换分析。Omicron软件包还附带了一个开箱即用的用户程序，可以在命令行中运行：# 在一个 时间段内 运行 omicron 分析： omicron1234567890 1234568890。/ my_parameters.txt#在一个时间段列表上运行omicron分析：omicron。/ my_segments.txt./my_parameters.txt其中，Omicron分析在由两个GPS时间定义的单个时间段上执行，或者在文本文件（./ my_segments.txt）。分析参数列在文本文件（./ my_parameters.txt）。输入数据文件必须在另一个文本文件[20，28]中列出，其路径在参数文件中指定。一个重要的参数是Omicron分析要生成的输出产品列表。触发器可以保存到磁盘，如第2.1节所述。此外，图形ρ（τ，φ，Q）=0，否则。（二）可以生成图：频谱图（单个或组合的Q平面）、白化之前和之后的时间序列（包括音轨）、平均噪声频谱（白化之前和之后）和html报告。1 的帧格式是具体发达为干涉引力波探测器数据。2直方图由来自ROOT的TH2D [26]对象管理−∞F. Robinet，N.Arnaud，N.Leroy等人软件X 12（2020）1006203=-图1.一、奥 米 克隆级组织。详细描述见第2.1图二. 两个Q值的时频平面示例：Q 4（左）和Q 20（右）。每个Q平面沿着由水平黑线界定的频率行平铺（棕色和白色矩形）。(For对本图图例中所指颜色的解释，读者可参考本文的网络版。）3. 说明性实例图3中的上图显示了由LIGO-Hanford干涉仪检测到的GW150914的Omicron光谱图。信号的频率演化是典型的引力波产生的恒星黑洞的二元系统。不同的Q平面堆叠在一起并组合在一张照片中，这解释了为什么电源沉积物呈星形。在对信噪比进行阈值化之后，图块被保存在ROOT文件中。它们通常用于研究引力波探测器中的瞬态噪声。例如图 4、从2017年8月记录的Virgo数据生成的Omicron信号在时频平面上分布。该表示清楚地展示了定位在频率和/或时间上的毛刺族。该图通常被视为毛刺调查的起点[294. 影响Omicron软件是LIGO科学合作组织和Virgo合作组织用于研究和表征探测器中瞬态噪声的主要触发发生器[32]。它也被广泛用于审查引力波探测[33]。已经开发和部署了特定的应用程序[34]，以在 低 延 迟 的 情 况 下 对 数 千 个 LIGO 和 Virgo 通 道 进 行 连 续 的Omicron分析在记录探测器数据几秒钟后，触发器会保存到磁盘中，并可供第三方应用程序用于研究瞬态噪声。例如，算法[35，36]被开发用于系统地研究探测器的主引力波通道中测量的毛刺与辅助通道中检测到的触发之间的相关性这些分析通常识别见证噪声干扰的辅助通道，并导致更好地理解噪声耦合机制。由Omicron产生的触发器也可以被分类为通常由相同噪声产生的类别。小故障可以分为以下几类：使用Omicron估计的触发参数，例如频率或信噪比。例如，低频和高SNR触发器，低于30 Hz，在图1中可见。4是人类活动产生的地震噪音的结果实际上，它们与工作时间重合，并且在辅助地震道中，许多触发器在时间上重合基于多变量方法[37]或机器学习技术[38- 41 ]，还使用更先进的方法对Omicron检测到的毛刺进行这些瞬态噪声调查的结果可以导致数据质量标志的定义有了这些信息，在发现GW 150914之后，科学家花了几个月的时间来审查引力波候选者，并证明其天体物理起源[6]。Omicron软件在检查瞬态噪声相关的许多方面发挥了重要作用。围绕这一事件的数据被仔细审查，每一个小故障都被仔细检查。对辅助通道中的触发器进行了检查，并进行了统计研究，以消除辅助通道中GW150914与瞬态噪声之间的相关性。F. Robinet，N.Arnaud，N.Leroy等人软件X 12（2020）1006204图三. 上图：GW 150914前后LIGO-Hanford探测器数据的Omicron光谱图。白化的数据被投影在由恒定Q值表征的多个时间-频率平面中在此表示中，所有Q平面堆叠起来并合并为一个;具有最高信噪比的图块显示在顶部。下图：LIGO-Livingston探测器在GW 170817前后的数据的Omicron光谱图见图4。Omicron在2017年一周内的Virgo输出数据中检测到的毛刺的时频分布。毛刺信噪比（SNR）由色标表示。当检测器不在标称条件下运行时，Omicron处理中断（空白条带）。(For对本图图例中所指颜色的解释，读者可参考本文的网络版两年后，另一个重大事件GW170817被发现[42]。第一次，一个电磁对应物[43]与源相关联：中子星的双星系统在事件发生时，一个巨大的故障污染了其中一个LIGO探测器的数据。结果，通过在线搜索管道，无法在多个探测器中找到一致的在检测警报后不久，手动切除毛刺，并使用Omicron在频谱图中显示信号。拥有两个LIGO探测器的GW170817光谱图提供了一个更有说服力的元素，以指导决定向负责进行后续活动的天文学家发布事件[44]。图中的底部图。图3显示了GW170817的Omicron光谱图，使用的是减去毛刺的最终数据集。在第一次发现之后，审查引力波候选者的过程被自动化，以应对日益增长的探测率。当在线搜索管道识别出候选人时，会自动触发一系列数据质量测试。所有LIGO和Virgo通道的采样率超过1Hz（每个探测器O（1000））的Omicron分析被执行，以表征事件发生时的瞬态噪声：生成应变数据和辅助通道的频谱图，绘制触发分布，并进行与辅助通道的相关性分析。这些分析的结果可以由科学家进行审查，如果发现数据质量差5. 结论Omicron软件在表征与验证引力波事件相关的瞬态噪声方面占据中心地位。Omicron结合了高处理速度、高检测效率和高分辨率来重构瞬态噪声参数。来自LIGO、Virgo和KAGRA [45，46]探测器的数千个通道由Omicron连续处理。由此产生的触发因素为噪声调查提供了一个不可或缺的起点。多年来，Omi- cron在许多层面上为引力波社区提供服务：它有助于减轻探测器中的噪声问题，它被用来产生数据质量标志，提高搜索的灵敏度，并描述了引力波事件发生时的数据质量竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作致谢Andrew Lundgren由STFC，英国资助ST/N 000668/1支持DuncanMacleod由欧盟地平线2020框架计划资助，资助协议编号为663380-CU 073。本研究利用数据、软件和/或F. Robinet，N.Arnaud，N.Leroy等人软件X 12（2020）1006205从引力波开放科学中心（https://www.gw-openscience.org/）获得的网络工具，该中心是LIGO实验室、LIGO科学合作组织和Virgo Col.LIGO实验室和高级LIGO也由美国国家科学基金会（NSF）与英国科学技术设施委员会（STFC）、马克斯-普朗克学会（MPS）和德国下萨克森州合作，支持先进LIGO的建设以及GEO 600探测器的建设和运行。澳大利亚研究委员会为先进LIGO 提 供 了 额 外 的 支 持 Virgo 由 法 国 国 家 科 学 研 究 中 心（CNRS），意大利国家核物理研究所（INFN）和荷兰Nikhef通过欧洲引力观测站（EGO）资助，并由比利时，德国，希腊，匈牙利，爱尔兰，日本，摩纳哥，波兰，葡萄牙和西班牙的机构提供捐款。引用[1] Aasi J等人，LIGO科学合作先进的LIGO。经典量子引力2015;32：074001.http://dx.doi.org/10.1088/0264-9381/32/7/074001，arXiv：1411.4547。[2] Schloss T，et al.第二代引力波探测器-在：会议记录，第16届罗蒙诺索夫会议基本粒子物理学：粒子物理学在百年的布鲁诺Pontecorvo。2015年，第261- 270页。http://dx.doi.org/10.1142/9789814663618_0049。[3] Abbott BP等人，Virgo，LIGO合作观测来自双黑洞合并的引力波。PhysRevLett2016;116（6）：061102。http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102，arXiv：1602.03837。[4] 布 朗 JC。 常 数 Q谱 变 换的 计 算 。 J Acoust Soc Am 1991;89 （1 ） ： 425-34.http://dx.doi.org/10.1121/1.400476网站。[5] 根据早期工程运行结果提高先进LIGO的数据质量。经典量子引力2015;32（24）：245005. http://dx.doi.org/10.1088/0264-9381/32/24/245005，arXiv：1508.07316。[6] Abbott BP等人，Virgo，LIGO协作描述了Advanced LIGO中与引力波信号 GW 150914 相 关 的 经 典 量 子 引 力 2016;33 （ 13 ） ： 134001.http://dx.doi.org/10.1088/0264-9381/33/13/134001，arXiv：1602.03844。[7] Abbott BP等人，LIGO科学合作LIGO：激光干涉仪引力波天文台。Rep ProgrPhys 2009;72 ： 076901. http://dx.doi.org/10.1088/0034-4885/72/7/076901 ，arXiv：0711.3041。[8] Acernese F，et al. 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