Автореферат: Система регистрации космического радиоизлучения в спектральных линиях на основе быстродействующего БПФ-спектрометра

В данной главе обоснованы принципы построения и проектирования высокоскоростного двухканального БПФ-спектрометра на ПЛИС для радиоастрономической системы регистрации в спектральных линиях и определены требования к его основным компонентам - АЦП и ПЛИС. Исходя из определенных в главе 1 требований к системе, показано, что для БПФ-спектрометра системы регистрации в ДМВ-СМВ диапазонах подходит двухканальный 10-разрядный АЦП LTC 2288 с рабочей тактовой частотой 64 МГц и ПЛИС XC4VLX25 или XC4VSX35. Производительность первой ПЛИС примерно 4100 MMAC (при операциях над 32-разрядными числами), число умножителей - 48, объем встроенной памяти около 168 кбайт. Это дает возможность создать БПФ-спектрометр с N = 2048. Вторая ПЛИС, имеющая 192 встроенных умножителя и объем памяти около 432 кбайт, позволяет создать БПФ-спектрометр с N = 16384.

Для управления системой регистрации с высокоскоростным спектрометром на ПЛИС используется разработанное в главе 3 специальное программное обеспечение.

Основные параметры системы регистрации с БПФ-спектрометром на ПЛИС: число каналов - 1 или 2; диапазон частот сигналов на входе СПС 1001000 МГц; полоса анализа B_ан = 0.12532 МГц; интервал частотного разрешения при использовании ПЛИС XC4VLX25: Дf = B_ан/1024 в двухканальном режиме и Дf = B_ан/2048 в одноканальном режиме, а при использовании ПЛИС XC4VSX35 Дf = B_ан/8192 в двухканальном режиме и Дf = B_ан/16384 в одноканальном; время получения одной реализации спектра t_сч = 1/Дf.

Лабораторные исследования системы регистрации со спектрометром на ПЛИС подтвердили её возможность выделять слабый узкополосный сигнал из более сильных шумов приемной системы и измерять спектральные характеристики сигнала, а также сокращение времени наблюдения по сравнению с системой с компьютерным БПФ-спектрометром.

В главе 5 представлены результаты наблюдений источников космического радиоизлучения в спектральных линиях с помощью разработанной системы регистрации, которая была введена в действие на радиотелескопе РТ-32 (обсерватория «Светлое»). Система регистрации работала со штатным приемным устройством радиотелескопа в диапазоне волн 18-21 см.

Целями наблюдений и экспериментальных исследований системы были:

-- Проверка работоспособности и эксплуатационных характеристик новой системы регистрации с БПФ-спектрометром, использующей способ амплитудной калибровки без радиометрического канала;

-- Оценка точности измерений параметров спектра излучения в зависимости от времени наблюдения источника, лучевых скоростей, стабильности работы системы и повторяемости результатов измерений;

-- Оценка достоверности результатов теоретического анализа системы регистрации, проведенного в главе 2, и точности полученных зависимостей чувствительности системы от её параметров, уровня сигнала и времени наблюдения источника;

-- Провести сравнительный анализ эффективности системы с компьютерным спектрометром, описанным в главе 3, и с разработанным высокоскоростным спектрометром на ПЛИС и подтверждение возможностей уменьшения времени наблюдения до теоретических пределов;

-- Подтверждение возможности системы со спектрометром на ПЛИС регистрировать излучения в спектральных линиях одновременно в двух поляризациях.

Работоспособность системы регистрации с БПФ-спектрометром проверялась путем сравнения результатов наблюдения ряда источников (в частности, W3(OH), W49) с опубликованными ранее данными, полученными с помощью систем другого типа. Хорошее совпадение полученного при наблюдениях профиля излучения стабильного источника W3(OH) с частотой излучения 1665.402 МГц в левой круговой поляризации и полученных ранее профилей (рис. 2(а)) подтверждает качество разработанной системы. На рис. 2(а) видно хорошее совпадение лучевой скорости и ширины основной линии (-46.5 км/с). Расхождение лучевых скоростей не превышает 0.2 %.

а)

б)

в)

Рис. 2. Профили излучения W3(OH) в левой поляризации, полученные в обсерватории «Светлое» и на других радиотелескопах (а). Профили излучения W3(OH) на частоте 1665.402 МГц в правой (RCP) и левой (LCP) круговых поляризациях. Данные наблюдений в NRAO (1980 г.) (б). Результат измерений в обсерватории «Светлое» (2008 г.)(в).

Результаты одновременного наблюдения излучения в двух поляризациях также хорошо согласуются с данными исследований, приводимых в публикациях (рис. 2 (б-в)).

Сравнение выходного отношения сигнал/шум и, соответственно, точности оценок потока разработанной системы регистрации с БПФ-спектрометром на ПЛИС и в системах регистрации, применявшихся ранее, проводилось по стабильным деталям некоторых известных источников (табл. 1). Средний поток S_0ср вычислялся путем усреднения доступных данных публикаций (графиков и таблиц) по наблюдениям, проведенных в NRAO, Haystack, Onsala c 1965 по 1998 г.

При одинаковом времени накопления отношение сигнал/шум на выходе разработанной системы регистрации на 3-6 дБ больше, чем у прежних систем (в зависимости от интенсивности детали). В данной системе можно получить такое же, как и достигнутое в других системах, отношение сигнал/шум, но за меньшее время наблюдения. В зависимости от интенсивности пика излучения выигрыш по времени составляет для разработанной системы регистрации с БПФ-спектрометром на ПЛИС от 1.6 до 7.1 раз.

Таблица 1. Сравнение результатов измерений стабильных деталей при Дf = 0.5 кГц

Для оценки достоверности результатов теоретического вычисления точности измерений от времени наблюдения сняты экспериментальные зависимости отношения сигнал/шум на выходе системы q_вых от времени наблюдения.

Измеренные значения q_вых хорошо (расхождение меньше 10 %) согласуются с теоретическими зависимостями при достаточно длительном накоплении сигнала. Поскольку при выводе формулы (1) был применен метод линеаризации случайных аргументов, то при недостаточном времени накопления, когда флюктуации параметров велики, измеренные значения расходятся с теоретическими более чем на 20 %. Метод линеаризации применим только в том случае, когда флюктуации параметров уменьшаются до приемлемой величины в результате усреднения. Минимальное время выхода на значения, близкие к теоретической зависимости, влияет уровень сигнала. Чем меньше уровень сигнала, тем большее время требуется для выхода на статистически значимую величину. При Дf = 488 Гц это время составляет величину порядка 800-900 с для S = 2.8 Ян и порядка 100 с для S = 28 Ян. При Дf = 976 Гц время установления режима - около 600 с для S = 2.8 Ян и около 50 с для S = 28 Ян. Расхождение теоретических и экспериментальных значений отношения сигнал/шум на выходе спектрометра при времени накопления больше 1000 с не превышает (3-10) %.

С целью сравнения быстродействия БПФ-спектрометров был проведен эксперимент, в котором источник W3(OH) наблюдался по очереди системой с компьютерным БПФ-спектрометром и той же системой со спектрометром на ПЛИС. Измерялось время достижения отношения сигнал/шум 20 дБ (относительная погрешность измерений уровня сигнала 1 %) для нескольких деталей спектра W3(OH). Время наблюдения в системе регистрации при использовании спектрометра на ПЛИС уменьшается в 4-5 раз по сравнению с компьютерным БПФ-спектрометром при интервале частотного разрешения 488 Гц. Расхождение теоретически рассчитанного и полученного экспериментально необходимого времени накопления составляет (2.6-8) % для системы на ПЛИС и (1-8.2) % для системы с компьютерным БПФ-спектрометром, что подтверждает достаточную точность теоретического анализа, проведенного в главе 2.

С целью исследования стабильности результатов была проведена серия повторяющихся измерений при наблюдении стабильных деталей источников W3(OH), W49, W51, W75 N и NML Cyg. При 10 минутном накоплении сигнала с Дf = 488 Гц разброс измеренных параметров за четверо суток не превышал 0.91 % для достаточно интенсивных деталей профиля (S ? 90 Ян). Для слабых деталей (S < 30 Ян) разброс параметров увеличился до 2.7 %, что указывает на необходимость более длительного накопления при регистрации слабых сигналов. Повторяемость результатов можно считать хорошей.

Разработанный БПФ-спектрометр на ПЛИС показал себя не только как эффективный инструмент для регистрации излучения в спектральных линиях, но и как удобное средство для исследования радиопомех на радиотелескопе. С его помощью были проведены исследования помех на

РТ-32 обсерватории «Светлое». Были выявлены скрытые под шумами приемной системы радиотелескопа помехи в диапазоне волн 18 см, которые ранее не были обнаружены, хотя они вносили заметные погрешности при радиометрических измерениях.

В разделе «Заключение» сформулированы основные результаты диссертационной работы:

В результате проведенной работы установлена количественная зависимость чувствительности системы регистрации от уровня исследуемого сигнала, технических параметров системы и времени наблюдения источника. Определено минимальное время наблюдения источника, необходимое для регистрации спектра сигнала с требуемым отношением сигнал/шум.

Разработаны принципы построения и программное обеспечение для системы регистрации с БПФ-спектрометром, которая позволяет уменьшить время наблюдения источника излучения без ущерба для отношения сигнал/шум на выходе, и не требует дополнительных радиометрических каналов для амплитудной калибровки спектра.

Разработана и введена в эксплуатацию на радиотелескопе комплекса «Квазар-КВО» система регистрации излучений в спектральных линиях с использованием быстродействующего двухканального БПФ-спектрометра на ПЛИС, позволяющего одновременно регистрировать радиосигналы обеих поляризаций. Система с БПФ-спектрометром на ПЛИС дает возможность уменьшить время наблюдения источника излучения до теоретического минимума, при котором сигнал накапливается непрерывно. Для системы регистрации с высокоскоростным БПФ-спектрометром на ПЛИС выигрыш по времени наблюдения (при одинаковом качестве регистрации) составляет 1.6-7.1 раз по сравнению с используемыми в настоящее время системами и с системой регистрации с БПФ-спектрометром компьютерного типа.

Результаты исследования экспериментальных образцов разработанной системы подтвердили её эффективность при наблюдениях радиоизлучения в спектральных линиях и достаточно хорошую точность проведенного теоретического анализа системы.

В конце диссертации приведены список литературы, содержащий 109 наименований, среди которых 13 публикаций по теме диссертации (8 статей, 3 тезисов, одно учебное пособие и один патент).

Основные результаты диссертации опубликованы в статьях

1. Гренков С. А., Ипатов А. В., Кольцов Н. Е. Способ регистрации космического радиоизлучения в спектральных линиях // Известия ВУЗ'ов. Радиофизика. Том LI, № 9. 2008. C. 777-788.

2. Гренков С. А., Кольцов Н. Е. Двухканальный спектрометр для регистрации узкополосного космического радиоизлучения // Приборы и техника эксперимента. № 3. М.: Наука, 2009. С. 160-161.

3. Гренков С. А. Программное обеспечение анализатора космических радиоизлучений в спектральных линиях // Труды ИПА РАН. Вып. 15. СПб.: Наука, 2006. С. 3-14.

4. Гренков С. А. Программное обеспечение для анализа радиоизлучения в спектральных линиях с помощью анализатора NI-5620 // Труды ИПА РАН. Вып. 16. СПб.: Наука, 2007. С. 199-205.

5. Гренков С. А. Спектрометр для регистрации узкополосного космического радиоизлучения на базе программируемых логических интегральных схем // Труды ИПА РАН. Вып. 17. СПб.: Наука, 2007.С. 229-235.

6. Гренков С. А., Кольцов Н. Е., Ильин Г. Н., Рахимов И. А., Федотов Л. В. Регистрация космических радиоизлучений в спектральных линиях с использованием цифрового анализатора спектра NI-5620 // Труды ИПА РАН. Вып. 14. СПб.: Наука, 2006. C. 43-59.

7. Гренков С. А., Кольцов Н. Е., Рахимов И. А. Спектрометр для анализа узкополосных излучений // Труды ИПА РАН. Вып. 16. СПб.: Наука 2007. C. 224-230.