German Title: Algorithmen für abbildende atmospärische Cherenkov-Teleskope

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Abstract

Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs) are complex instruments for ground-based γ-ray astronomy and require sophisticated software for the handling of the measured data. In part one of this work, a modular and efficient software framework is presented that allows to run the complete chain from reading the raw data from the telescopes, over calibration, background reduction and reconstruction, to the sky maps. Several new methods and fast algorithms have been developed and are presented. Furthermore, it was found that the currently used file formats in IACT experiments are not optimal in terms of flexibility and I/O speed. Therefore, in part two a new file format was developed, which allows to store the camera and subsystem data in all its complexity. It offers fast lossy and lossless compression optimized for the high data rates of IACT experiments. Since many other scientific experiments also struggle with enormous data rates, the compression algorithm was further optimized and generalized, and is now able to efficiently compress the data of other experiments as well. Finally, for those who prefer to store their data as ASCII text, a fast I/O scheme is presented, including the necessary compression and conversion routines. Although the second part of this thesis is very technical, it might still be interesting for scientists designing an experiment with high data rates.

Translation of abstract (German)

Abbildende atmospärische Cherenkov-Teleskope (IACTs) sind komplexe Instrumente für die bodengebundene γ-Strahlenastronomie und erfordern eine anspruchsvolle Software für die Verarbeitung der Messdaten. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein modulares und effizientes Software-Framework vorgestellt, das es erlaubt, die komplette Kette vom Einlesen der Rohdaten der Teleskope, über Kalibration, Hintergrundreduktion und Rekonstruktion, bis hin zu den Skymaps. Mehrere neue Methoden und schnelle Algorithmen wurden entwickelt und werden vorgestellt. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die derzeit in den IACT-Experimenten verwendeten Dateiformate in Bezug auf Flexibilität und I/O-Geschwindigkeit nicht optimal sind. Daher wurde im zweiten Teil ein neues Dateiformat entwickelt, das es erlaubt, die Kamera- und Subsystemdaten in ihrer ganzen Komplexität zu speichern. Es bietet eine schnelle verlustbehaftete und verlustfreie Kompression, die für die hohen Datenraten der IACT-Experimente optimiert ist. Da auch viele andere wissenschaftliche Experimente mit enormen Datenraten zu kämpfen haben, wurde der Kompressionsalgorithmus weiter optimiert und verallgemeinert, und ist nun in der Lage, auch die Daten anderer Experimente effizient zu komprimieren. Schließlich wird für diejenigen, die es vorziehen, ihre Daten als ASCII-Text zu speichern, ein schnelles I/O-Schema vorgestellt, einschließlich der notwendigen Kompressions- und Konvertierungsroutinen. Obwohl der zweite Teil dieser Arbeit sehr technisch ist, könnte er dennoch für Wissenschaftler interessant sein, die ein Experiment mit hohen Datenraten planen.