WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     |
|

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ АСТРОНОМИИ РАН

На правах рукописи

Гренков Сергей Александрович

системА регистрации космического радиоизлучения в спектральных линиях
НА ОСНОВЕ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО
БПФ-СПЕКТРОМЕТРА

Специальность 01.03.02

Астрофизика и радиоастрономия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте прикладной астрономии РАН.

Научный руководитель:

Доктор технических наук,

профессор Н. Е. Кольцов

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор А. П. Лавров

Кандидат технических наук С. В. Логвиненко

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Специальная астрофизическая обсерватория (САО РАН)

Защита состоится «16» ноября 2009 года в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 002.067.01 при Учреждении Российской академии наук Институте прикладной астрономии РАН по адресу: 191187, Санкт-Петербург, наб. Кутузова, д. 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПА РАН.

Автореферат разослан «____» _________ 2009 г.

Учёный секретарь

Диссертационного совета,

Доктор физ.-мат. наук Ю. Д. Медведев

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Для астрофизики большое значение имеет исследование космического радиоизлучения в спектральных линиях, которое генерируется газовыми облаками на фиксированных частотах, определяемых химическим составом газа. По частоте излучения, интенсивности спектральных линий энергетического спектра и по доплеровскому смещению частоты сигнала можно судить о физических параметрах газового облака, в том числе о его пространственном положении, размерах, скорости перемещения, температуре и давлении.

Важными для астрофизики является распределение плотности потока радиоизлучения по лучевым скоростям относительно местного стандарта покоя S(МСП). Основные характеристики наблюдаемых спектральных линий космического радиоизлучения (интенсивность, ширина и сложность профиля) весьма разнообразны. Поскольку большинство сигналов в спектральных линиях слабо (их шумовая температура Ts меньше температуры собственных шумов радиотелескопа Тс), то для выделения и регистрации их спектров приходится длительное время наблюдать источник. Проведение радиоастрономических наблюдений на радиотелескопе требует значительных затрат сил и средств. Поэтому большое значение имеет разработка таких систем регистрации, которые дают возможность минимизировать обработку в реальном времени данных, полученных при наблюдении источника излучения.

На радиотелескопах комплекса «Квазар-КВО», оснащенных высокочувствительными приемными устройствами для решения различных задач, часть времени отводится для астрофизических исследований, но аппаратура регистрации радиоизлучений в спектральных линиях отсутствовала. Поэтому актуальной задачей была разработка системы регистрации, обеспечивающей наблюдения в этом важном разделе астрофизики.

Для исследования радиоизлучения в спектральных линиях применяются практически все известные способы анализа спектров. Большой прогресс в исследованиях дали, например, системы корреляционного типа. Новые возможности регистрации радиосигналов открылись с появлением спектрометров на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ) цифровых выборок сигнала. В 2005 году появились статьи о применении таких
БПФ-спектрометров для исследования космического излучения. Антюфеев А. В. и Шульга В. М. при создании системы регистрации использовали БПФ-спектрометр на базе компьютера, а зарубежные авторы Stanko S., Benz A. O. разрабатывали специализированные высокоскоростные БПФ-спектрометры на микросхемах высокой степени интеграции. Систему с компьютерным спектрометром достаточно просто реализовать, но из-за её недостаточного быстродействия теряется большая часть времени наблюдения. Использование быстродействующего спектрометра даёт возможность исключить потери времени наблюдения источника.

В публикациях о системах регистрации спектров приводятся только краткие описания БПФ-спектрометров и результаты проведенных наблюдений, но нет анализа чувствительности системы, оценки времени наблюдения источника, необходимого для выделения сигнала из шума и регистрации спектра с требуемым качеством. Без этого невозможно рационально планировать наблюдения, минимизируя затраты. Отсутствуют и практические рекомендации по выбору элементной базы, принципам конструирования и программному обеспечению специализированного
БПФ-спектрометра, исключающего потери времени наблюдения. Эти вопросы являются предметом исследования в диссертации.

В существующих системах наблюдаемые спектры калибруются по амплитуде путём измерения суммарной мощности принимаемого сигнала излучения и собственных шумов приемной системы радиотелескопа и мощности только собственных шумов, а по разности измеренных мощностей определяют мощность сигнала. Для этого используются дополнительные радиометрические каналы с квадратичными детекторами. При регистрации наиболее слабых узкополосных сигналов на фоне более мощных шумов приемной системы точность такой калибровки снижается. Кроме того, могут быть дополнительные потери времени накопления сигнала, связанные с необходимостью измерения мощностей. В ИПА РАН в 2007 году был предложен способ амплитудной калибровки спектра для системы регистрации с БПФ-спектрометром, который не требует дополнительного канала с квадратичным детектором и исключает дополнительные потери времени на измерение мощности. Этот способ представляется перспективным с точки зрения разработки системы регистрации с БПФ-спектрометром, но его необходимо было реализовать и испытать на радиотелескопе в реальных условиях. Разработка аппаратных средств и специального программного обеспечения, позволяющих создать систему регистрации с БПФ-спектрометром при этом способе калибровки, также проведена в диссертации.

Цели и задачи диссертационной работы:

Целью диссертации является разработка и исследование системы регистрации радиоизлучения в спектральных линиях с использованием цифрового БПФ-спектрометра для оснащения радиотелескопов комплекса «Квазар-КВО».

При реализации этой системы необходимо было решить следующие задачи:

— Определить основные расчётные соотношения и зависимости чувствительности системы регистрации и необходимого времени обработки данных, полученных при наблюдении источника, в режиме on-line от технических параметров системы (шумовая температура, быстродействие БПФ-спектрометра) и от энергетического уровня принимаемого сигнала;

— Оценить минимальное время наблюдения источника при использовании системы регистрации с БПФ-спектрометром, необходимое для получения требуемого отношения сигнал/шум в зависимости от уровня принимаемого сигнала;

— Разработать принципы построения и программное обеспечение системы регистрации с БПФ-спектрометром, использующей способ калибровки без дополнительного радиометрического канала и исследовать характеристики быстродействия системы;

— Провести анализ и сопоставление возможности реализации специализированного БПФ-спектрометра с применением современной элементной базы: программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС), специализированных процессоров и заказных микросхем;

— Разработать быстродействующий специализированный БПФ-спектрометр и создать на его основе систему регистрации радиоизлучений в спектральных линиях, исключающую потери времени наблюдения источника;

— Ввести в действие разработанную систему регистрации излучений в спектральных линиях на радиотелескопе комплекса «Квазар-КВО» и провести измерения спектров космических источников;

— По результатам наблюдений оценить достоверность полученных в диссертации расчётных оценок чувствительности и времени наблюдения и провести сравнение с применявшимися ранее системами.

Научная новизна работы

Установлены количественные зависимости основных параметров системы регистрации спектров (чувствительности, динамического диапазона) от времени наблюдения источника излучения, от технических параметров системы (шумовая температура, быстродействие БПФ-спектрометра), заданных параметров наблюдений (полосы анализа, интервал частотного разрешения) и уровня исследуемого сигнала. Определены предельные возможности сокращения потерь времени на обработку данных наблюдения в режиме on-line и ограничения по времени эффективного накопления сигнала. Результаты теоретического анализа системы регистрации с
БПФ-спектрометром позволяют планировать спектральные наблюдения, минимизируя время наблюдений и затраты.

Даны оценки быстродействия, чувствительности системы регистрации при использовании БПФ-спектрометров компьютерного типа и при использовании высокоскоростного специализированного БПФ-спектрометра ПЛИС. Показаны преимущества системы с БПФ-спектрометром на ПЛИС и возможности сокращения необходимого времени наблюдения источника до теоретического минимума.

Разработано программное обеспечение системы регистрации космического радиоизлучения в спектральных линиях на основе
БПФ-спектрометра, которое позволяет автоматизировать наблюдения.

Новизна применяемых технических решений защищена патентом на полезную модель № 64386 от 31.01.2007 г. «Система анализа спектров узкополосных космических радиоизлучений».

Практическая значимость работы

Создана и введена в эксплуатацию на радиотелескопе РТ-32 система регистрации спектров с высокоскоростным БПФ-спектрометром на ПЛИС, которая характеризуется отсутствием потерь времени наблюдения на обработку данных в режиме on-line и проводить измерения спектров одновременно в двух поляризациях.

Положения, выносимые на защиту

1. Система регистрации с двуканальным высокоскоростным
БПФ-спектрометром на ПЛИС, позволяющая уменьшить до теоретического минимума время обработки наблюдения источника излучения в режиме
on-line и одновременно регистрировать радиосигналы обеих поляризаций.

2. Основные соотношения для системы регистрации с
БПФ-спектрометром, количественно определяющие зависимость чувствительности, выходного отношения сигнал/шум и необходимого (минимального) времени наблюдения источника излучения от энергетического уровня сигнала и от технических параметров приемно-регистрирующей аппаратуры.

3. Программное обеспечение системы регистрации с БПФ-спектрометром, работающей без дополнительных радиометрических каналов амплитудной калибровки и позволяющее автоматизировать процесс наблюдений.

4. Результаты проверки достоверности полученных теоретических соотношений и возможности исключения потерь времени наблюдения источника, полученные при наблюдениях источников радиоизлучения в спектральных линиях с помощью разработанной системы регистрации с БПФ-спектрометром.

Публикации по теме диссертации

По материалам диссертации опубликовано 8 статей [1–8], сделано 3 доклада на научно-технических конференциях и семинарах [9–11], получен патент на полезную модель [13] и написан раздел учебного пособия [12].

В работах [1–2, 8, 13], написанных в соавторстве, содержатся результаты выполненной лично автором разработки специализированного БПФ-спектрометра на ПЛИС и проведения экспериментов в составе системы регистрации.

В работе [6], написанной в соавторстве, лично автором диссертации разработаны алгоритм и специальное программное обеспечение спектрометра компьютерного типа, позволяющее адаптировать его к целям радиоастрономии, а также проведена серия экспериментов для определения его быстродействия.

В работе [7, 9] автору диссертации принадлежит разработка программного обеспечения системы регистрации узкополосного излучения и разработка узла сопряжения приемного устройства и спектрометра.

Апробации работы

Материалы по разделам диссертационной работы были апробированы на научном семинаре и Ученом совете ИПА РАН, Научном совете по радиоастрономии РАН (28 ноября 2006 г., г. Москва. Секция № 11 «Радиотелескопы и методы»), а также на Всероссийских конференциях «РСДБ-2012 для астрометрии, геодинамики и астрофизики» (11–15 сентября, 2006 г., г. Санкт-Петербург), «Фундаментальное и прикладное координатно-временное и навигационное обеспечение (КВНО-2007)» (2–5 апреля 2007 г., г. Санкт-Петербург), и на радиоастрономической конференции «Повышение эффективности и модернизация радиотелескопов» (22–27 сентября 2008 г, Карачаево-Черкесия).

Связь диссертации с плановыми работами ИПА РАН

Диссертационная работа вошла составной частью в плановую НИР ИПА РАН по теме «Проведение наблюдательных программ на уникальной установке «Радиоинтерферометрический комплекс «КВАЗАР» (КВАЗАР) (рег. № 01-69) с целью высокоточного определения небесной и земной опорных систем координат» (Гос. контракт № 02.518.11.7089). Эта разработка выполнена в рамках государственной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2012 годы».

Некоторые результаты диссертации были использованы в ОКР «Полюс» при создании цифровой системы преобразования сигналов Р1002.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Объем диссертации 146 страниц, из них 120 страниц текста, 47 рисунков, 20 таблиц и 1 страница приложения. Список цитированной литературы содержит 86 наименований.

Содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели работы, указаны научная новизна, практическая значимость результатов работы, перечислены положения, выносимые на защиту, даны сведения по публикациям и апробации работы, приведено краткое содержание диссертации.

Pages:     |
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.