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随着Higgs粒子的发现,大型强子对撞机(LHC)上的两大通用探测器ATLAS和CMS实现了它们的设计目标,为了精确测量Higgs粒子属性和探索新物理,物理学家提出HL-LHC升级计划。该计划对瞬时亮度的要求高达5 × 1034 cm-2s-1,每25 ns对撞周期产生140个堆积事例(PU),强辐照和高堆积数对CMS探测器提出了严峻挑战。CMS计划在LS3(2023-2025)期间进行Phase-2升级,为即将到来的HL-LHC做准备。CMS Phase-2计划在L1触发系统中增加外层径迹探测器信息,用以将40 MHz对撞频率下产生的海量数据压缩至750kHz的物理事例率,总延迟为12.5μs,其中径迹触发延迟预算为5μs,可见径迹触发对寻迹算法的实时性要求很高。Retina算法是从人眼识别直线的视觉机制中抽象出的快速径迹映射和匹配寻迹方法。作为CMS Phase-2 L1径迹触发的预研,本文首次将Retina算法应用于CMS外层径迹探测器,并基于FPGA设计了 Retina算法快速寻迹器,实现磁场中带电粒子的径迹寻找。旨在探索高度并行的Retina算法应用于CMS实验L1径迹触发的可行性,并对寻迹系统规模提供指导和评估。本文的具体研究内容和创新点如下:1.提出并实现了浮点和定点融合、定点和查表融合的两种Retina核心算法实现方案,比较了两者的硬件资源及时间开销和分辨率,找到了理想探测器Retina算法FPGA实现的优化方案。理想径迹探测器是由8层垂直于z轴平面构成的无磁场探测器模型,其x、y方向分辨率均为15μm。Retina参数空间设计为44944个单元,粒度为350μm。在单板KC705上实现了浮点和定点融合、定点和查表融合两种Retina核心算法方案,它们在x、y方向上分辨率均可达99μm。但定点和查表融合方案较浮点和定点融合方案减少了 4倍的资源开销和2倍的时间开销,因而更具有优势。2.提出了磁场中CMS外层径迹探测器Pre-judge寻迹方法并设计实现了 Retina寻迹器,利用单粒子事件验证了该寻迹器的有效性和实时性。Pre-judge寻迹方法能使Retina寻迹器将物理事件动态定位到参数空间中感兴趣的区域,避免了遍历参数空间,使得计算开销减少了 16倍,提高了算法实时性,并能满足触发延迟预算。针对探测器一个子扇区,基于KC705实现了 Retina寻迹器并进行了单粒子事件测试,结果显示该寻迹器能够满足触发延迟要求,对于22 GeV/c的带电粒子,Φ0分辨率大约在0.52 crad到0.55 crad之间,寻迹效率可达96.08%,纯度可达 97.59%。Retina寻迹器实现了 CMS外层径迹探测器快速径迹搜寻,具有较好的寻迹分辨率、纯度和效率。因此,基于本论文的Retina FPGA实现方法可被用于CMS Phase-2 L1快速径迹触发。