СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ В СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЯХ

Полезная модель относится к радиоастрономической технике, а точнее, к цифровым системам регистрации космического радиоизлучения в спектральных линиях.
0
0
Современная система регистрации космического радиоизлучения в спектральных линиях обычно содержит радиоастрономическое приемное устройство (РПУ) с широкой полосой пропускания В, видеоконвертор, который перестраивается в полосе частот 0÷B, выделяет и преобразует исследуемый узкополосный сигнал к видеочастотам (ΔF≤32 МГц), и спектрометр с высокой разрешающей способностью по частоте. В радиоастрономии находят применение различные спектрометрические системы (фильтровые, акустооптические, автокорреляционные), но при исследованиях в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн наиболее точные результаты дает применение спектрометров, работающих по принципу быстрого преобразования Фурье (БПФ). К лучшим образцам относится система регистрации радиоизлучения в спектральных линиях, используемая на радиотелескопах РТ-32 (см. патент RU 64386 U1, МПК G01R 23/18, G01R 23/16, опубл. 27.06.2007, Бюл. №18). Спектрометр этой системы содержит аналоговый видеоконвертор, выделяющий сигнал с полосой ΔF, БПФ-вычислитель спектров мощности выделенного сигнала, который сформирован в программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС), и компьютер, который регистрирует спектр мощности исследуемого излучения. Амплитуды вычисляемого спектра калибруются с помощью шумовых импульсов (пилот-сигналов) с небольшой предварительно измеренной шумовой температурой, которые вводятся модулируемым генератором шума (ГШ) в широкополосный приемный канал (см. патент RU 2316775 С1, МПК G01R 23/18, опубл. 10.02.2008, Бюл. №4).
0
На небольших радиотелескопах нового поколения, например на РТ-13, применяются системы, в которых оцифровываются широкополосные сигналы промежуточных частот (ПЧ) с полосой В до 1 ГГц (см. патенты RU 101842 U1, МПК G01R 21/33, опубл. 27.01.2011, Бюл. №3, или RU 166692 U1, МПК H03D 7/00, G01R 31/28, G01R 23/16, Н04В 17/21, опубл. 10.12.2016, Бюл. №34, или RU 176177 U1, МПК H03D 7/00, опубл. 11.01.2018, Бюл. №2). В таких системах исследуемый сигнал с относительно узкой полосой ΔF выделяется из широкополосного (высокоскоростного) сигнала ПЧ цифровым устройством (см. патент RU 175721 U1, МПК H03D 7/00, опубл. 15.12.2017, Бюл. №35). Спектр мощности выделенного сигнала с относительно узкой полосой ΔF можно измерять с высокой разрешающей способностью узкополосным спектрометром, выполненным по предложенной в патенте RU 64386 U1 схеме.
0
По совокупности признаков наиболее близкой к заявляемой системе (прототипом) является предложенная в патенте RU 175721 U1 система, содержащая высокоскоростной аналого-цифровой преобразователь (АЦП), демультиплексор и собранное на ПЛИС устройство цифрового выделения узкополосного сигнала, а также узкополосный спектрометр сигналов видеочастот, выполненный по предложенной в патенте RU 64386 U1 схеме. Схема прототипа содержит последовательно соединенные широкополосный направленный ответвитель, соединенный боковым плечом с модулируемым ГШ, канал РПУ с широкой полосой пропускания В, высокоскоростной (широкополосный) АЦП, демультиплексор, цифровое устройство выделения узкополосного сигнала и спектрометр. Устройство выделения узкополосного сигнала выполнено на ПЛИС и содержит модуль полифазных фильтров (ПФФ) и цифровые видеоконверторы (ЦВК). Спектрометр составлен из сформированного в ПЛИС узкополосного вычислителя спектров мощности (ВСМ) и компьютера. Синхронизирующий выход узкополосного ВСМ через генератор меандра соединен с управляющим (модулирующим) входом ГШ.
n
si
si
si
n
Спектрометр, работающий в полосе видеочастот (ΔF≤32 МГц), вычисляет конвейерным способом (без потерь времени приема радиосигнала) спектры мощности сигнала в полосе анализа ΔF с разрешающей способностью w=ΔF/N, где N - число дискретных частот в вычисляемом спектре. Меандр, которым модулируется (включается/выключается) ГШ, синхронизирован с циклами вычисления спектров. На заданном временном интервале τ раздельно накапливаются и усредняются спектры, вычисленные для разных полупериодов модуляции ГШ. По полученным усредненным спектрам с учетом определенного заранее значения T температуры шумовых импульсов, вводимых в канал РПУ от ГШ, вычисляются амплитуды P компонентов спектра мощности и шумовые температуры T радиоизлучения, принятого на частотах ƒ (i=1, …, N - порядковый номер дискретной частоты). Формулы вычислений даны в патенте RU 2316775 С1. Номинальное значение T, используемое при вычислениях в качестве масштабирующего множителя, предварительно измеряется радиометром и является средним значением шумовой температуры импульсов пилот-сигнала в полосе пропускания приемного канала.
si
si
n
ni
si
0
0
ni
ni
n
Точность определения амплитуд P и T спектральных компонентов исследуемого сигнала прямо зависит от того, насколько точно номинальное значение шумовой температуры T соответствует истинному значению T этой температуры на частоте ƒ. Поэтому к ГШ предъявляются очень жесткие требования по стабильности и равномерности спектра мощности шумовых импульсов в широкой полосе частот В, которые очень трудно выполнить на практике. Широко применяемые ГШ на лавинно-пролетных диодах, например, обычно имеют неравномерность спектра мощности в полосе частот В ≈ 0,5÷1 ГГц в пределах 3÷4 дБ. Может влиять, хотя и в меньшей степени, и неравномерность коэффициента передачи широкополосного направленного ответвителя, используемого для подключения ГШ. Кроме того, значения T могут меняться из-за недостаточной стабильности мощности ГШ при изменениях температуры окружающей среды и напряжений (или токов) электропитания. Таким образом, температуры T вводимых в РПУ шумовых импульсов при наблюдениях сигналов на разных частотах могут существенно (до 2÷3 раз) отличаться от номинала T.
ni
n
Любые отклонения значений T от номинала T ведут к дополнительным ошибкам при измерениях амплитуд спектральных компонентов исследуемого радиоизлучения. Это ограничивает возможности исследования небольших нестационарностей радиоизлучения наблюдаемого источника. При регистрации радиоизлучения в двух ортогональных поляризациях волн (линейных или круговых) появляется дополнительная ошибка измерений из-за неодинаковых спектров мощности шумовых импульсов в двух два каналах РПУ, содержащих свои ГШ.
Целью заявляемой полезной модели является повышение точности измерения спектров мощности и шумовых температур принимаемого радиоизлучения, а также снижение требований к спектральным характеристикам используемого ГШ.
si
n
ni
si
ni
n
Эта цель достигается тем, что в системе регистрации, содержащей последовательно соединенные широкополосный направленный ответвитель, соединенный боковым плечом с модулируемым ГШ, широкополосное РПУ, высокоскоростной АЦП, демультиплексор, цифровое устройство выделения узкополосного сигнала, узкополосный вычислитель спектров мощности (ВСМ-У) и компьютер, а также генератор меандра, соединенный с тактирующим выходом вычислителя ВСМ-У и с модулирующим входом ГШ, к выходу упомянутого демультиплексора подключены дополнительно последовательно соединенные вычислитель спектров мощности широкополосного сигнала (ВСМ-Ш), переключаемый двухканальный накопитель спектров и устройство вычитания спектров, соединенное выходом с упомянутым компьютером, причем управляющий вход переключателя в двухканальном накопителе спектров соединен с выходом упомянутого генератора меандра. Здесь одновременно с вычислением спектров мощности исследуемого узкополосного сигнала на частоте ƒ вычисляются спектры мощности и шумовых температур введенных в РПУ импульсов в широкой полосе промежуточных частот (ПЧ) приемного устройства. При этом для амплитудной калибровки спектра сигнала используется не номинальное значение шумовой температуры T, а истинное значение шумовой температуры T для частоты ƒ, которое определяется по вычисленному широкополосному спектру мощности шумовых импульсов, вводимых в канал РПУ. Тем самым исключаются ошибки определения амплитуд спектральных компонентов принятого радиоизлучения, которые имеют место при отклонениях реальных шумовых температур T от среднего значения T.
На рисунке показана схема заявляемой системы регистрации космического радиоизлучения в спектральных линиях. Здесь обозначено:
1 - облучатель антенны;
2 - направленный ответвитель;
0
3 - канал радиоприемного устройства (РПУ) с широкой полосой пропускания В;
4 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
5 - демультиплексор;
6 - цифровое устройство выделения сигнала с относительно узкой полосой ΔF;
7 - вычислитель спектров мощности узкополосного сигнала (ВСМ-У);
8 - компьютер;
9 - генератор меандра;
10 - модулируемый генератор шума (ГШ);
11 - вычислитель спектров мощности широкополосного сигнала (ВСМ-Ш);
12 - переключаемый двухканальный накопитель широкополосных спектров;
13 - вычислитель разности спектров.
Облучатель антенны 1, направленный ответвитель 2, РПУ 3, АЦП 4, демультиплексор 5, цифровое устройство выделения узкополосного сигнала 6, вычислитель спектров мощности узкополосного сигнала 7 и компьютер 8 соединены последовательно. Выход синхронизирующих импульсов вычислителя спектров мощности ВСМ-У 7 соединен с генератором меандра 9, который соединен выходом с управляющим входом ГШ 10 и с управляющим входом переключателя в двухканальном накопителе спектров 12. Выход ГШ 10 подключен к боковому плечу направленного ответвителя 2. К выходу демультиплексора 5 подключены последовательно соединенные вычислитель спектров мощности широкополосного сигнала ВСМ-У 11, переключаемый двухканальный накопитель широкополосных спектров 12 и вычислитель разности спектров 13, соединенный выходом с компьютером 8. Управляющий вход коммутатора двухканального накопителя широкополосных спектров 12 подключен к выходу генератора меандра 9.
Систему цифровой регистрации сигналов, подключаемую к штатному РПУ радиотелескопа, можно выполнить на микросхемах АЦП и ПЛИС. Цифровое устройство выделения узкополосного сигнала 6 выполняется на ПЛИС по известной схеме (см. патент RU 175721 U1), где используются модуль полифазных фильтров (ПФФ) и перестраиваемый по частоте цифровой видеоконвертор (ЦВК) с полосой пропускания ΔF. Вычислитель спектров мощности ВСМ-У 7 также выполнен по известной схеме (патент RU 64386 U1). Он содержит БПФ-вычислитель спектров на ПЛИС с двухканальным накопителем спектров и с устройством связи с компьютером 8. Вычислитель спектров мощности широкополосного сигнала ВСМ-Ш 11, содержащий несколько параллельно работающих БПФ-вычислителей спектров и выходной формирователь широкополосного спектра, собраны по известной схеме, рассмотренной в описании к патенту RU 101842 U1. Двухканальный накопитель широкополосных спектров 12, имеющий входной переключатель каналов, по своей структуре и выполняемым функциям подобен аналогичному устройству в составе узкополосного вычислителя спектров ВСМ-У 7.
0
D
0
0
Смесь принятого антенной радиосигнала, собственных шумов радиотелескопа в полосе В и шумовых импульсов, вводимых в канал РПУ, поступает в АЦП 4, работающий с тактовой частотой дискретизации сигнала F=2B. Полученный высокоскоростной цифровой сигнал через демультиплексор 5 вводится в устройство выделения узкополосного сигнала 6 и в широкополосный вычислитель ВСМ-Ш 11. В устройстве 6, содержащем модуль ПФФ и ЦВК, из цифрового сигнала с полосой В выделяется узкополосный сигнал, спектр которого занимает полосу частот 0÷F. Полоса анализа ΔF устанавливается примерно вдвое шире спектра исследуемого радиосигнала, так как для амплитудной калибровки спектра принятого радиосигнала необходимы участки, свободные от этого сигнала (см. патент RU 2316775 С1).
i
i
si
si
i
В ВСМ-У 7 методом БПФ конвейерно (без потерь времени) вычисляются и накапливаются мгновенные спектры мощности узкополосного сигнала p(F), где F - частота вычисляемого спектра, однозначно определяющая частоту ƒ принимаемого радиосигнала. В моменты окончания вычисления очередных спектров устройство 6 формирует импульсы, которыми синхронизируется работа генератора меандра 8 и модуляция генератора шума 9. Спектры вычисляются и накапливаются на заданном интервале времени τ раздельно для разных полупериодов модуляции ГШ 10 (при введении в канал РПУ 3 шумовых импульсов и при их отсутствии). Усредненный на интервале времени т спектр мощности сигнала P(F) регистрируется компьютером 8. Ресурсы ПЛИС, используемой в ВСМ-У 7, ограничивают число спектральных компонентов N вычисляемого спектра и разрешающую способность w=ΔF/N, но при ΔF≤32 МГц необходимую для исследования разрешающую способность (w≈0,1÷1 кГц) можно получить даже при использовании недорогих ПЛИС 4-го или 5-го поколений.
nr
r
r
nr
r
nr
r
0
0
В широкополосном вычислителе ВСМ-Ш 11 конвейерным способом вычисляются мгновенные спектры мощности широкополосного цифрового сигнала, поступающего от демультиплексора 5. Вычисляемые конвейерным способом широкополосные спектры поступают в коммутируемый двухканальный накопитель широкополосных спектров 12, где раздельно накапливаются и усредняются спектры, полученные для разных полупериодов модуляции ГШ 10 (при введении шумовых импульсов в РПУ и при отсутствии их). Это обеспечивает входной коммутатор в накопителе 12, который управляется генератором меандра 9. В результате вычитания накопленных спектров в устройстве 13 формируется широкополосный спектр мощности P(F) введенных в РПУ шумовых импульсов, где F - дискретная частота с порядковым номером r в широкополосном спектре. Спектр мощности P(F) пересчитывается компьютером 8 в спектр шумовых температур T(ƒ), пилот-сигналов (импульсов), введенных в канал РПУ от ГШ. Требования по числу спектральных компонентов М вычисляемого широкополосного спектра и по разрешающей способности W=B/M в данном случае можно снизить (например, до W ≈ 1 МГц), так как мощность шумовых импульсов в полосе В обычно меняется волнообразно и плавно, без резких перепадов.
si
i
ni
si
n
nr
nr
si
0
По полученному в ВСМ-У 7 спектру мощности сигнала P(F) вычисляется спектр шумовых температур T(ƒ) принимаемого радиосигнала. Амплитуды спектральных компонентов вычисляются по методике, предложенной в патенте RU 2316775 С1, но в рассматриваемой модели вместо среднего (номинального) значения T шумовой температуры пилот-сигналов принимаются вычисленные значения T для частот ƒ, ближайших к частотам ƒ исследуемого радиоизлучения. В результате исключаются ошибки вычисления амплитуд спектра регистрируемого сигнала, которые связаны с неравномерностью спектра мощности ГШ в полосе приема В и с нестабильностью этой мощности.
По заявляемой полезной модели выполнен эскизно-технический проект с изготовлением макета и проведены испытания макета, подтвердившие эффективность предложенного решения. Как показали тестовые наблюдения источников радиоизлучения в спектральных линиях, разброс измеренных амплитуд спектральных компонентов снизился примерно на порядок (с 20÷30% до 2,2%).