CC BY
13УДК 520.27
Н. Е. Кольцов
Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет "ЛЭТИ"
I Спектрометрическая система регистрации космического радиоизлучения
Рассмотрена радиоастрономическая система регистрации слабых (существенно ниже уровня собственных шумов радиотелескопа) радиосигналов космического происхождения, базирующаяся на быстром преобразовании Фурье цифровых выборок сигнала. Система обеспечивает радиометрические измерения в континууме шумовых температур широкополосных сигналов при воздействии узкополосных радиопомех, а также регистрацию узкополосного радиоизлучения в спектральных линиях при минимальном времени наблюдения космического источника излучения.
Радиоастрономия, радиометр, спектрометр, регистрация сигналов
Большой объем информации о строении Вселенной дают радиометрические измерения энергетических параметров сигналов, принимаемых от космических источников широкополосного радиоизлучения, и анализ спектров узкополосного радиоизлучения, генерируемого газовыми облаками в космосе.
Для радиометрических измерений среднего значения шумовой температуры широкополосного сигнала Тш с в полосе пропускания приемного устройства (измерения в континууме) применяют радиометры, основанные на квадратичном детектировании шумового сигнала и интегрировании выходного напряжения [1]. Современные радиометры с полосой пропускания А/ « 500...900 МГц регистрируют весьма слабые сигналы, шумовая температура которых в тысячи раз меньше температуры собственных шумов радиотелескопа Тпр [2].
Однако при регистрации таких сигналов традиционными радиометрами радиопомехи, создаваемые системами радиосвязи и другими техническими средствами, вносят существенные ошибки даже в том случае, если их уровень ниже собственных шумов радиотелескопа.
В настоящей статье представлена радиоастрономическая система регистрации, построенная на базе высокоскоростного цифрового спектрометра, которая реализует новый способ радиометрических измерений широкополосных сигналов при воздействии на радиотелескоп узкополосных радиопомех. Эта же система решает и задачу регистрации космического радиоизлучения в спектральных линиях, причем до минимума сокращается время наблюдения источника , необходимое для регистрации спектра сигнала [3].
Обычно источник излучения наблюдается в течение достаточно длительного времени (до десятков минут), что связано либо с недостаточным быстродействием спектрометров в известных системах регистрации [4]-[6] и, как следствие, с прерывистым процессом накопления сигнала, либо с затратами времени на амплитудную калибровку регистрируемых спектров, для которой применяются дополнительные радиометрические каналы измере-
© Кольцов Н. Е., 2011
59
ния мощностей шумов. Кроме того, в системах корреляционного типа шумовой сигнал на входе коррелятора клипируют, из-за чего приходится почти в два раза увеличивать время наблюдения, чтобы компенсировать потери чувствительности системы [6].
Описание системы. В отличие от традиционных радиометров в рассматриваемой системе нет амплитудного детектора. Методом быстрого преобразования Фурье (БПФ) вычисляются спектры шумовых сигналов в приемном канале, создаваемых принимаемым радиосигналом и радиопомехами (если они имеются), собственным шумом радиотелескопа и дополнительно вводимыми в приемный канал шумовыми импульсами, а по полученным спектрам далее определяются параметры радиосигнала.
Система (рис. 1) содержит радиоастрономическое приемное устройство (РПУ) со встроенным модулятором, уменьшающим усиление в М раз, высокоскоростной БПФ-спектрометр, состоящий из аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и вычислительного устройства на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС), управляющий компьютер и генератор тактовой частоты /0, синхронизирующий работу спектрометра. Вычисленные спектры передаются для регистрации и дальнейшей обработки в центральный компьютер радиотелескопа, управляющий антенной и аппаратурой радиотелескопа в соответствии с заданной программой. На 32-метровых радиотелескопах комплекса "Квазар" используются штатные РПУ [2], [7], преобразующие сигнал заданного диапазона частот к базовой полосе промежуточных частот (ПЧ) 100...1000 МГц, а при включении на выходе РПУ видеоконвертора - к полосе видеочастот 0.01.32 МГц. РПУ содержит генератор шумовых импульсов калибровки (ГШ1) с небольшой заранее измеренной шумовой температурой (ТК ~ 1 К) и второй генератор шума (ГШ2), необходимый для работы системы в режиме модуляционного радиометра.
АЦП считывает выборки сигнала с тактовой частотой /0 = 2 /тах, где /тах - максимальное значение частоты сигнала в приемном канале. Методом БПФ циклически вычисляются реализации спектра мощности шумового сигнала по каждому очередному пакету выборок емкостью 2 N, где N = /тах/ АР - заданное число частотных каналов (дискретных частот) спектра на положительной полуоси частот; АР - заданный интервал частотного разрешения. За время считывания очередного пакета выборок (tсч = 1/АР) устройство на
ПЛИС успевает закончить вычисление реализации спектра по предыдущему пакету выборок, благодаря чему обеспечивается режим непрерывного считывания выборок сигнала и минимизируется время наблюдения источника излучения. Полученные реализации спектра
Рис. 1
усредняются на временном интервале накопления ¿нак, которое равно времени наблюдения источника ¿набл или меньше него в зависимости от режима работы системы.
Компоненты вычисляемого спектра представляют собой мощности шумового сигнала в полосах шириной ЛР около дискретных частот /, где I - порядковый номер частотного канала. Среднеквадратическое отклонение (СКО) ас флюктуаций амплитуд спектральных компонентов, взятых из ансамбля реализаций спектра на одной и той же частоте, достаточно велико, но в результате усреднения по т реализациям спектра, полученным
за время наблюдения, СКО уменьшается в л/т раз. При достаточно большом т на фоне усредненного гладкого спектра смеси собственных шумов радиотелескопа и исследуемого широкополосного сигнала четко просматриваются узкополосные спектры радиопомех (рис. 2, б), даже если их уровень ниже уровня шумов радиотелескопа (рис. 2, а).
Исключив спектральные компоненты на частотах радиопомех, можно определить мощность шумового сигнала на выходе приемного канала. При работе радиометрической системы без модуляции измеряется суммарная мощность исследуемого сигнала и собственных шумов радиотелескопа. Для определения энергетических параметров сигнала необходимо дополнительно измерить мощность собственных шумов, например, отводя антенну от источника сигнала на небольшой угол. Более точные и стабильные результаты система дает при работе в режиме модуляционного радиометра, когда непосредственно вычисляются спектр и мощность широкополосного сигнала без шумов радиотелескопа. Откалибровав радиометр с помощью ГШ1, по измеренному спектру сигнала на выходе РПУ определяют шумовую температуру Гшс широкополосного сигнала в антенне и спектральную плотность потока мощности £*.
В режиме модуляционного радиометра в приемный канал от генератора шума ГШ2 вводят импульсы шума мощностью (М -1) ТШр и синхронно уменьшают в М раз
коэффициент усиления РПУ (в частности М = 1) для снижения доли принятого антенной сигнала в суммарном шумовом сигнале на входе АЦП. В отличие от традиционного модуляционного радиометра с амплитудным детектором [1] здесь меандр, управляющий генератором шума и модулятором РПУ, формируется БПФ-спектромет-ром синхронно с циклами вычисления реа-
Р, мкВт
0.16
0.08
0
№
|
м
1600.3 1602.3 Р, мкВт
0.16 —
1604.3 а
1606.3 /, МГц
0.08
0
1___________________
_1_
1600.3 1602.3
1604.3 б
Рис. 2
1606.3 /, МГц
Спектральная плотность потока мощности £ в радиоастрономии выражается внесистемной единицей ян-ский (Ян): 1 Ян = 10-26 Вт/ (Гц • м2 ).
лизаций спектра. Вычисленные на разных полупериодах модуляции (при введении шумовых импульсов и при их отсутствии) реализации спектра раздельно накапливаются и усредняются. Разность усредненных спектров дает спектр исследуемого широкополосного сигнала и принятых антенной радиопомех, из которого после исключения компонентов на частотах радиопомех получается спектр сигнала, используемый для вычисления Тш с.
При регистрации радиоизлучений в спектральных линиях ГШ2 и модулятор РПУ не используются, но к принимаемому сигналу добавляются шумовые импульсы калибровки от ГШ1 с известной температурой Тк. В анализируемой полосе частот выделяются участки, в которых могут быть компоненты исследуемого узкополосного сигнала и в которых они отсутствуют. В обоих участках раздельно усредняются спектры при введении и при отсутствии шумовых импульсов калибровки. Четыре полученных спектра дают возможность определить спектр Тшс (/ ) шумовых температур принятого антенной узкополосного радиосигнала [3].
По специальным программам, в которые вводятся небесные координаты источника принимаемого излучения, земные координаты антенны радиотелескопа и всемирное время, спектр шумовых температур сигнала пересчитывается в распределение плотности потока мощности радиосигнала по лучевым скоростям £ (V) относительно местного стандарта покоя [8]*.
Среднее значение компонентов спектра мощности в полосе частот, свободной от исследуемого сигнала, соответствует мощности шумов в элементарных полосах шириной АР. В отсутствие шумовых импульсов калибровки оно составит Рш р0 = кТш р АРК, а при
их введении Ршр1 = кТШр (1 + Ьк)АРК, где к - постоянная Больцмана; Ьк = Тк/Тшр << 1;
К - коэффициент усиления широкополосного канала радиометра. Спектральные компоненты в полосах частот, занятых исследуемым узкополосным сигналом, соответствуют суммарным мощностям шумов радиотелескопа и принимаемого сигнала без шумовых импульсов и с добавлением таких импульсов: р0 = Ршр0 (1 + ) и Р1г = Ршр1 (1 + ), где
Чш = Тш Сг/Тш р - отношение "сигнал/шум" на входе РПУ на частоте /.
По измеренным на выходе системы значениям мощностей можно получить оценки спектральных компонентов шумовой температуры сигнала в антенне [3]:
Т _ 05Т (р - Рш.р1) + (р0/ - Рш.р0 ) (1)
1ш.с1 ^к р р ' V1/
рш.р1 " рш.р0
а также уточнить текущие значения коэффициента усиления РПУ и температуры собственных шумов радиотелескопа:
К = (Рш.р1 - Рш.р0 )/ (к АРТК ); Тш.р = ТкРш.р0/ (Рш.р1 - Рш.р0 ). Абсолютные значения шумовых температур спектральных компонентов сигнала Тш с определяются в процессе наблюдений без дополнительных радиометрических измерений мощностей шумовых сигналов. Поскольку исследуемый сигнал считывается и накапливается как при
* Лучевая скорость V характеризует радиальную скорость движения источника радиоизлучения относительно
Земли, причем знак скорости определяет направление этого движения - удаление или сближение. 62
воздействии импульсов калиброванного шума, так и в паузах между ними, потери времени наблюдения источника отсутствуют, и это время можно сократить до минимума ¿набл = ¿нак.
Чувствительность системы в радиометрическом режиме. Чувствительность традиционных радиометров, работающих в полосе частот А/, характеризуется минимальной шумовой температурой сигнала в антенне, при которой достигается заданное пороговое отношение "сигнал/шум" И на выходе радиометра (например И = 1):
Тш.стш = ИаТШр4 22 ( Д/нак ), (2)
где а - коэффициент, определяемый схемой и режимом работы радиометра (для идеального компенсационного радиометра а = 1, для модуляционного радиометра с переключателем на входе а = 2, для радиометра с модулируемым коэффициентом усиления а«2.22 при М = 10). Чтобы оценить качество рассматриваемой цифровой радиометрической системы, необходимо определить для нее значение Тш с . и сравнить его с полученным из (2).
При отсутствии исследуемого радиосигнала и радиопомех на АЦП воздействует только собственный шум радиотелескопа мощностью Рш р = кТш рА/К. При достаточно
большом числе разрядов АЦП, когда шумами квантования можно пренебречь, дисперсия
выборок напряжения собственного шума = Рш рГ, где г - выходное сопротивление
приемно-усилительного канала. Поскольку при вычислении спектра мощности выборки напряжения возводятся в квадрат, дисперсию полной мощности согласно [9] можно счи-2 4/2
тать равной аш = 2а^ш/ г . В результате усреднения по 2N частотным каналам и по т
реализациям спектра дисперсия усредненного компонента спектра мощности будет меньше в 2Nm раз. Следовательно, при отсутствии принимаемых радиосигналов и помех среднему значению компонента спектра мощности соответствует СКО
аш.р = Рш.р V 2/ (mN) = к/шрА/^ 2/ (mN). (3)
Среднеквадратическая погрешность (СКП) оценки температуры собственного шума
радиотелескопа Ът р = Ъш.р /(к4/К) = Тш.р
причем делитель кА/ переводит
мощность в шумовую температуру, а коэффициент усиления К необходим для пересчета результатов измерений к антенне радиотелескопа.
При работе без модуляции РПУ и непрерывном считывании выборок шумового сигнала ¿нак = ¿набл; т = ¿набл/¿сч = ^Р^набл ; mN = ¿набл/тах. Тогда
аТшр = Тш.р 4 2/( /тах'пабл ). (4)
Точность измерения шумовой температуры сигнала удобно оценивать относительной СКП 5Т =аТшх/Тш.с , где аТШЛ = аТшр I1 + Чс ); Чс = Тш.с/Тш.р - отношение "сигнал/шум" в антенне. При наблюдении слабых радиосигналов (чс << 1) точность измерений определяется уровнем собственных шумов радиотелескопа (~аТшр), а при наблюдении мощ-
ных источников радиоизлучения (например, Солнца) qс >> 1 и СКП аТ увеличивается пропорционально шумовой температуре сигнала Тш с. Однако относительная СКП почти
не меняется и, как следует из (4), зависит в основном от полосы частот и времени наблюдения.
Чувствительность радиотелескопа при исследовании шумового сигнала в полосе частот от 0 до /тах (А/ = /тах ) характеризуется шумовой температурой
Тш.стш = ^Тш.р = ^ЩЫ. Данная формула совпадает с (2) при а = 1, поскольку в радиометрическом режиме без модуляции РПУ ¿набл = ^нак. Следовательно, при отсутствии радиопомех чувствительность спектрометрического радиометра в рассматриваемом режиме такая же, как у идеального компенсационного радиометра с квадратичным амплитудным детектором.
Если полоса пропускания приемного канала ограничена снизу частотой /т|п
(/тах = /тт + 4/), то используемое число спектральных компонентов меньше чем 2N,
хотя объем пакета выборок для вычисления реализаций спектра должен оставаться равным 2 N. Поэтому на считывание каждого пакета выборок затрачивается некоторое избыточное время, что снижает чувствительность в + /ПШ1//тах раз. Эти потери чувствительности в
большинстве случаев малы, так как в радиоастрономических приемниках обычно /гтп <</тах. Так, при работе в полосе промежуточных частот 100...1000 МГц потери составляют менее 5 %, а при работе в полосе видеочастот 0.01.32 МГц они меньше 0.02 %.
При использовании спектрометрической системы в модуляционном радиометре с переключением входа РПУ в течение одного полупериода модуляции накапливается сигнал, а в течение другого - шум от ГШ2. Из-за потери половины времени накопления сигнала (¿нак = 0.5^набл) СКО флюктуаций спектральных компонентов и значение Тшс
увеличиваются в Л раз. Во столько же раз увеличивается Тш с . и в результате сравнения (вычитания) спектров, полученных на разных полупериодах модуляции от шумовых сигналов почти одинакового уровня (при Тшс << Тпр). Поэтому в системе с переключателем на входе РПУ расчетное значение Тш с увеличивается в два раза (а = 2).
В радиометре с модуляцией коэффициента усиления (см. рис. 1) из-за неполного ослабления сигнала значение ТпС ■ дополнительно увеличивается в М/(М -1) раз (примерно на 11 % при М = 10 ) и, соответственно, а « 2.22. Таким образом, в модуляционном режиме работы чувствительность рассматриваемой цифровой системы при отсутствии радиопомех такая же, как у систем с квадратичными детекторами.
В условиях воздействия радиопомех результаты измерений традиционными радиометрами с квадратичными детекторами сильно зависят от числа и амплитуд радиопомех. Даже при слабых радиопомехах, которые на 10 дБ ниже уровня шумов радиотелескопа,
при регистрации сигналов с шумовой температурой порядка 10-4 ТШр ошибка измерений
может превысить значение измеряемой температуры сигнала Тшс, если радиопомехи занимают хотя бы 1 % полосы А/. В дециметровом диапазоне, где наблюдаются достаточно сильные радиопомехи, радиометрические измерения в континууме обычными системами часто становятся невозможными. Напротив, точность радиометрических измерений рассматриваемой цифровой системой не зависит от мощностей радиопомех, так как в ней частотные каналы, занятые радиопомехами, исключаются из анализа. Если число таких каналов составлчет Nп, то чувствительность уменьшается ^1 + N^1N раз. Эти потери невелики (менее 5 % при N^1N < 0.1) и не зависят от уровня помех.
Чувствительность и точность системы регистрации спектров. Относительную
СКП 5
Т
■*■ ТТ1
измерения амплитуд спектральных компонентов исследуемого сигнала и ми-
нимальную шумовую температуру спектрального компонента Тш с1 , , характеризующую
чувствительность системы регистрации спектров, можно оценить на основе формулы (1), определив значения СКО ^шр0, стшр1, ^0/, а1/ для усредненных мощностей Ршр0,
Ршр1, Р)/ и Рц соответственно.
Поскольку мощность исследуемого узкополосного сигнала много меньше мощности собственных шумов радиотелескопа в полосе А/, сигнал практически не влияет на СКО
ашр0 и ^шр1 = (1 + Ьк ) оШр0. Учитывая, что при вычислении спектра собственных шумов
радиотелескопа в данном режиме работы усредняются т/ 2 реализаций спектра, соответствующих одному полупериоду модуляций, и Nш спектральных компонентов в полосе частот без исследуемого сигнала, по аналогии с (3) можно определить СКО:
°ш.р0 = 2кТш.рАЖ/^Мш .
СКО усредненных мощностей на частотах // в полосе частот, содержащей сигнал, при выключенном и при включенном ГШ1 будут равны 00/ = (1 + qi) оШр0 и ац = = (1 + + Ьк)ашр0 соответственно (= ТЩ^/ТЩ р - отношение "сигнал/шум" на частоте
// на входе радиотелескопа).
Поскольку СКО флюктуаций усредненных мощностей малы, методом линеаризации функции (1) можно определить дисперсию оценки шумовой температуры сигнала
<7
Т
ТТ1
дТш
\2
ш.с
дР
ш.р0
2
аш.р0 +
дТш
2
ш.с
дР
ср
ш.р1
2
аш.р1 +
дТш
2
ш.с
дР0
2
ср
0/ у
дТш
2
ш.с
ср
дР1
2
1/ У
ср
где подстрочный индекс "ср" означает, что случайные параметры в выражениях частных производных заменяются их средними значениями. При регистрации слабых сигналов,
когда Рш.р0
: Ри и Ршр1 ~ Р1/, это выражение приводится к виду
ОТ
ТТ1
(Тп.р/2т ) [2 + Ьк2 + (2 + 2ЬК + Ьк2 )/N
2
Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2011. Вып. 2======================================
Как и следовало ожидать, СКО аТ и Т,„ ci = haT уменьшаются при уменьшении шумовой температуры приемной системы и при увеличении времени наблюдения (при увеличении m = ¿набл AF). Минимальное значение СКО, определяющее предел чувствительности радиометра при весьма длительном наблюдении, ограничено остаточной погрешностью используемого в системе вычислительного устройства.
При Ьк < 0.1 и N > 20, что обычно выполняется, ^тшс ~ Тщр/Vm = Tnp/л/л/'7п.ц-)л , а относительная погрешность измерения амплитуд спектральных компонентов
Чс =■аТш.й /Тш.с/ = 1 (WА/пабл ). (5)
Если задана допустимая погрешность измерений 5доп, то необходимое время наблюдения источника сигнала должно соответствовать условию
¿набл ^ 1 (А/W? ). (6)
Формулы (5) и (6) справедливы для быстродействующей системы, у которой период вычислений реализаций спектра равен tC4. Если быстродействие системы недостаточно, то
m < (/набл^/) и необходимо учитывать потери времени наблюдения. При уменьшении
мощности исследуемого спектрального компонента сигнала приходится увеличивать время наблюдения по квадратичной зависимости. Поскольку для БПФ-спектрометра N = const, время наблюдения уменьшается при увеличении AF и полосы анализа /max = NAF.
По формулам (5) и (6) можно оценить достоверность полученных при наблюдениях данных и рационально спланировать наблюдения. Это имеет особое значение при исследовании малых нестационарностей космического излучения, когда изменения мощностей принимаемых сигналов соизмеримы с ошибками измерений.
При достаточно длительном наблюдении источника слабого радиоизлучения мощность собственных шумов радиотелескопа может изменяться (например, из-за изменения уровня шумов антенны, сопровождающей источник излучения). В этом случае целесообразно вычислять спектр сигналов на небольших интервалах времени, в течение которых изменением уровня шума радиотелескопа можно пренебречь, а затем полученные спектры сигнала, уже отделенные от спектра собственных шумов радиотелескопа, вторично усреднять на всем заданном времени наблюдения. Это может быть полезным и для повышения точности измерений доп-леровских смещений частот, по которым вычисляются лучевые скорости v.
Экспериментальные исследования. Система регистрации космического радиоизлучения разработана на базе высокоскоростного БПФ-спектрометра [10] и испытана в радиоастрономической обсерватории "Светлое" (Ленинградская область) на 32-метровом радиотелескопе. БПФ-спектрометр, содержащий двухканальный десятиразрядный АЦП AD9218 и вычислительное устройство на ПЛИС (рис. 3), был подключен к штатному РПУ через двухполосный видеоконвертор с полосами пропускания 32 МГц. АЦП и вычислительное устройство работали с тактовой частотой fo = 64 МГц. Сигналы всех гетероди-
Л 1 -
« 1
о
* О.
т 2
АЦП -► ПЛИС
АБ9218 ХС4УЬХ25
/0 ' к \ 1
Модуляционный меандр
Системный контроллер ХССАсе
Контроллер интерфейса СУ7С68013
Системная карта памяти
8узАСБСГ
К компьютеру радиотелескопа
Рис. 3
нов приемного канала и сигнал тактовой частоты / синхронизированы опорной частотой
5 МГц, полученной от водородного стандарта с относительной нестабильностью около
10-15. Это дало возможность с высокой точностью измерять доплеровские сдвиги спектральных компонентов принимаемого сигнала относительно первичной частоты излучения источника /и и вычислять лучевые скорости v.
Основная ПЛИС ХС4УЬХ25 в реальном времени вычисляла реализации спектра, содержащие 2042 компонента частотных каналов при анализе одного сигнала или по 1024 компонента спектра каждого из двух одновременно анализируемых сигналов. Последнее дало возможность одновременно регистрировать радиоизлучения двух поляризаций. Системный контроллер ХССАсе с картой памяти БувАСЕСБ формировал структуру основной ПЛИС в соответствии с поставленными условиями наблюдений. Вторая ПЛИС ХС3Б400 накапливала (суммировала) вычисляемые реализации спектра и передавала суммарные спектры через интерфейсный контроллер СУ7С68013 в управляющий компьютер радиотелескопа. Последний вычислял спектры шумовых температур сигнала и лучевые скорости (при анализе излучения в спектральных линиях) или исключал радиопомехи и вычислял энергетические параметры широкополосного излучения (при радиометрических измерениях в континууме).
Радиоизлучения в спектральных линиях регистрировались в двух противоположных круговых поляризациях одновременно. Было проведено исследование радиосигналов со сложной структурой спектра от пяти космических источников излучения: О 133.946+1.064 ^3ОН) - 9 основных деталей спектра с частотой излучения /и = 1665.402 МГц и 3 детали с /и = 1667.359 МГц; О 43.148+0.015 ^49) - 15 деталей с /и = 1665.402 МГц и 14 деталей с /и = 1667.359 МГц; О 49.469+0.370 ^51) и О 81.871+0.781 ^75Я) - по 6 деталей в спектре каждого с /и = 1665.402 МГц; ГО.С+40448 (ЫМЬСу§) - 8 деталей с /и = 1612.231 МГц. Амплитуды и лучевые
скорости полученных распределений £ (v) при приеме сигналов правой и левой круговых поляризаций у некоторых источников (например, W3OH) не совпадали (рис. 4), что характеризовало сложную структуру космического облака газа и движение его частей.
£, Ян Левая
поляризация
Правая поляризация
-50
-47.5
-45 Рис. 4
-42.5
л/с
Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2011. Вып. 2======================================
Сравнение результатов измерения спектров с результатами, полученными другими отечественными и зарубежными системами, показало, что для достижения заданного отношения "сигнал/шум" на выходе системы и, соответственно, заданной точности измерений требовалось меньшее время наблюдения источников излучения. При регистрации спектров с достаточно высокой разрешающей способностью (AF < 0.1 кГц) время наблюдения ¿набл уменьшалось в 5.9 раз по сравнению с используемой на радиотелескопе системой, содержащей промышленный спектрометр NI-5620 на базе компьютера Pentium 4, а при сравнительно невысокой разрешающей способности (AF > 1 кГц) это уменьшение достигало десятков раз. Сравнение с результатами, полученными на зарубежных радиотелескопах [11 ]—[ 13], показало, что одинаковая точность регистрации спектров достигается при уменьшенном в 1.6.7.1 раз времени наблюдения.
Радиометрические измерения шумовых температур сигналов от источников широкополосного космического радиоизлучения проводились в диапазонах волн 18.21, 13.6 и 3.5 см. В диапазонах волн 6 и 3.5 см, свободных от радиопомех, рассматриваемая система при прочих равных условиях имела такую же чувствительность, что и штатный модуляционный радиометр с квадратичным детектором [2]. В диапазоне 18.21 см, где из-за сильных радиопомех штатный радиометр не использовался, спектрометрическим радиометром, селектирующим радиопомехи, проведено измерение шумовых температур сигналов от нескольких источников. В отдельных участках диапазона волн 13 см с помощью рассматриваемой системы были обнаружены радиопомехи, не заметные на фоне собственных шумов радиотелескопа (см. рис. 2). Радиометрические измерения с исключением этих помех показали, что традиционный радиометр с квадратичным детектором давал завышенную на 12.15 % оценку шумовой температуры Тш с широкополосного сигнала. Система давала возможность проводить радиометрические измерения в двух полосах частот шириной до 32 МГц.
Рассматриваемая система со спектрометром на ПЛИС после испытаний в обсерватории "Светлое" установлена в обсерватории "Бадары" (Республика Бурятия), где начаты регулярные наблюдения.
В результате успешных испытаний системы со спектрометром, работающим в полосе видеочастот, начата разработка цифровой радиометрической системы с полосой приема до 1 ГГц, которую планируется завершить в 2011 г.
Список литературы
1. Есепкина Н. А., Корольков Д. В., Парижский Ю. Н. Радиотелескопы и радиометры. М.: Наука, 1973. 415 с.
2. Ипатов А. В., Кольцов Н. Е., Крохалев А. В. Радиометрическая система радиотелескопа РТФ-32 // Приборы и техника эксперимента. 2005. № 4. С. 66-75.
3. Пат. RU 2316775 A1. МПК G01R 23/18 (2006.01) / Н. Е. Кольцов. Способ измерения энергетического спектра узкополосного космического радиоизлучения; опубл. 10.02.2008. Бюл. № 4.
4. Антюфеев А. В., Шульга В. М. Спектроанализатор на базе персонального компьютера // Радиотехника. 2005. № 10. С. 145-148.
5. Рыжков Н. Ф. Аппаратурные методы радиоспектроскопии межзвездной среды // Астрофизические исследования. Изв. САО АН СССР. 1974. № 6. С. 96-143.
6. Госачинский И. В., Желенков С. Р. Цифровой автокорреляционный анализатор спектра. Препринт № 96 / САО РАН. СПб., 1993. 5 с.
7. Приемники радиоинтерферометрической сети КВАЗАР / Д. В. Иванов, А. В. Ипатов, В. В. Мардыш-кин и др. // Тр. ИПА РАН. 1997. Вып. 2. С. 242-256.
8. Томпсон А. Р., Моран Д. В., Свенсон Д. У. Интерферометрия и синтез в радиоастрономии / пер. с англ. под ред. Л. И. Матвеенко. 2-е изд. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. 624 с.
9. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники: в 2 кн. М.: Сов. радио, 1969. Кн. 1. 751 с.
10. Пат. RU 64386 U1. МПК G01R 23/18, G01R 23/16 (2006.01) / Н. Е. Кольцов, С. А. Гренков, А. В. Ипатов. Система анализа спектров узкополосных космических радиоизлучений; опубл. 27.06.2007. Бюл. № 18.
11. Magnetic field structure of the star-forming region W3(OH): VLBI spectral line results / J. A. Garcia-Barreto, B. F. Burke, M. J. Reid et al. // Astrophus. J. 1988. Vol. 326. P. 954-966.
12. Wright M. M., Gray M. D., Diamond P. J. The OH ground-state masers in W3(OH). I. Results for 1665 MHz // Mon. Not. R. astron. soc. 2004. Vol. 350. P. 1253-1271.
13. Bloemhof E. E., Reid M. J., Moran J. M. Kinematics of W3(OH): first proper motions of OH masers from VLBI measurements // Astrophus. J. 1992. Vol. 397. P. 500-519.
N. E. Koltsov
Saint-Petersburg state electrotechnical university "LETI"
Radio meter system with spectrum meter for a space signals registration
The radio astronomy system is used for a registration of noise temperatures of broad band signals and of space masers signals spectrums. It have not any analog power detectors and uses the speed digital spectrum analyzer. The broad band signals observation may be if radio noises are there. The system needs a time minimum for a spectrum registration of the space masers signals.
Radio astronomy, radio meter, spectrum analyzer, signals registration
Статья поступила в редакцию 20 мая 2010 г.
УДК 621.396
В. И. Парфенов
Воронежский государственный университет
Т. С. Ужахова
Открытое акционерное общество «Концерн "Созвездие"» ((Воронеж)
I Повышение работоспособности накопителей данных, функционирующих при наличии помех импульсного типа
Предложен новый алгоритм, позволяющий повысить помехоустойчивость при воздействии импульсных помех. Проведено исследование эффективности работы этого алгоритма применительно к задаче оценки неизвестной длительности сигнала.
Импульсные помехи, модифицированный ограничитель, оценка длительности сигнала, накопитель, многокаскадный измеритель
В задачах обработки сигналов на фоне помех, наверное, одним из наиболее распространенных функциональных блоков является накопитель, осуществляющий накопление (интегрирование, суммирование) некоторым специальным образом трансформированных наблюдаемых данных. Действительно, при решении задач обнаружения, различения, оценки параметров, фильтрации сигналов на фоне флуктуационного шума решающие ста© Парфенов В. И., Ужахова Т. С., 2011 69
