автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка и исследование оптико-цифровых процессоров с использованием ПЗС-фотоприемников для спектрального анализа сигналов в радиоастрономии

.»о«*

На правах, рукописи

Круглоп Сергей Константинович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКО-ЦИФРОВЫХ ПРОЦЕССОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЗС-ФОТОПРИЕМНИКОВ ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА СИГНАЛОВ В РАДИОАСТРОНОМИИ

Специальность 05.13.05 - Элемента и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург -1996

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете

11ау<шый руководитель:

доктор фшшш-матемашческих наук, профессор Есепкина Нэля Александровна

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Молодяков Сергей Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ЕрофеевАнатолий Александрович, кандидат технических наук, доцент Рогов Андрей Николаевич

Ведущая организации:

Физико-технический институт Российской Академии наук им.А.Ф.Иоффе .

Защита состоится " 1996 г. в /6 час.

на заседании диссертационного совета Д06/38.04 Санкт-Петербургского государственного технического университета по адресу: 195251, Са(пгг-1 Петербург, ул.Политехническая 29, корпус 9, ауд. згег

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного технического университета

Автореферат разослан " ^ " 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

К.П. Дурандин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Во многих областях науки и техники современные исследования связаны с большим объемом экспериментальных данных, поступающих в устройства обработки. Высокие требования к точности п достоверности получаемой информации в этих исследованиях сочетаются с необходимостью обеспечить оперативную обрабогку данных в реальном масштабе времени. Большие массивы информации и реальный масштаб времени приводят в этих системах к необходимости обеспечить высокие скорости обработки и большие объемы памяти. Решению этих задач во многом способствует создание гибридных оптико-цифровых (ОЦ) процессоров, состоящих из цифровых и оптических устройств, объединенных для решения одной задачи.

Разработка ОЦ процессоров является одним из направлений использования оптических методов обработки информации в вычислительной технике, так называемой вычислительной оптоэлектронйке. За счет распределения функций обработки между оптической и цифровой частями ОЦ процессор позволяет существенно увеличить быстродействие процесса обработки и улучшить параметры системы. В ОЦ процессорах оптические устройства обеспечивают высокое быстродействие интегральных преобразований над множеством данных, а цифровые - надежную и долговременную память, необходимую точность и гибкость алгоритмов последующей обработки данных. Существенным достоинством ОЦ процессоров является возможность создания на их основе автоматизированных систем, обеспечивающих обработку информации в реальном масштабе времени, что отражает одну из основных тенденций в современном приборостроении.

Оптическая часть ОЦ процессора определяет его специализацию на выполнение определенного набора операций, хотя ряд алгоритмов работы и аппаратно-программная поддержка во многом универсальны. В качестве оптической части процессора наибольшее распространение получили аку-стооптические устройства, выполняющие спектральный анализ' сигнала -акустооптические анализаторы спектра. Эти устройства непрерывно совершенствуются и в них воплощены последние достижения в области акусто-оптики.

Одним из основных элементом ОЦ процессоров является фотопрнем-ннк, обеспечивающий связь оптической и цифровой частей ОЦ процессора. Фотогфиемники на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) позволяют

обеспечить эту связь оптимальным рбразом, в частности, за счет организации управляемой предварительной обработки сигналов на самом кристалле фотоприемника. Для обеспечения специальных режимов работы ПЗС-фотоприемников (ФПЗС) в рамках создания ОЦ процессоров необходимо разрабатывать специализированные контроллеру для управления Г13С-фотоприемниками. , ' -л -

ОЦ процессоры для спектрального анализа радиосигналов находят' применение во многих областях [1*], в частности они представляют большой интерес для спектральных исследований в радиоастрономии. , , '

Несмотря на большие потенциальные возможности ОЦ процессоров для спектрального анализа, они начали использоваться в радиоастрономии сравнительно недавно и для их внедрения в практику радиоастрономических наблюдений необходимо бьшо решить ряд задачг связанных как с созданием таких новых систем обработки, так и с исследованием их возможностей. Поэтому тема диссертации, посвященная разработке и исследованию ОЦ процессоров для спектрального анализа сигналов в радиоастрономии, является актуальной. •.. - ' .'. ,', ! '. ' ■

Рассмотренные в диссертации вопросы создания радиоспектрометров на базе ОЦ процессоров разрабатывались применительно к радиотелескопу РАТАН-600. Однако, полученные в диссертации результаты могут исполь-' зоваться и на друшх радиотелескопах для спектральных наблюдений, а также при создании систем формирования изображения Солнца в радиогелиографах [2*, 3*], робототехннческих и других систем. ;

К началу' настоящей работы были известны лишь публикации, касающиеся использования ОЦ радиоспектрометров за рубежом. Однако а этих публикациях практически отсутствовали свсдешш о структуре и алгоритме работы таик спек-грометров, не были рассмотрены особенности использования ПЗС-фотопрйемников в ОЦ спектрометрах и другие важные вопросы, необходимые для использования таких спекгроцетров в радиоастрономии. Публикации по использованию ОЦ спектрометров £ отечественной радиоастрономии прщстпческиотсутствовали. Тем не менее отечественные радиол астрономы проявляли большой интерес к новым ОЦ спектрометрам, так как отсутствие таких перспективных спектрометров, существенно ограничивало наблюдательные возможности отечественной радиоастрономии в области спектроскопии. Сказанное и определило необходимость постановки настоящей работы.

Цель работы состояла в разработке и исследовании ОЦ процессоров с использованием ПЗС - фотоприемников для спектрального анализа сигналов в радиоастрономии и созданию на их основе нового широкополосного радиоспектрометра для радиотелескопа РАТАН-600.

; Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Исследовать особенности структурно-функциональной организации ОЦ процессора для спектрального анализа радиосигналов, разработать архитектуру и алгоритм работы такого процессора в составе модуляционного радиоспектрометра.

2. На основе анализа требуемого быстродействия разработать и исследовать методы распределенной обработки сигналов и методы сжатия информации в аналоговой и цифровой частях ОЦ процессора с использова-ниемФПЗС.

3. Исследовать базовые алгоритмы и элементы устройств управления ФПЗС, разработать архитектуру ПЗС-контроллера и системы предварительной обработки сигнала, позволяющих реализовать модуляционный режим работы радиоспектрометра.

4. Разработать методику исследования характеристик ОЦ процессора с использованием ФПЗС и необходимый пакет программ.

5. Разработать программно-аппаратные средства оптико-цифрового радиоспектрометра и провести с его помощью наблюдения радиолиний в спектральном комплексе радиотелескопа РАТАН-600 для проверки предложенных алгоритмических, структурных и схемотехнических решений. ,

На защиту вьтосдтса.

1. Структура и алгоритмы работы оптико-цифрового процессора для спектрального анализа сигналов в радиоастрономии, позволяющая реализовать модуляционный режим работы ОЦ радиоспектрометра.

2. Способы обработки сигналов модуляционного радиоспектрометра с использованием ФПЗС и цифровой системы предварительной обработки сигнала, позволяющие увеличить предельные частоты модуляции.

3. Модель переноса зарядовых пакетов в ФПЗС для сдвигов в реверсивных направлениях.

4. Методика экспериментального определения параметров модели переноса зарядовых пакетов. ■

5. Архитектура ПЗС-контроллеров и созданные на их основе системы обработки оптических сигналов.

6. Результаты экспериментального исследования макетов ОЦ процессоров для спектрального анализа радиосигналов.

7. Концепция и архитектура автоматизированной системы спектральных наблюдений для радиотелескопа РАТАН-600 с использованием ОЦ процессора и результаты наблюдений, проведенных с помощью этого процессора.

Научная новизна.

1. Предложены структура и атя-оритмы работы оптико-цифрового процессора для спектрального анализа сигналов в радиоастрономии, позволяющие реализовать модуляционный режим работы ОЦ радиоспектрометра.

2. На основе анализа особенностей структурно-функциональной организации ОЦ процессоров для спектрального анализа радиосигналов и требуемой производительности предложен способ рационального распределения функций и разработаны методы распределенной обработки сигналов в аналоговой и цифровой частях ОЦ процессора.

3. Предложены способы предварительной обработки сигналов, реализованные с помощью ПЗС-фотоприемника, в котором организованы алгоритмы синхронного накопления, позволяющие повысить производительность ОЦ процессора и частоту модуляции ОЦ радиоспектрометра (решение о выдаче патента от 05,06.95 [14]).

4. Предложена модель переноса зарядовых пакетов в ФПЗС для сдвигов в реверсивных направлениях при синхронном накоплении оптических сигналов, которая позволяет оценить искажение сигнала при предварительной обработке импульсно-модулированного сигнала, соответствующего модуляционному режиму работы радиоспектрометра, и разработана методика экспериментального определения параметров модели переноса зарядовых пакетов.

5. Разработаны базовые алгоритмы и устройства управления ФПЗС -ПЗС-ко1проллеры, которые позволяют реализовать предварительную обработку сигиала и модуляционные режимы работы ОЦ процессора.

6. Проведенные разработки и исследования позволили впервые в практике отечественной радиоастрономии создать оптико-цифровой модуляционный радиоспектрометр/который использован в спектральном ком-

плексе радиотелескопа РАТАН-600 для наблюдения линии излучения водяного пара. Разработанный ОЦ радиоспектрометр позволил увеличить полосу анализа спектрального комплекса РАТАН-600, которая ранее составляла единицы МГц, до 50 МГц, и тем самым значительно расширить наблюдательные возможности РАТАН-600 в области радиоспектроскопии.

Практическая ценность работы заключается в расширении наблюдательных возможностей радиотелескопа РАТАН-600 за счет использования нового ОЦ процессора. Такой ОЦ процессор, помимо существенного упрощения спектральног о комплекса, позволил значительно расширить полосу анализа тем самым повысить эффективность использования этого уникального радиотелескопа в области радиоспектроскопии.

Разработанные в диссертации ОЦ процессоры, выполненные на основе АО устройств и ПЗС-фотопригмникоз, могут быть использованы не только на РАТАН-600, но и на других радиотелескопах, а также в системах обработки радиосигналов различного назначения.

Разработанные алгоритмы предварительной обработки сигналов на ФПЗС, ПЗС-контроллеры, многоканальные цифровые интеграторы и принципы их создания могут быть использованы также в системах оптической обработки изображений, робототехнике и др.

Реализация результатов работы. Диссертационная работа выполнялась в течение 1987 - 1996 гг. в рамках НИР, проводимых в Санкт-Петербургском государственном техническом университете в соответствии с Федеральной научно-технической программой "Астрономия", межвузовскими научно-техническими программами "Технические университеты", "Оптические процессоры" и "Научное приборостроение", а также в рамках хоздоговорных и госбюджетных НИР.

Результаты работы использованы в Специальной астрофизической обсерватории РАН (CAO РАН) при создании нового широкополосного ОЦ радиоспектрометра для радиотелескопа РАТАН-600, а также в ряде учреждений Академии наук и отраслевых НИИ при разработке оптических систем обработки радиосигналов различного назначения.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в работах [1-17] и докладывались на I Всесоюзной конференции по оптичесхой обработке информации (гЛенинград, 1988), на XXI Все-

союзной конференции "Радиоастрономическая аппаратура" (г. Ерев4Й, 1989), на IV конференции с международным участием "Приборы с заревой связью и системы на их основе". (г.Геленджик, 1992), на международной конференции по оптической обработке информации (г. С-Петербург, 1991), на XXV радиоастрономической конференции (г.Пущино, 1993), на XXVI радиоастрономической конференции (г.С-Пстербург, 1995), Всесоюзной ЙИ-учно-практнческой конференции "Инновационные наукоемкие технологМи для России" (С-Петербург, 1995), а также на научных семинарах СанЙ-Петербургского государственного технического университета и Специальной астрофизической обсерватории РАН.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в Ь печатных работах, по теме работы получено положительное решение на выдачу патента на изобретение.

Структур» и объем работы. Диссертация состоит из введения, пя*Й глав, заключения и приложения. Основное содержание работы изложено ЙЬ 180 страницах, приложение занимает 4 страницы. В работе имеется 70 рй-сунков и 10 таблиц. Список литературы составляет 119 наименований.

I

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы. Сформулированы цеЛь и задачи .диссертации, положения, выносимые на защиту.

В первой главе кратко рассмотрены методы спектрального анализ* сигналов в радиоастрономии. Проведен сравнительный анализ используе* мых в радиоастрономии аналоговых (фильтровых), цифровых (автокорреляционных) и новых оптико-цифровых (акустооптическнх) радиоспектрометров. Показано, что наиболее перспективными являются радиоспектрометры на базе ОЦ процессоров с использованием ФПЗС, которые при сравнительной простоте позволяют реализовать значительно более широкйе полосы анализа, чем фшгътровые и автокорреляционные спектрометры. Функциональная гибкость, которой обладают ОЦ процессоры, особенно зажна при большом многообразии спектральных задач в радиоастрономии, решение которых требует разработки радиоспектрометров с параметремЛ (полоса анализа, частотное и временное разрешение, число частотных кана лов и др.) изменяющимися в широких пределах.

Структурная схема ОЦ процессора для спектрального анализа радиосигналов показана на рис. 1. Она состоит из трех частей: оптической Части, основными элементами которой являются источник когерентного оптического излучения, акустооптичсский модулятор (АОМ) и Фурье-линза (Л); аналоговой части, включающей ПЗС-фотоириемник (ФПЗС), усилитель видеосигнала (ВУ), формирователи управляющих сигналов (ФС), 9|<алого-цифровой преобразователь (АЦП); цифровой части, состоящей из | (ЗС-коитроллере и цифрового процессора.

Рис.I. Структурна« схема ОЦ процессора дда спектрального анализа

В ОЦ процессоре оптическая часть обеспгчивпст выполнение интегральных преобразований. В нашем случае она осуществляет Фурье-(Греобразовани: принимаемых радиосигналов. Аналоговая чаггь - преобразование от ическою распределения спектра ряцносигна/а в цифровую форму и предварительную обработку сигнала и аналоговом виде на Ф113С. Цифровая часть обеспечивает накопление данных н хранение результатов измерений, необходимую точность и ¿ибкссть еасорнтмоа последующей обработки данных.

ОЦ процессор подключен * ЧНМ, обеспгчинэющсЛ мшероктивии!! режим обработки, синхронизацию работы гмиектиа и ренету а цию полученных результатов. Ма вход ОЦ мрошххмра ностунаегг сш н&ч нромежу-

точной частоты (ипч) после преобразования в супергетеродинном приемнике.

(Этическая часть процессора обеспечивает высокую скорость обработки сигналов и задача остальных частей процессора связана с поддержкой этого потенциально высокого быстродействия. Данная задача решается путем распределения функций обработки выходного сигнала оптической части между оставшимися частями ОЦ процессора. Такое распределение функций заключается в переносе простых, но занимающих значительное время операций, га управляющей ЭВМ в специализированные, анпаратно реализованные устройства. Автором предложено выполнять ряд операций предварительной обработки сигнала в аналоговой (зарядовой) форме непосредственно на кристалле Г13С-фотоприемника, используя новые специальные режимы работы ПЗС-фотонриемников. Поэтому особое внимание в диссертации было уделено исследованию специальных режимов работы ФПЗС.

Во второй главе проведен анализ особенностей использования ФПЗС в ОЦ процессорах, рассмотрена информационная структура ФПЗС, исследованы разработанные автором режимы аналоговой обработан сигналов на ФПЗС, приведена модель переноса зарядовых пакетов в ФПЗС, позволяющая оценить искажения сигналов при обработке в фотоприемнике.

При работе радиоспектрометра в модуляционном режиме происходит переключение проецируемого на фотоприемник изображения, соответствующего различным нолупериодам модуляции входного радиосигнала, например, спектра полезного сигнала с антенны и спектр сигнала с эквивалента. Период переключения изображений определяется частотой модуляции. При частотах модуляции, например 1 кГц, изображение переключается каждые 500 мкс. При условии регистрации каждого кадра содержащего около 1000 отсчетов, возникает проблема быстрого считывания и ввода его в цифровой процессор. Для решения данной задачи в работе предлагается проводить предварительную обработку и сжатие, сигнала непосредственно на кристалле ФПЗС. уменьшая тем самым поток данных с фотоприемника.

Для оценки возможностей по предварительной обработке сигналов на ФПЗС в работе предложено описывать фотоприемник в виде информационной схемы, рассматривая сто, как аналоговый сигнальный процессор. При рассмотрении информационной схемы и определении возможных операций по обработке сигналов автором введены следующие допущения: ли-нейкоггь процесса накопления и суммирования, линейность преобразования

сигнала; однородность чувствительности, элементов; отсутствие шумов н неэффективности переноса чар яд а. Приведенная схема может рассматриваться, как линеаризованная модель преобразования сигнала в Ф1 ПС.

На основе рассмотренной линеаризованной модели ФПЗС и пространственно-временной структуры оптического сигнала в ОЦ процессоре проанализированы возможности но сжатии) сигналов на ФПЗС, предложены и исследованы специальные режимы обработки импульсно-модулированных оптических сш палов, соответствующих модуляционному режиму работи спектрометра (режим виртуальных элементов и различные режимы синхронного накопления), определены требования к необходимой структуре Ф1ПС. Рассмотрены возможности реализации таких режимов к^к для линейных, так и для матричных ФПЧС.

При режимах синхронного накопления зарядовых пакетов в ФПЗС выполняется раздельное накопление спектра радиосигналов антенны и эк? вивалема в разных элементах фотоприемника. Такддн матричного ФПЗС ; предложено сенсорное поле фоюприемники разбить на зоны накопления и зоны хранения зарядовых пакетов. 11рн синхронном с частотой модуляции накош1ении путем реверсивных переносов зарядовые пакеты зон хранения; регулярно перемещаются в зону накопления. Ьл я го даря этому осуществляется раздельное накопление кадров, соответствующих разным полупгрио-дам модуляции входного сигнала. Минимальное количеепш зон - три:две зоны хранения и одна - накопления. Количество строк в зонах и рассюяние между зонами определяемся проецируемым изображением и особенностями работ фоюнрнемннка. ,

Для оценки искажений зарядовых пакетов во время перепоен заряда в ПЗС-регнстре применялась имитационная модлгь переноса зарядовых пакетов, разработанная с использованием работ [4*, 5*] Модель переноса зарядовых пакетов построен!; ня ослопе .чнекретного представления физических процессов, протекающих » ФП'К\ ШС'-яченка рассмафнпается как злемеш, имеющий свободный заряд О," и заряд связанный с объемными и нонерхностыми ловушками 1* ■<• - номер ячейки, к - момент времени). При переносе шрнда в 1П('-ре| нстрс выделены " три этапа формирования заряда; перепое ни к-кущен ячеГиш |Га1одуК>1цук> И получение отп авшего заряда У.'ог I ! приход ново1 о заряда из преды^ни й ячейки и в результате термо-генеряцнн ; перераспределение чаркдов между лопушками и несвязанным зарядом. На пгрвых двух этапах перенося форм|фуются заряды:

. О^-О^ст+Р^пр.

0,У«Х?.-,Ко + <3*,а-К11)+(К.,-АС}1к,).

где Кк - К(пффнцне1гт »«Эффективности переноса свободного заряда; Ко • постоянная генерации с ловушек; Кр - постоянная потерь заряда с ловушек; Кт - постоянная термогенерапин дня пустой потенциальной ямы; А - постоянная, определяющая уменьшение термо| енерапии с увеличением свободного заряда,

С учетом малой постоянной времени захвата зарядов на ловушках (единицы наносекунд) в сравнении с временем переноса (микросекунды) считаем, что свободный пришедший заряд сразу захватывается пустыми ловушками и перераспределение зарядов в ячейке протекает в зависимости от величины пришедшего заряда и количества спободных ловушек. Сказанное определяется следующими соотношениями:

; /если О?" >1.0 -XV',.' то фг' »р^--(Х, ). -X,; ссш л'*', то г.у'-ч?" + 1.^'. :<г?*'

где • средняя емкость ловушек в ПЗО-ячсйкс. .

Параметры модели (Кь Ко, Кн. 1-й) определялись но искажению злек-тричсски вводимых зарядовых иакеюв; Данная модель Г>ыла использована при моделировании режимов прямою .и'рсвсрсивногр переносов зарядовых пакетов в Ф1ПС, С помощь модели определены требования к размерам юн накопления и хранения и количеству циклов при реализации предложении* алгоритмов синхронное о накопления.

В заключение ишвы 'представлены результаты исследования разрабо-■ анных и использованных режимов раГииыФ! НС, которые позволили сф'1рм>лнроьа1ь грсСюиинпя к устройствам управления ФПЧС - ШС-контроллера мн системе обработки сигналов с ФШС - многоканальным цифровым ннтыракфлм.

Третья глава посвящена описанию разработанных ОЦ процессоров. D процессе работы были разработаны и исследованы два ОЦ процессора для спектрального анализа ни базе объемных акустооптичсских члементов": широкополосный анализатор спектра с полосой анализа 5<Х) МГц при частотном разрешении 0 9 МГц и разработанный специально для спехтрально-1 о комплекса радиотелескопа РАТАИ-600 высокпржрешаюший анализатор снскгра с полосой анализа 53 МГц при частотном разрешении 105 МГц. Проведено также Исследование интегрально-оптического анализатора спектра', который отражает одно из перспективных направлений развития ннтпраг1ыюй оптики, как базы для разработки оптико-цифровых систем обработки информации. Интсгрально-огпмческий анализатор имел полосу аиачнза 300 МГц при частотном разрешении 3.5 МГц..

Оптическая часть обоих объемных акустооптичсских анал/паторон спектра выполнена по традиционной схеме с расположением злеменюн на одной поверхности опорной плиты. В качестве источника оптического излучения использовался гелий-неоновый лазер непрерывного излучения ЛГН-207А. Широкополосный анализатор выполнен па основе акустоопти-чсскою модучятора со зпукштроподом из кристалла ниобата лития I.iNbOj, пысокоразрентюшнй на основе акустооптического модулятора со зяуко-проволом из ¡фнеталла парателлурита I cOj, В качестве выходных устройств анализа горов игнользонались линейные ФПЗС типа К1200ЦЛ1 и ' К1200ЦЛ5, имеющие 1000 и 1024 фоточувпвительных элементов соответственно. Оба анализа юра были выполнены в виде отдельных модулей с размерами 400x250x100 мм\

Значшельные yciunis в ходе выполнения работы были направлены на разработку схемотехнических злементов аналоговой и цифровой частей ОЦ процессоров.

В аналоговой части разработанных и исследованных OI I процессоров использовались Ф1 ПС различных типов: К1200ЦЛ1. К1200ЦЛ5. К1200ЦЛ7, и Каждый из ишолыонанных ФПЧС имел свои структурные и злектри-чсскис особенности, 1акис как число и размер peí негров, число фаз убавления и iji. Полому, для каждою из использованных типов ФПЗС был paipa6ofaii и изготовлен по единой структурной схеме аналоговый модуль,

•Лкустоошнческпс уггы ОЦ пронессороз разработаны совместно с сотрудниками кяфедрм радиофизики СП61ТУ.

' Hiiici pa ibhuií ак>с1ооп|ичсскнй у icji выполнен в НИИ "Дельта" I Москва

который включал Л!(II. видеоусилитель, формирователи управляющих сигналов, стабилнмфовацные вторичные источники питания, а также прие-моигргдатчнкн, обеспечивающие связь «налогового модуля с цифровой частью ОЦ процессора,'Особенность разработок была связана с реализацией нестандартных режимов работы фот»1фиемиика и обеспечением высокой (около 0.1%) точности преобразовании. В работе для задачи регистрации шунеподобных сигналов показано, что Ol I процессор должен иметь разрядность AI (II в зависимости от радиометрического выигрыша от 7 до 13 двоичных разрядов.

При разработке'.Цифровой части рассмотрено два подход к аппаратно-программному решению ОЦ процессора.

Один из подходов, который был использован в Ol (процессоре для ра-джмелескоиа PATAU-600, связан с созданием двух специализированных усгройств. П К-контроллера и миоюьанально!о цифровой) HHteipaiopa, выполненных на базе микросхем жесткой jioihkh В работе нредоавлены алгоритмы работы,,функции!шльные схемы и временные диаграммы разработанного универсального ПЗС-контроллера, который не только обеспечивает нестандартные режимы работы различных типов Ф1 ПС, и выполняет синхронизацию работы ОЦ процессор», СНЧ приемника н убавляющей JHM. Многоканальный цифровой интегратор обеспечивает первичную обработку данных поступающих с аналоювой части ОЦ процессора, и пргл-ciaiumei собой дна независимых ОЧУ с арифметическими усфойсгвами. Он обеспечивает синхронную демодуляцию и непрерывное ноьа^фовое накопление оцифрованных ок-чеюв с Ф1ПС.

Другой подход к реализации цифровой чип и ОЦ процессора связан с использованием быстродействующею микропроцессора, который обеспечивал бы реализацию необходимом» набора операций. Приводится схема разработанного устройства на базе нифрово! о сигнального процессора..

Разработанное iipoi рнммное обеспечение < И ( нроц^чтора обеспечивает cio p«6oiy м иабораюрных условия* и В cocibbc спектрально!о комплекса радиотелескопа РА1АП-60О на »Milax нас фоики, тестировании, наб.иоде-ния и вторичной обриГнчкн. Оа.бснносгь программною обеспечения ОЦ процессора определилась с одной сюропы, жесткими требованиями рабош 1фоцессора в заданном временном режиме, а с друт ой - необхо;1нмостью обеспечить сибкость в изменении режимов работы Ol (1фоцессора с учегом многообразия спектральных задач в радиоастрономии |1о*язлно. что в рафаботанкмх Ol( процессорах можно про|рамыныи снснчЧмш изменяв

параметры и тем Самым адаптировать их к спектральным наблюдениям различных радиолиний.

П четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований разработанных ОЦ процессоров в лабораторных условиях. Рассмотрена разработанная автоматизированная измерительная система, позволяющая исследовать характеристики ОЦ процессоров.

Приведены результаты экспериментальных исследовании ФПЗС в режимах реверсивных переносов. Показано, что введение 5% "жирного нуля" в ПЗС-pcnicip полностью заполняет ловушки зарядом и существенно уменьшается искажение зарядов при переносах. Для матричного ФПЗС Ю200ЦМ7, работающего в режиме синхронного накопления, число циклов реверсивных - переносов не превосходит 100. Для линейного ФПЗС К1200ЦЛ7 получена зависимость величины сигнала от времени переноса заряда из накопительного регистра в сдвиговый регистр. Д)и уменьшения времени переноса предлагается проводить фоновую подсветку, которая должна составлять порядка 20% от амплитуды сигнала насыщения ФПЗС. Экспериментальные исследования подтвердили возможность использования реверсивных переносов в линейных и матричных ФПЗС для реализации разработанных и используемых алгоритмов регистрации импульсно-модулированных сигналов, рассмотренных во второй главе. .

В работе приводятся измеренные частотные и амплитудные характеристики разработанных макетов ОЦ процессоров. Показано, что при фоновой подсветке достижимый динамический диапазон составляет 25 дБ.

Проведено экспериментальное исследование широкополосного анализатора спектра па основе ОЦ процессора, результаты которог о подтвердили возможность создания широкополосного спектрального комплекса!

В пятой главе рассмотрена работа ОЦ процессора в составе спектрального комплекса радиотелескопа РАТАН-600. Приведено описание спектрального комплекса РАТАН-600, методика и результаты тестирования характеристик ОЦ процессоров, а также результаты наблюдения линии излучения водяного Пара в средней атмосфере Земли на волне 1.35 см выполненные с помощью разработанного ОЦ процессора на спектральном комплексе радиотелескопа РАТАН-бОО*.

ОЦ процессор был установлен во втором облучателе радиотелескопа и работал вместе со штатной аппаратурой, включающей СВЧ приемник, пре-

t Наблюдения были проведены совместно с сотрудниками CAO РАН.

образователь частоты, систему управления и управляющую ЭВМ. В качестве сигнала эквивалента использовался как внутренний генератор, так и внешний сигнал. Синхронизация работы комплекса осуществлялась с помощью Г13С-контроллера. Время и режим наблюдения задавала управляющая ЭВМ.

В работе приводится результаты тестирования ОЦ радиоспектрометра в составе спектрального комплекса. Представлены результаты измерения частотной характеристики, динамического диапазона и других параметров спектрометра. Эффективное время накопления, то есть максимальное время, при котором благодаря накоплению происходит увеличение отношения сигнал/шум, оценивалось по минимуму дисперсии Аллана. Оно составило охоло 200 с, что говорит о высокой стабильности работы спеюромстра.

На основе известной методики наблюдения радиолиний задавалась временная последовательность операций (временная диаграмма наблюдения) с учетом особенностей использования ОЦ процессора в спектральном комплексе.

В работе приведены результаты спектральных наблюдений линии излучения водяного пара в средней атмосфере Земли на волне 1.35 см, выполненные с помощью ОЦ спектрометра на спектральном комплексе РАТАН-600.

Цикл измерений включал в себя 21 день измерений в декабре 1993 г. -январе 1994 г. и 6 дней в декабре 1994 г.

Получены среднесуточные профили вертикального распределения относительною содержания молекул водяйого пара, которые показывают, что на интервале времени порядка суток существенно меняет ся как общее содержание молекул НгО в исследуемом диапазоне высот, так н высота хорошо известного локального максимума содержания 1ЬО в интервале от 50 до 65 км. Распределение молекул НзО с высотой используется радиоастрономами для построении стандартных моделей атмосферы, расчетов поглощения радиоволн в слое I) ионосферы.

Полученные результаты подтвердили эффолииноегь предложенных решений и перспективность использования ОЦ процессоров для спектральных наблюдений а радиоастрономии.

В заключении приведены основные результаты работы.

В праюжении кратко рассмотрена возможность использования разработанных ОЦ процессоров дп» поыришжопных исследований радиоизлучения с;(илща - определенна ишснсипшнтн излучения (параметр Стокса I)

и циркулярно-поляризованной составляющей (параметр Стокса V). Особенность наблюдений Солнца связана с необходимостью регистрации быстро-переменных процессов и требует высоких частот модуляции, что выдвигает повышенные требования к производительности ОЦ процессоров, которая может быть обеспечена путем использования разработанных и исследованных алгоритмов распределенной обработки сигналов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ РАБОТЫ

1. Крылов В. М., Степанова Н. В., Круглое С. К. и др. Автоматизация оптического спектрометра/ЛГруды ЛПИ. - 1985. - N407. - С. 66-69.

2. Есспкина Н. А., Круглое С. К., Прусс-Жуковский С. В. и др. Широкополосный акустооптнчсский спектромстр//Тезнсы докладов I Всесоюзной хонф. по оптичесхой обр. информации. - Л.: изд. ЛИАП. 1988. - С. 78.

3. Evtihiev N. N.. Pruss-Zhukovsky S. V., Kruglov S. К. et al. Hybrid-acoustooptic spectrum analizer for radioastroromy with semiconductor

, lazers//Optical computing, Technical Digest Series. - 1989. - Vol. 9.- P. 172173.

4. Evtihiev N. N., Esepkina N. A., Kruglov S. K. et al. A hybridacousto-optic spectrum analizer for radio-astronomy with semiconductor lazers//Jomal of Modern Optic. -1989. - Vol. 36, N12. - P. 1551-1557.

5. Богод В. M., Круглов С. К., Прусс-Жуковский С. В. и др. Акустооптиче-ский радиоспектрометр для солнечных исследований на РАТАН-600//XXJ Всес. конф. "Радиоастрономическая аппаратура".: Тезлок. -Ереван, 1989.-С. 182.

6.,Есспкина Н. А., Круглов С. К., Прусс-Жуковский С. В. и др. Шнрокопо-лосный акустооптический спектрс метр//Акустооптические устройства. Сб. научных трудов. - Л.:изд. ФТИ, 1989. - С. I3M37.

7. Есешсина 11. А., Круглов С. 1С, Морозов А. С. и др. Цифровой комплекс акустооптического спектрометра. - Преприит CAO АН ССС)Р, NбЗЛ. -Л.ГИ7Д.ЛИЯФ. -1990. - 25 с.

8. Есеикина Н. А., Власов О. Н., Круглов С. К. и др. Исследование характеристик спектрометра для радиоастрономии на основе интегральноопти-ческого анализатора спектра. - Препринт CAO РАН N78 Спб. - С.Петербург, 1992. - 15с.

9. Есспкина Н. А., Круглов С. К., Саенко И. И. и др. Применение ФПЗС в оптоэлаоронной системе обработки радиоизбражеиия Солнца на Си-

бирском солнечном радиотелескопе//Приборы с зарядовой связью и системы на их основе.: Тез. докл. IV конференции с междунар. участием. 27 сент.-2 окт. 1992. - М, 1992. - С.136.

10. Esepkina N. A., Kruglov S. К., Mansurov M. I. et al. Wideband acoustooptic spectroradiomster for radioastronomical researches//Proc. SPIE. - 1993. - Vol. 2051. -P. 694-698.

И. Морозов A. С., Круглов С. К. Многоканальный цифровой синхронный HHTcrpaTOp//XXV радиоастрономическая конференция, 20-24 сентября . 1993.: Тез. док. - Пущино, 1993. - С. 237-239.

12. Есепкина Н. А., Круглов С. К., Саенко И. И. и др. Характеристики аку-стооптичсских спектрометров для радиоастрономических нсследова-hhh//XXV радиоастрономическая конференция, 20-24 сентября 1993.: Тез. док. - Пущино, 1993. - С. 259.

13. Kruglov S. К., Morozow A. S. Multichannel digital synchonous integrator //Astofiz. ïsslcd. (Izv. SAO). - 1993. - N35. - P. 155-160.

14. Решение о выдаче патента от 05.06.95 по заявке N94-025910/25 51МПК 6G0IJ3/433, G01R 23/17. Онтоэлектронный модуляционный спектро-метр/Есепкнна П. А., Круглов С. К., Молодяков С. А. 4 с.

15. Госачинский И. В., Есепкина Н. А., Круглов С. К. и др. Наблюдения линии излучения водяного пара в средней атмосфере Земли с акустоопти-ческим анализатором спектра. - Препринт CAO РАН N108-Cn6. - СПб,

. 1995,-27 с.

16. Госачинский И. В., Есепкина П. А., Круглов С. К. и др. Использование акустооптичесхого анализатора спектра для наблюдения линии 1гзлуче-ния водяного napa//XXVI радиоастрономическая конференция, 18-22 сентября 1995.: Тез. док. - СПб, 1995. - С. 372-373.

17. Есепкина Н. А., Круглов С. К., Молодяков С.А. и др. Акустооптические устройства для радиоастрономии//Российская научно-техническая конференция "Инновационные наукоемкие технологии для России", 25-27 апреля 1995.: Тез. док. - часть 9.- С-П., 1995. - С. 156.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1*. A. VanderLugt. Optical signal processing. - New York: John Wiley & Sons, Inc, 1992,-605 p.

2*. Esepkina N. A., Grechnev V.V., Mansyrev M. I. et al. Acoustooptic irrige processing system for multielement radioheliograph // XXIV URSI General

Assembly.- Japan.- Kyoto.- Aug.25-Sept.2,.- 1993. - Abstracts. - P.472. , 38. Гельфрейх Г. Б., Опейкина JI. В.- Моделирование работы РАТАН-600 в режиме радиогелиографа. - Препринт CAO РАН N96. - Нижний Архыз, 1992.-32 с. . . ' ,, .•■

4*. Левин С.А., Пресс Ф.П., Хотянов Б.М! И др. Математическая модель ПЗС для машинного расчета интегральных микросхем. //Микроэлектроника и полупроводниковые приборы. - Мл Сов. радио, 1978. -Вып. 3.- С. 58-74. .

5*. Молодяков С. Â. Управление информационными характеристиками ФПЗС в устройстве ввода изображения в. ЭВМШриборы .и техника эксперимента. - 1987. - N3. - С. 71-75. ,